一种D2D缓存网络中信用驱动的协作传输方法与流程

一种d2d缓存网络中信用驱动的协作传输方法
技术领域
1.本发明属于无线通信技术领域，涉及一种d2d缓存网络中信用驱动的协作传输方法。


背景技术：

2.大量用户对热门内容的重复请求将给网络带来沉重的回程链路压力，降低了用户体验质量。d2d缓存技术是将内容提前缓存至d2d设备中，当用户发出对已缓存文件的请求，可以通过d2d设备间的内容共享近距离获取文件，能够缓解用户从远端服务器处频繁获取相同文件带来的回程链路压力，帮助卸载基站侧流量，减少基站负荷，有效提高系统性能。此外，d2d通信可以复用蜂窝网络的频谱资源实现用户设备间的信息交互，有效提高频谱利用率。
3.d2d缓存网络在进行内容分发时面临一些问题。首先，d2d通信是在基站监管而非完全控制下进行的。在实际网络中，由于用户自私性，用户有权决定是否缓存热门内容，是否响应周围用户的内容请求。因此，有必要制定策略鼓励用户参与内容缓存。通信领域的研究者们将金融学中的激励机制引入到d2d内容缓存中，通过量化用户共享内容时为网络所做的贡献，建立奖励机制，以此激励用户进行文件缓存和内容共享。此外，当用户在某一时刻发出内容请求，若其d2d通信范围内有多个用户响应了该请求，基站需要从中选择一个合适的用户作为内容提供者。在当代社会的货币商品交易中，商品性价比、商家信用等均可作为购买选择依据。
4.功率控制是d2d网络中减轻用户间干扰，完成d2d传输的关键手段。具体来说，用户发射功率除了满足接收方的数据传输需求(如接收端信干噪比要大于给定的阈值)外，还应该受到一定的约束，以减少对网络中其他设备间通信产生的干扰。面对网络中海量及多元化的终端设备，通信过程中的能源消耗将大幅度增加，考虑到移动设备的能量受限，即电池电量往往是有限的，减少数据传输过程中产生的能耗也成为了网络的关键优化目标，倡导绿色通信变得格外重要。绿色通信的目标是使用更少的能量传送更多的信息，在满足接收端数据速率的要求下，尽可能降低发送端的功率消耗能有效提高能量利用率。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种d2d缓存网络中信用驱动的协作传输方法，该方法能够尽可能降低发送端的功率消耗能。
6.为达到上述目的，本发明所述的d2d缓存网络中信用驱动的协作传输方法包括以下步骤：
7.1)d2d通信复用蜂窝用户上行频谱，d2d用户与蜂窝用户相互干扰；
8.2)在内容请求者的d2d通信范围内，随机分布n个d2d用户，所述n个d2d用户缓存有duer所需文件的喷泉码编码包，将所述n个d2d用户作为内容提供用户；
9.3)在一个传输时间帧开始前，根据最短距离优先策略选择内容提供者，通过选中
的内容提供者向内容请求者发送数据；
10.4)建立信用激励机制，当内容请求者通过d2d通信获取数据时，内容请求者消耗信用，内容提供者获得信用；
11.5)采用队列模型对用户信用值的动态变化建模，利用反向队列技术及渐进队列理论，分析用户的信用统计保障需求；
12.6)在满足网络中用户的物理通信需求及信用需求的基础上，以最小化系统平均归一化发射功率为目标建立优化问题，再求解该优化问题，得到内容提供者的最优发射功率，再根据内容提供者的最优发射功率进行信息的传输。
13.步骤2)中，基站能够获知参与响应用户的位置，在内容请求者的d2d通信范围内，随机分布n个d2d用户，根据n个d2d用户按照与内容请求者之间的物理距离对内容请求者进行升序排序，并将排序后对应的内容提供用户集合记为其中，duep1与内容请求者距离最近，duep
n
与内容请求者距离最远。
14.受设备自身电量限制，第i个内容提供者duep
i
的发送功率小于等于d2d设备的最大发射功率p
max
，则duep
i
归一化后的发射功率μ
i
满足：
[0015][0016]
其中，p
d
参考发送功率。
[0017]
内容请求者需要支付的信用值为传输数据量d的函数，即：
[0018][0019]
其中，b0为系统带宽，t为一个时间帧的长度，γ
i
为参考sinr，代表了duep
i
和duer间的csi。
[0020]
对于一个存在n个候选内容提供者的d2d内容共享系统而言，在时间t内，内容请求者的支出信用函数为：
[0021][0022]
其中，表示候选内容提供者i在每个时间帧响应内容请求的概率。
[0023]
步骤5)的具体操作为：
[0024]
51)信用的获取c
in
和支出c
out
分别表示队列到达及离开，用户当前拥有的剩余信用c为队列长度；用户拥有的信用值小于等于信用队列容量c
max
；
[0025]
52)将用户所拥有的信用值c低于信用阈值c
th
的状态作为信用中断，为保证用户，通过d2d链路获得所需内容，需要保障内容请求者在其请求内容时有足够的信用支付给内
容提供者，即内容请求者拥有的信用需大于等于c
th
，限制内容请求者出现信用中断状态的概率小于预设目标值ε，即：
[0026]
pr{c＜c
th
}＜ε
ꢀꢀꢀ
(12)
[0027]
53)采用反向队列技术获得稳定的反转信用系统，在所建立的反转信用队列系统中，信用的获得过程和支出过程分别表示反转队列的离开及到达，将反转后的信用队列长度记作其与用户拥有的剩余信用之间的关系为：
[0028][0029]
其中，函数c
max
为用户拥有信用的最大值；
[0030]
当反转信用队列为空，即则表示此时用户拥有的信用值等于最大可拥有信用，则表示用户当前拥有的信用值为0，信用统计保障等效转变为：
[0031][0032]
其中，ε为预设信用中断概率；
[0033]
54)根据大偏差理论的统计渐进分析，对于到达过程与离开过程不相关的平稳动态队列，队尾长度近似为指数分布，满足：
[0034][0035]
其中，θ
*
为反转信用队列的目标队列指数，将θ
*
作为信用指数，信用指数θ
*
由到达及离开过程共同决定，在相同阈值c
th
下，信用指数θ
*
越大，则低信用状态概率ε越小；
[0036]
信用指数θ
*
为：
[0037]
ψ(θ)＝φ(θ)
ꢀꢀꢀ
(16)
[0038]
满足：
[0039][0040]
其中，ψ(θ)为到达过程的有效带宽函数，φ(θ)为离开过程的有效容量，为均值符号；
[0041]
55)根据式(16)及式(17)，求解θ
*
，得：
[0042][0043]
θ
*
满足信用统计保障，基于大偏差理论，在给定目标信用指数θ
*
的情况下，需确保公式(12)表述的信用约束，则需要动态调整发射端发射功率使信用的有效消耗速率小于等于信用的有效收集速率，满足：
[0044]
ψ(θ
*
)≤φ(θ
*
)
ꢀꢀꢀ
(19)
[0045]
步骤6)中，以内容提供者的发射功率为优化变量，最小化用户平均归一化发射功率为优化目标，以信用统计保障、接收端目标数据速率、接收端sinr阈值及干扰
控制为约束条件，建立优化问题，再求解该优化问题，得到内容提供者的最优发射功率。
[0046]
步骤6)中建立的优化问题为：
[0047][0048]
其中，不等式1)表示接收端目标平均数据速率约束，r
target
表示接收端目标平均数据速率；不等式2)表示公式(19)中的用户信用保障，ω为一个常量，且不等式3)中表示d2d接收端的sinr阈值；不等式4)中θ
i
为与基站sinr阈值有关的参数；不等式5)表示公式(7)描述的d2d发射端的最大发射功率约束，e1,e2分别满足：
[0049][0050][0051]
步骤6)中，利用拉格朗日乘子法求解所述优化问题。
[0052]
本发明具有以下有益效果：
[0053]
本发明所述的d2d缓存网络中信用驱动的协作传输方法在具体操作时，在多候选内容提供者存在的情况，采用最短距离优先策略进行内容提供者的选择，同时针对具有自私性的d2d内容共享设备的信用平稳可持续需求及系统中各类型用户的服务质量需求，设计信用统计质量及服务质量的双重保障机制。另外，建立内容获取过程中数据量与支付信用值之间的联系，并采用反转队列理论，将不稳定的信用队列转化为稳定队列，便于采用渐进队列理论进行数学建模及理论分析，最后建立基于信用统计质量及用户服务质量约束的最小化平均发射功率的优化问题，并通过对优化问题的求解，得到内容提供者的最优发射功率，从而有效降低系统的平均发射功率，获得更高的能量效率，实现绿色通信。
附图说明
[0054]
图1为本发明的系统框图；
[0055]
图2为本发明的信号传输模型图；
[0056]
图3为系统平均归一化发射功率随预设信用中断概率ε变化的性能对比曲线图；
[0057]
图4为实际信用中断情况随预设信用中断概率ε变化的对比曲线图；
[0058]
图5为预设信用中断概率ε＝10
‑4时，用户信用队列长度的累计分布函数曲线对比图。
具体实施方式
[0059]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0060]
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0061]
参考图1及图2，本发明所述的d2d缓存网络中信用驱动的协作传输方法包括以下步骤：
[0062]
1)d2d设备具有缓存能力，d2d通信复用蜂窝用户上行频谱，d2d用户与蜂窝用户相互干扰，通过调节发射功率，抑制d2d链路复用蜂窝网络频谱产生的干扰；
[0063]
步骤1)的具体操作过程为：
[0064]
11)d2d接收端信号的表达式：
[0065][0066]
其中，为内容提供者duep
i
与服务请求者duer之间的信道增益，p
i
为d2d发送端可控的发射功率，p
i
随d2d链路csi动态变化，x
d
为d2d链路发送信号的功率，h
c,r
为蜂窝用户cue与内容提供者duer之间的信道增益，p
c
为蜂窝用户cue的发送功率，x
c
为蜂窝链路发送信号的功率，n为加性高斯白噪声，n服从均值为0、方差为n0的正态分布。
[0067]
12)使用自由空间路径损耗模型及瑞利平坦衰落模型，分别对信道的大尺度衰落及小尺度衰落进行描述，则用户i与用户j之间的信道增益h
i,j
满足：
[0068][0069]
其中，d
i,j
为用户i与用户j之间的物理距离，α为路径损耗系数，h0～cn(0,1)，服从复指数分布，在帧长为t的周期内保持不变，且在每个时间帧之间独立变化。
[0070]
13)duer处的接收信干噪比大于d2d接收端信干噪比阈值即
[0071][0072]
其中，表示duep
i
与duer之间的csi，p
d
为参考发送功率，μ
i
为被参考发射功率p
d
归一化后的可调发射功率，
[0073]
得：
[0074]
[0075]
14)通过限制d2d链路的发射功率，使基站端的信干噪比大于基站的接收信干噪比阈值保障蜂窝用户正常通信，即满足：
[0076][0077]
得：
[0078][0079]
2)在内容请求者的d2d通信范围内，随机分布n个d2d用户，所述n个d2d用户缓存有duer所需文件的喷泉码编码包，将所述n个d2d用户作为内容提供用户，所述内容提供用户接收到内容请求者请求文件的信号后，从每个传输时间帧开始时，自行决定是否响应该请求；
[0080]
步骤2)操作过程为：
[0081]
基站能够获知参与响应用户的位置，在内容请求者的d2d通信范围内，随机分布n个d2d用户，将所述n个d2d用户按照与内容请求者之间的物理距离进行升序排序，并将排序后对应的内容提供用户集合记为其中，duep1与内容请求者距离最近，duep
n
与内容请求者距离最远。
[0082]
3)在一个传输时间帧开始前，根据最短距离优先策略选择内容提供者，通过选中的内容提供者向请求者发送数据，其中，内容提供者的发射功率受设备最大发射功率限制；
[0083]
步骤3)的具体操作为：
[0084]
受设备自身电量限制，duep
i
的发送功率小于等于d2d设备的最大发射功率p
max
，即：
[0085][0086]
4)建立信用激励机制，当d2d用户通过d2d通信获取数据时，d2d用户消耗信用，内容提供用户获得信用，基站基于接收端在一个时间帧内收到的数据量，决定当前接收端需要向发射端支付的信用量；
[0087]
步骤4)的具体操作为：
[0088]
41)根据香农理论，d2d通信的可达数据传输速率为：
[0089][0090]
其中，b0为系统带宽；
[0091]
在时间帧t内，能够传输的最大数据量为d＝b0t log(1 μ
i
γ
i
)nat，一个时间帧结束后，接收端需要支付的信用值为传输数据量d的函数，即：
[0092][0093]
对于一个存在n个候选内容提供者的d2d内容共享系统而言，在时间t内，内容请求者的支出信用函数为：
[0094][0095]
其中，表示候选内容提供者i在每个时间帧响应内容请求的概率。
[0096]
42)信用获取值c
in
与信用值c
out
相互独立，为一个平稳随机过程，且服从二项分布，满足：
[0097][0098]
其中，m和ω分别表示用户获取信用的强度和概率。
[0099]
5)采用队列模型对用户信用值的动态变化建模，利用反向队列技术及渐进队列理论，分析用户的信用统计保障需求；
[0100]
步骤5)的具体操作为：
[0101]
51)信用的获取c
in
和支出c
out
分别表示队列到达及离开，用户当前拥有的剩余信用c为队列长度；用户拥有的信用值小于等于信用队列容量c
max
；
[0102]
52)将用户所拥有的信用值c低于信用阈值c
th
的状态作为信用中断，为保证用户可以通过d2d链路获得所需内容，需要保障用户在其请求内容时有足够的信用支付给内容提供者，即用户拥有的信用需大于等于c
th
，为减少用户信用耗尽状态出现，在系统设计中保证出现信用中断的概率尽可能低，此时，信用的平稳可持续需求就转化为信用中断状态的统计概率约束，即限制用户出现信用中断状态的概率小于预设目标值ε，即：
[0103]
pr{c＜c
th
}＜ε
ꢀꢀꢀ
(12)
[0104]
53)信用队列为一个不平稳的队列系统，信用统计保障的理论分析极其困难，采用反向队列技术获得稳定的队列系统，在所建立的反转信用队列系统中，信用的获得过程和支出过程分别表示反转队列的离开及到达，将反转后的信用队列长度记作其与用户拥有的剩余信用之间的关系为：
[0105][0106]
其中，函数c
max
为用户拥有信用的最大值。
[0107]
当反转信用队列为空，即则表示此时用户拥有的信用值等于最大可拥有信
用，则表示用户当前拥有的信用值为0，信用统计保障等效转变为：
[0108][0109]
其中，ε的取值较小，例如0.001。
[0110]
54)根据大偏差理论的统计渐进分析，对于一个到达过程与离开过程不相关的平稳动态队列，队尾长度近似为指数分布，满足：
[0111][0112]
其中，θ
*
为反转信用队列的目标队列指数，将θ
*
作为信用指数，信用指数θ
*
由到达及离开过程共同决定，用于表征信用保障的强度：相同阈值c
th
下，信用指数θ
*
越大，则低信用状态概率ε越小，即信用队列保障越严格。
[0113]
信用指数θ
*
为：
[0114]
ψ(θ)＝φ(θ)
ꢀꢀꢀ
(16)
[0115]
满足：
[0116][0117]
其中，ψ(θ)为到达过程的有效带宽函数，为信用反向队列到达过程c
out
的函数，φ(θ)为离开过程的有效容量，φ(θ)为关于信用反向队列离开过程c
in
的函数，为均值符号。
[0118]
55)根据式(16)及式(17)，求解θ
*
，得：
[0119][0120]
θ
*
满足信用统计保障，基于大偏差理论，在给定目标信用指数θ
*
的情况下，需确保公式(12)表述的信用约束，则需要动态调整发射端发射功率使信用的有效消耗速率小于等于信用的有效收集速率，满足：
[0121]
ψ(θ
*
)≤φ(θ
*
)
ꢀꢀꢀ
(19)
[0122]
6)在满足网络中用户的物理通信需求及信用需求的基础上，以最小化系统平均归一化发射功率为目标建立优化问题，再解决建立的优化问题，得内容提供者的最优发射功率，再根据内容提供者的最优发射功率进行信息的传输。
[0123]
步骤6)的具体操作为：
[0124]
61)以内容提供者的发射功率为优化变量，最小化用户平均归一化发射功率为优化目标，以信用统计保障、接收端目标数据速率、接收端sinr阈值及干扰控制为约束条件的优化问题为：
[0125][0126]
其中，不等式1)表示接收端目标平均数据速率约束，r
target
表示接收端目标平均数据速率；不等式2)表示公式(19)中的用户信用保障，ω为一个常量，且不等式3)及不等式4)为接收端的sinr阈值约束；不等式5)表示公式(7)描述的d2d发射端的最大发射功率约束，e1,e2分别满足：
[0127][0128][0129]
该优化问题为一个凸优化问题；
[0130]
求解该优化问题，得到内容提供者的最优发射功率；
[0131]
以n＝3为例，对优化问题求解进行求解，重写n＝3时，公式(20)所述的凸优化问题：
[0132][0133]
其中，e1,e2分别满足：
[0134][0135][0136]
63)利用拉格朗日乘子法求解该优化问题，其中，构造的拉格朗日函数为：
[0137][0138]
其中，λ,β分别为目标数据速率约束及信用约束的拉格朗日乘子，f(γ
i
)为csiγ
i
,的概率密度函数；
[0139]
根据kkt(karush
–
kuhn
–
tucker)条件，μ1,μ2,μ3的最优解满足式(26)，所述拉格朗日函数分别关于μ1,μ2,μ3求导等于0，对式(26)分别关于μ1,μ2,μ3求导，得：
[0140][0141]
设式(27)中三个表达式分别等于0，得关于μ1,μ2,μ3的方程，化简得：
[0142][0143]
在给定拉格朗日乘子λ,β的条件下，采用数值分析的方法逼近式(28)的近似解及并采用次梯度下降法迭代更新λ,β，其更新原则为：
[0144][0145]
其中，δ为更新步长，δ＞0；n为迭代更新计数；e
λ
,e
β
分别为拉格朗日乘子λ,β的更新方向，e
λ
＝e1,e
β
＝e2。
[0146]
仿真实验
[0147]
为了验证本发明的性能，进行如下仿真：
[0148]
对系统的平均归一化发射功率，用户信用中断概率及用户信用累计分布函数进行
统计，并使用如下两个对比方案作为性能对比基准：
[0149]
a)随机用户选择方案
[0150]
本对比传输方案的全称为随机用户选择模式下信用驱动的协作传输方案。该方案的基本思路是：建立内容共享传输链路时，考虑一种多个备选内容提供者下，随机选择发送方的策略。同时依然采用面向绿色通信的信用驱动的功率分配方法。
[0151]
b)绝对信用控制方案
[0152]
本对比传输方案为最短距离选择模式下绝对信用控制的协作传输方案，该对比方案的基本思路为：保留本发明中最短距离优先的内容提供者选择模式，但在功率约束时采用绝对信用约束，也就是说，严格保障每一次内容支出时，内容请求者拥有的信用值在信用中断阈值以上，同时仍需满足服务质量约束的面向绿色通信的功率分配原则，其优化方程为：
[0153][0154]
图3为存在两个候选内容提供者时，各方案系统平均归一化发射功率随预设信用中断概率ε变化的性能对比曲线，体现了d2d系统能量利用效率随信用保障减弱的变化趋势，仿真结果表明，在给出的预设信用中断概率的合理范围内，本发明实现了最小的平均归一化发射功率，系统的能量效率最高。
[0155]
图4为存在两个候选内容提供者时，各方案在仿真中的实际信用中断情况随预设信用中断概率ε变化的对比曲线，仿真结果表明，本发明和绝对信用控制方案均能够保证信用中断概率小于或等于目标信用中断概率(预设信用中断概率值)，保障信用统计质量。
[0156]
图5为预设信用中断概率为ε＝10
‑4，存在两个候选内容提供者时，各方案中，用户信用队列长度的累计分布函数对比曲线图。本发明中的传输方案中，用户信用值分布更加广泛，能够保证用户拥有更加平稳的信用队列，能够应对突发的内容请求需求，系统性能更优。