一种引入社交域信息的多跳D2D通信中的中继选择方法

allocation for d2d communications[c]//2015ieee international conference on acoustics,speech and signal processing(icassp).april 19-24,2015,brisbane,australia.piscataway:ieee press,2015:3063-3067.(设备到设备通信的最优路由与功率分配[c]//2015年ieee国际声学、语音与信号处理会议(icassp)))提出了一种基于dijkstra算法的d2d多跳路由算法，该算法的仿真结果表明与单跳直接d2d通信相比，多跳路径可以实现更高的吞吐量。还有文献(yuan h,guo w s,jin y l,et al.interference-aware multi-hop path selection for device-to-device communications in a cellular interference environment[j].iet communications,2017,11(11):1741-1750.(蜂窝干扰环境中用于设备到设备通信的干扰感知多跳路径选择[j].《英国工程技术学会通信》))提出了一种用于d2d通信的自适应干扰感知多跳路径选择算法，该算法通过了解用户位置，使多跳路径从d2d发射端开始首先到达小区边缘，然后沿小区边缘移动，最后到达接收端附近时返回小区内部，该算法在小幅度牺牲传统蜂窝容量的情况下显著提高了整体网络容量。
[0006]
考虑到在实际的系统中，设备充当中继时具有自身意愿问题，研究人员考虑更加现实的场景并将终端的社交域信息引入到d2d研究中。有文献(zhang z f,zhang p r,liu d,et al.srsm-based adaptive relay selection for d2d communications[j].ieee internet of things journal,2017:2323-2332.(基于srsm的d2d通信自适应中继选择[j].《ieee物联网期刊》))提出了一种利用社交网络的中继选择方法，该方法综合考虑中继的物理域和社交域因素，将根据用户遭遇历史计算得到的链路传输稳定性和根据用户亲密度计算得到的合作意愿作为标准选择中继，相比于传统的方法，该方法可以提高中继选择成功的概率，减轻蜂窝网络的负担。也有文献(li y,zhang z f,wang h g,et al.sers:social-aware energy-efficient relay selection in d2d communications[j].ieee transactions on vehicular technology,2018:5331-5345.(sers：d2d通信中的社交感知节能中继选择[j].《ieee车辆技术汇刊》))提出了一种创新的社交感知节能中继选择机制，该机制考虑了移动用户之间隐藏的社交关系，能够确保更多用户愿意参与合作通信。
[0007]
上述中继选择算法均是应用于蜂窝网络场景，有文献(chen g j,tang j c,coon j p.optimal routing for multihop social-based d2d communications in the internet of things[j].ieee internet of things journal,2018,5(3):1880-1889.(物联网中基于社交的多跳d2d通信的最优路由[j].《ieee物联网期刊》))提出了一种应用于物联网场景的多跳d2d通信最优路由算法，该算法融合了社交域信息，通过使用基于排序的信任模型推导出d2d连接的信任概率，由信任概率得到了节点间的可信任连接概率，并考虑了可信任连接概率的影响，最终所提出的路由算法可以使任意一对d2d设备以分布式的方式实现最高的可信任连接概率，几乎达到了通过穷举搜索实现的性能。
[0008]
综上所述，目前在两跳d2d通信方面已有一些关于分布式或以设备为中心的中继选择算法的研究，但是有关多跳d2d通信的中继选择的研究基本都没有考虑到算法的执行方式和复杂度这一问题。另一方面，现有的关于多跳d2d通信的中继选择的研究都是基于半双工中继，算法的吞吐量性能受到了限制。同时，对社交域信息在实际系统中对算法性能的影响的研究还不充分。因此，研究一种在工程实现上能够以半分布式的方式执行，有效减少基站负载，且能够确保吞吐量性能，能够提升能量效率的应用于蜂窝网络场景的引入社交
域信息的多跳d2d通信中的中继选择方法是非常有必要的。


技术实现要素：

[0009]
本发明所要解决的技术问题是提供一种引入社交域信息的多跳d2d通信中的中继选择方法，其应用于蜂窝网络场景，其在工程实现上能够以半分布式的方式执行，有效减少了基站负载，且其能够确保吞吐量性能，能够有效提升能量效率。
[0010]
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种引入社交域信息的多跳d2d通信中的中继选择方法，其特征在于该方法应用于蜂窝网络场景，设定所有信道均为瑞利衰落信道，同时考虑自由空间传播路径损耗，设定存在一个源设备和一个目的设备且两者的位置固定不变，设定基站和源设备已知目的设备的位置，设定源设备与目的设备之间进行多跳d2d通信的跳数为m跳，m≥3，设定源设备与目的设备之间的中继工作在频分双工模式；该方法包括以下步骤：
[0011]
步骤1：源设备发送一个d2d多跳通信请求到基站；然后基站确定源设备的位置和目的设备的位置；
[0012]
步骤2：基站利用基于中继簇的候选中继确定方法，根据源设备的位置和目的设备的位置在源设备与目的设备之间确定m-1个中继簇圆形区域，然后根据m-1个中继簇圆形区域确定源设备与目的设备之间的所有候选中继，并确定各个候选中继的位置，再通知各个候选中继告知其已被选中作为候选中继；其中，每个中继簇圆形区域内有2个以上的候选中继；
[0013]
步骤3：计算每个中继簇圆形区域内的每个候选中继在考虑社交关系的情况下的发射功率；然后将每个中继簇圆形区域内的所有候选中继在考虑社交关系的情况下的发射功率按候选中继的序号先后顺序构成一个集合，将第m'个中继簇圆形区域内的所有候选中继在考虑社交关系的情况下的发射功率按候选中继的序号先后顺序构成的集合记为p
m'
；再将源设备与目的设备之间的所有候选中继在考虑社交关系的情况下的发射功率构成的发射功率集记为p，p＝p1∪p2∪
…
∪p
m'
∪
…
∪p
m-1
；其中，1≤m'≤m-1，p1表示第1个中继簇圆形区域内的所有候选中继在考虑社交关系的情况下的发射功率构成的集合，p2表示第2个中继簇圆形区域内的所有候选中继在考虑社交关系的情况下的发射功率构成的集合，p
m-1
表示第m-1个中继簇圆形区域内的所有候选中继在考虑社交关系的情况下的发射功率构成的集合，符号“∪”为集合的并运算符号；
[0014]
步骤4：基站确定源设备与目的设备之间进行多跳d2d通信的每一跳复用的频谱所对应的蜂窝设备，共确定m个蜂窝设备且复用蜂窝设备的上行频谱；然后将确定的m个蜂窝设备的频谱按每跳的先后顺序构成的集合记为f；
[0015]
步骤5：基站将源设备与基站之间的信道增益、每个中继簇圆形区域内的每个候选中继与基站之间的信道增益，连同源设备的位置、目的设备的位置、每个中继簇圆形区域内的每个候选中继的位置，以及p、f发送给目的设备；
[0016]
步骤6：目的设备将从基站处接收到的所有数据发送给第m-1个中继簇圆形区域内的每个候选中继，目的设备并将自身的信号接收频率设为fm，fm的值等于源设备与目的设备之间进行多跳d2d通信的第m跳复用的频谱所对应的蜂窝设备的信道频率；
[0017]
步骤7：计算第m-1个中继簇圆形区域内的每个候选中继在考虑干扰的情况下的最
大发射功率；然后将第m-1个中继簇圆形区域内的所有候选中继在考虑干扰的情况下的最大发射功率按候选中继的序号先后顺序构成一个集合，并记为p'
m-1
；再比较p
m-1
与p'
m-1
中同一个候选中继在考虑社交关系的情况下的发射功率与在考虑干扰的情况下的最大发射功率的大小，将比较得到的最小值作为对应候选中继的发射功率；之后将第m-1个中继簇圆形区域内的所有候选中继的发射功率按候选中继的序号先后顺序构成一个集合，记为p
*m-1
；其中，p
m-1
表示第m-1个中继簇圆形区域内的所有候选中继在考虑社交关系的情况下的发射功率按候选中继的序号先后顺序构成的集合；
[0018]
步骤8：设定第m-1个中继簇圆形区域内的每个候选中继在从目的设备处接收到所有数据的同时能够获得其自身与目的设备之间的信道增益；然后根据p
*m-1
以及第m-1个中继簇圆形区域内的每个候选中继与目的设备之间的信道增益，计算第m-1个中继簇圆形区域内的每个候选中继向目的设备发送信号时目的设备的接收信号功率；
[0019]
步骤9：第m-1个中继簇圆形区域内的每个候选中继开启一个终止时间与其到目的设备的接收信号功率成反比的计时器；然后将最先结束的计时器对应的候选中继确定为第m-1个中继簇圆形区域内的最佳中继即第m跳的最佳中继，并记为r
m-1
，r
m-1
向第m-1个中继簇圆形区域内的其余候选中继广播一条自己已被选作最佳中继的消息，第m-1个中继簇圆形区域内的其余候选中继在收到广播消息后关闭计时器；
[0020]
步骤10：r
m-1
将从目的设备处接收到的所有数据发送给第m-2个中继簇圆形区域内的每个候选中继，并将自身的信号发送频率设为fm，将自身的信号接收频率设为f
m-1
，f
m-1
的值等于源设备与目的设备之间进行多跳d2d通信的第m-1跳复用的频谱所对应的蜂窝设备的信道频率；
[0021]
步骤11：按照步骤7至步骤10的过程，以相同的方式确定第m-1跳的最佳中继，并记为r
m-2
，r
m-2
将从r
m-1
处接收到的所有数据发送给第m-3个中继簇圆形区域内的每个候选中继，并确定r
m-2
的信号发送频率为f
m-1
，r
m-2
的信号接收频率为f
m-2
，f
m-2
的值等于源设备与目的设备之间进行多跳d2d通信的第m-2跳复用的频谱所对应的蜂窝设备的信道频率；
[0022]
步骤12：按照步骤11的过程，依次类推，直至确定第2跳的最佳中继，并记为r1，r1将从r2处接收到的所有数据发送给源设备，并确定r1的信号发送频率为f2，r1的信号接收频率为f1，f1的值等于源设备与目的设备之间进行多跳d2d通信的第1跳复用的频谱所对应的蜂窝设备的信道频率；
[0023]
步骤13：计算源设备在考虑干扰的情况下的最大发射功率，并将源设备的信号发送频率设为f1；然后源设备开始与目的设备进行多跳d2d通信。
[0024]
所述的步骤2中，基于中继簇的候选中继确定方法的具体过程为：
[0025]
步骤2_1：在源设备与目的设备之间找出圆心在源设备的位置与目的设备的位置的直线连线上、半径为r的m-1个中继簇圆形区域，第1个中继簇圆形区域的圆心与源设备的位置之间的距离为r，相邻两个中继簇圆形区域的圆心之间的距离为l
adj
，最后一个即第m-1个中继簇圆形区域的圆心与目的设备的位置之间的距离为l
fin
；其中，r∈[10m,30m]，l
adj
∈(2r,100m]，l
fin
∈(0,l
adj
]；
[0026]
步骤2_2：将落于所有中继簇圆形区域内和中继簇圆形区域边界上的空闲设备均作为源设备与目的设备之间的候选中继。
[0027]
所述的步骤3中，将第m'个中继簇圆形区域内的第n
m'
个候选中继在考虑社交关系
的情况下的发射功率记为表示第m'个中继簇圆形区域内的候选中继的个数，n
m'
≥2，max()表示取最大值函数，p
max
表示空闲设备额定的最大发射功率，表示持有源设备的用户与持有第m'个中继簇圆形区域内的第n
m'
个候选中继的用户之间的社交关系强度，表示持有源设备的用户与持有第m'个中继簇圆形区域内的第n
m'
个候选中继的用户之间的通话总次数，表示持有源设备的用户与持有第m'个中继簇圆形区域内的第n
m'
个候选中继的用户之间的通话总时长，fres表示持有源设备的用户进行过的所有通话的总次数，durs表示持有源设备的用户进行过的所有通话的总时长，表示持有目的设备的用户与持有第m'个中继簇圆形区域内的第n
m'
个候选中继的用户之间的社交关系强度，表示持有目的设备的用户与持有第m'个中继簇圆形区域内的第n
m'
个候选中继的用户之间的通话总次数，表示持有目的设备的用户与持有第m'个中继簇圆形区域内的第n
m'
个候选中继的用户之间的通话总时长，fred表示持有目的设备的用户进行过的所有通话的总次数，durd表示持有目的设备的用户进行过的所有通话的总时长。
[0028]
所述的步骤4的具体过程为：
[0029]
步骤4_1：对于源设备与目的设备之间进行多跳d2d通信的第m跳，将第m跳的发射设备和接收设备对应记为txm和rxm；其中，1≤m≤m，m＝1时第1跳的发射设备和接收设备对应为源设备和第1个中继簇圆形区域内确定的最佳中继，m＝m时第m跳的发射设备和接收设备对应为第m-1个中继簇圆形区域内确定的最佳中继和目的设备；
[0030]
步骤4_2：当m≠m时在rxm所在的中继簇圆形区域的圆心与基站的位置之间作一直线段并向基站侧延长，当m＝m时在rxm即目的设备的位置与基站的位置之间作一直线段并向基站侧延长；然后以延长线上的一点为圆心、半径为作一个与保护区域边界内切的圆形区域作为蜂窝设备选择区域，且蜂窝设备选择区域内至少有一个蜂窝设备；其中，r表示中继簇圆形区域的半径，保护区域边界为以基站的位置为圆心、半径为rb的圆形区域，保护区域边界内不允许进行d2d通信，rb∈[50m,150m]；
[0031]
步骤4_3：从蜂窝设备选择区域内的所有蜂窝设备中，找出到基站的接收信号功率最大的蜂窝设备，将该蜂窝设备作为源设备与目的设备之间进行多跳d2d通信的第m跳复用的频谱所对应的蜂窝设备。
[0032]
所述的步骤7中，将第m-1个中继簇圆形区域内的第n
m-1
个候选中继在考虑干扰的情况下的最大发射功率记为其中，1≤n
m-1
≤n
m-1
，n
m-1
表示第m-1个中继簇圆形区域内的候选中继的个数，n
m-1
≥2，表示源设备与目
的设备之间进行多跳d2d通信的第m跳复用的频谱所对应的蜂窝设备cm的发射功率，表示cm与基站之间的距离，表示cm与基站之间的信道增益，表示第m-1个中继簇圆形区域内的第n
m-1
个候选中继与基站之间的距离，表示第m-1个中继簇圆形区域内的第n
m-1
个候选中继与基站之间信道增益，n0表示背景高斯白噪声的功率，α表示路径损耗指数，thm表示基站能够正确解码cm发送的信号所需要的最小信干噪比。
[0033]
所述的步骤8中，将第m-1个中继簇圆形区域内的第n
m-1
个候选中继向目的设备发送信号时目的设备的接收信号功率记为送信号时目的设备的接收信号功率记为其中，1≤n
m-1
≤n
m-1
，n
m-1
表示第m-1个中继簇圆形区域内的候选中继的个数，n
m-1
≥2，表示第m-1个中继簇圆形区域内的第n
m-1
个候选中继的发射功率，表示第m-1个中继簇圆形区域内的第n
m-1
个候选中继与目的设备之间的信道增益，表示第m-1个中继簇圆形区域内的第n
m-1
个候选中继与目的设备之间的距离，α表示路径损耗指数。
[0034]
所述的步骤13中，将源设备在考虑干扰的情况下的最大发射功率记为p's，其中，表示源设备与目的设备之间进行多跳d2d通信的第1跳复用的频谱所对应的蜂窝设备c1的发射功率，表示c1与基站之间的距离，表示c1与基站之间的信道增益，表示源设备与基站之间的距离，表示源设备与基站之间信道增益，th1表示基站能够正确解码c1发送的信号所需要的最小信干噪比。
[0035]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0036]
1)本发明方法为了提高多跳d2d链路的吞吐量，不同于以往假设中继是半双工设备的研究，本发明方法基于全双工中继，然后为了避免全双工带来的严重的自干扰，令中继工作在频分双工模式。
[0037]
2)本发明方法考虑到空闲设备充当中继的意愿问题，在中继选择过程中引入了持有空闲设备的用户之间的社交关系，即引入了社交域信息，使本发明方法更具有现实意义，且通过大量的蒙特卡洛仿真得到的结果表明，在考虑社交域信息时，通过使用全双工中继，保证了多跳d2d通信的吞吐量性能，尽管其吞吐量会自然降低，但其能量效率得到了大大的提升，从而使得本发明方法在电池技术没有突破性进展和倡导节能减排的今天具有一定的实际应用价值。
[0038]
3)本发明方法在工程实现上能够以半分布式的方式执行即能够在较少地依赖基站的情况下运行，有效地减少了基站负载。
附图说明
[0039]
图1为一个单小区蜂窝网络中的多跳d2d通信的物理模型的示意图；
[0040]
图2为本发明方法中的基于中继簇(cluster)的候选中继确定方法的示意图；
[0041]
图3为多跳d2d通信的第m跳的干扰示意图；
[0042]
图4为本发明方法中确定源设备与目的设备之间进行多跳d2d通信的第m跳复用的频谱所对应的蜂窝设备的示意图；
[0043]
图5为随着源设备(s)与目的设备(d)之间距离变化的情况下sa方法、sua方法、mls方法、htprs方法的吞吐量性能比较示意图；
[0044]
图6为随着每个中继簇圆形区域内的候选中继数量变化的情况下sa方法、sua方法、mls方法、htprs方法的吞吐量性能比较示意图；
[0045]
图7为随着源设备(s)与目的设备(d)之间距离变化的情况下sa方法、sua方法、mls方法、htprs方法的能量效率性能比较示意图；
[0046]
图8为随着每个中继簇圆形区域内的候选中继数量变化的情况下sa方法、sua方法、mls方法、htprs方法的能量效率性能比较示意图；
[0047]
图9为本发明方法的总体实现框图。
具体实施方式
[0048]
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0049]
在某个时刻源设备想要与目的设备进行d2d通信，由于他们之间的距离过远，因此只能在多个中继的帮助下才能成功建立d2d通信。在这种情况下需要从源设备和目的设备之间的空闲设备中选出合适的空闲设备作为中继，帮助转发源设备和目的设备之间的数据。但是源设备和目的设备之间的空闲设备数量众多，而且不同的空闲设备作为中继时d2d通信链路的性能不同，因此如何选择中继成为了一个重要的问题。同时，在实际的d2d通信中进行中继选择时，由于自身有通信需求或电池电量有限等原因，持有中继的用户可能不愿意充当他人的中继，或者不愿意为转发他人的数据贡献太多的功率。但是，如果持有中继的用户和进行d2d通信的用户有亲密的社交关系，那么该用户就很有可能愿意充当中继或为转发d2d通信的数据贡献更多的功率。因此，在实际的系统中，有必要将社交域信息引入到多跳d2d通信的中继选择算法中。由此本发明提出了一种引入社交域信息的多跳d2d通信中的中继选择方法，该方法应用于蜂窝网络场景，图1给出了一个单小区蜂窝网络中的多跳d2d通信的物理模型，如图1所示，包括位于小区中心的基站(base station，用bs表示)、多个通过上行正交信道与基站通信的蜂窝(终端)设备(cellular equipment，用ce表示)、多个当前没有通信需求的空闲设备(idle equipment，用ie表示)、多跳d2d通信的源设备(source，用s表示)、多跳d2d通信的目的设备(destination，用d表示)，以及多个为源设备和目的设备之间的通信转发数据的中继(relay，用r表示，从空闲设备中选出)。基站配备有全向天线，所有设备配备有两个天线且工作在全双工模式。
[0050]
本发明提出的一种引入社交域信息的多跳d2d通信中的中继选择方法，其应用于蜂窝网络场景，设定所有信道均为瑞利衰落信道，同时考虑自由空间传播路径损耗，设定存在一个源设备和一个目的设备且两者的位置固定不变，设定基站和源设备已知目的设备的位置，设定源设备与目的设备之间进行多跳d2d通信的跳数为m跳，m≥3，设定源设备与目的设备之间的中继工作在频分双工模式；其总体实现框图如图9所示，包括以下步骤：
[0051]
步骤1：源设备发送一个d2d多跳通信请求到基站；然后基站确定源设备的位置和目的设备的位置，基站接收到源设备发送的d2d多跳通信请求后就可确定源设备的位置，而目的设备的位置则在基站与目的设备之前的通信中已确定，即设定基站已知目的设备的位
置。
[0052]
步骤2：基站利用基于中继簇(cluster)的候选中继确定方法，根据源设备的位置和目的设备的位置在源设备与目的设备之间确定m-1个中继簇圆形区域，然后根据m-1个中继簇圆形区域确定源设备与目的设备之间的所有候选中继，并确定各个候选中继的位置，再通知各个候选中继告知其已被选中作为候选中继；其中，每个中继簇圆形区域内有2个以上的候选中继。
[0053]
如果将源设备与目的设备之间的所有空闲设备当作候选中继，则从中选出最佳中继可以得到更准确的结果，但是这样做会导致算法复杂度过高，不利于实际应用。受多跳认知无线网络和认知中继网络中中继选择和路由策略方向相关研究的启发，同时为了减少算法复杂度，本发明提出了一种基于中继簇(cluster)的候选中继确定方法，在中继选择时只把某些区域中的空闲设备当作候选中继。在本实施例中，步骤2中，基于中继簇(cluster)的候选中继确定方法的具体过程为：
[0054]
步骤2_1：如图2所示，在源设备与目的设备之间找出圆心在源设备的位置与目的设备的位置的直线连线上、半径为r的m-1个中继簇圆形区域，第1个中继簇圆形区域的圆心与源设备的位置之间的距离为r，相邻两个中继簇圆形区域的圆心之间的距离为l
adj
，最后一个即第m-1个中继簇圆形区域的圆心与目的设备的位置之间的距离为l
fin
；其中，r∈[10m,30m]，在本实施例中取r为20m，l
adj
∈(2r,100m]，l
fin
∈(0,l
adj
]。
[0055]
在图2中，s表示源设备，d表示目的设备，cluster 1表示第1个中继簇圆形区域，cluster 2表示第2个中继簇圆形区域，cluster m-2表示第m-2个中继簇圆形区域，cluster m-1表示第m-1个中继簇圆形区域。
[0056]
步骤2_2：将落于所有中继簇圆形区域内和中继簇圆形区域边界上的空闲设备均作为源设备与目的设备之间的候选中继。
[0057]
步骤3：计算每个中继簇圆形区域内的每个候选中继在考虑社交关系的情况下的发射功率；然后将每个中继簇圆形区域内的所有候选中继在考虑社交关系的情况下的发射功率按候选中继的序号先后顺序构成一个集合，将第m'个中继簇圆形区域内的所有候选中继在考虑社交关系的情况下的发射功率按候选中继的序号先后顺序构成的集合记为p
m'
；再将源设备与目的设备之间的所有候选中继在考虑社交关系的情况下的发射功率构成的发射功率集记为p，p＝p1∪p2∪
…
∪p
m'
∪
…
∪p
m-1
；其中，1≤m'≤m-1，p1表示第1个中继簇圆形区域内的所有候选中继在考虑社交关系的情况下的发射功率构成的集合，p2表示第2个中继簇圆形区域内的所有候选中继在考虑社交关系的情况下的发射功率构成的集合，p
m-1
表示第m-1个中继簇圆形区域内的所有候选中继在考虑社交关系的情况下的发射功率构成的集合，符号“∪”为集合的并运算符号。
[0058]
在本实施例中，步骤3中，将第m'个中继簇圆形区域内的第n
m'
个候选中继在考虑社交关系的情况下的发射功率记为1≤n
m'
≤n
m'
，n
m'
表示第m'个中继簇圆形区域内的候选中继的个数，n
m'
≥2，max()表示取最大值函数，p
max
表示空闲设备额定的最大发射功率，表示持有源设备的用户与持有第m'个中继簇圆形区域内的第n
m'
个候选中继的用户之间的社交关系强度，
表示持有源设备的用户与持有第m'个中继簇圆形区域内的第n
m'
个候选中继的用户之间的通话总次数，表示持有源设备的用户与持有第m'个中继簇圆形区域内的第n
m'
个候选中继的用户之间的通话总时长，fres表示持有源设备的用户进行过的所有通话的总次数，durs表示持有源设备的用户进行过的所有通话的总时长，表示持有目的设备的用户与持有第m'个中继簇圆形区域内的第n
m'
个候选中继的用户之间的社交关系强度，表示持有目的设备的用户与持有第m'个中继簇圆形区域内的第n
m'
个候选中继的用户之间的通话总次数，表示持有目的设备的用户与持有第m'个中继簇圆形区域内的第n
m'
个候选中继的用户之间的通话总时长，fred表示持有目的设备的用户进行过的所有通话的总次数，durd表示持有目的设备的用户进行过的所有通话的总时长。表示持有目的设备的用户进行过的所有通话的总时长。fred、durd这些数据基站中有，在实际应用中往往可以统计一段时间内的数据，如统计最近的30天的通话。
[0059]
在现实生活中，两个关系密切的人之间一般会通过电话或社交软件等频繁地联系，并且每次联系时持续的时间比较长；而两个关系疏远的人之间一般很少联系，并且联系时持续的时间比较短。另一方面，考虑到基站可以从数据库中获取用户的通话记录，并且在用户通过社交软件联系时可以很方便地记录次数、时长等数据，因此用持有设备的用户之间通过电话或社交软件进行联系的次数和时长来量化他们之间的社交关系强度。根据li h x,wu c,li z p,et al.stochastic optimal multirate multicast in socially selfish wireless networks[c]//2012proceedings ieee infocom.march 25-30,2012,orlando,fl,usa.piscataway:ieee press,2012:172-180.(社交自私无线网络中随机最优多速率多播[c]//2012年ieee国际计算机通信会议报告记录)中的研究，绝大多数用户之间的社交关系强度比较弱，只有少数用户与其他用户之间有着较强的社交关系，类似于帕累托分布。用帕累托分布建模用户之间的社交关系强度，并规定中继的发射功率与他们和源设备、目的设备之间的社交关系强度有关。
[0060]
步骤4：基站确定源设备与目的设备之间进行多跳d2d通信的每一跳复用的频谱所对应的蜂窝设备，共确定m个蜂窝设备且复用蜂窝设备的上行频谱；然后将确定的m个蜂窝设备的频谱按每跳的先后顺序构成的集合记为f。
[0061]
为了提高频谱利用率，本发明提出d2d设备通过复用蜂窝设备的频谱实现通信。为了避免多跳链路之间的互干扰以及全双工模式带来的自干扰，多跳d2d通信的每一跳复用不同蜂窝设备的频谱，即中继工作在频分双工模式。另外，d2d通信复用蜂窝设备的上行频谱，这是因为：一方面复用下行频谱时蜂窝设备接收到干扰信号，复用上行频谱时基站接收到干扰信号，而基站处理干扰的能力一般强于蜂窝设备；另一方面，相比于下行频谱，上行频谱通常未被充分利用。另外，由于多跳d2d通信的每一跳复用不同蜂窝设备的频谱，所以虽然源设备与目的设备之间的所有中继均工作在频分双工模式，但各跳的信道干扰情况可以单独分析。
[0062]
图3为多跳d2d通信的第m跳的干扰示意图，图3中txm和rxm对应为多跳d2d通信的第m跳的发射设备和接收设备，cm为多跳d2d通信的第m跳复用的频谱所对应的蜂窝设备，bs为基站，1≤m≤m。
[0063]
为了保证蜂窝设备的正常通信，基站从cm处接收到的信号的信干噪比需要达到一定的门限值thm，即：其中，表示cm的发射功率，设定多跳d2d通信的第1跳复用的频谱所对应的蜂窝设备c1至多跳d2d通信的第m跳复用的频谱所对应的蜂窝设备cm的发射功率均相同，表示txm的发射功率，表示cm与基站之间的距离，表示cm与基站之间的信道增益，表示txm与基站之间的距离，表示txm与基站之间的信道增益，n0表示背景高斯白噪声的功率，α表示路径损耗指数，thm表示基站能够正确解码cm发送的信号所需要的最小信干噪比。
[0064]
由可以得到然后取从中可以看出，随的减小而增大，保证了的成立，即基站从cm处接收到的信号的信干噪比必定能达到一定的门限值thm。
[0065]
rxm从txm处接收到的信号的信干噪比为其中，表示txm与rxm之间的距离，表示txm与rxm之间的信道增益，表示cm与rxm之间的距离，表示cm与rxm之间的信道增益。从中可以看出，随和的增加而增加。根据香农公式，多跳d2d通信的第m跳的吞吐量与直接相关，为了提高该跳的吞吐量，可以通过增加(即减小)或增加来实现。另外，考虑到txm与基站之间的距离太近时会对基站造成严重的干扰，因此
本发明设置一个以基站的位置为圆心、半径为rb的圆形区域作为保护区域边界，并规定在保护区域边界内不允许进行d2d通信。
[0066]
在本实施例中，步骤4的具体过程为：
[0067]
步骤4_1：对于源设备与目的设备之间进行多跳d2d通信的第m跳，将第m跳的发射设备和接收设备对应记为txm和rxm；其中，1≤m≤m，m＝1时第1跳的发射设备和接收设备对应为源设备和第1个中继簇圆形区域内确定的最佳中继，m＝m时第m跳的发射设备和接收设备对应为第m-1个中继簇圆形区域内确定的最佳中继和目的设备。
[0068]
步骤4_2：如图4所示，当m≠m时在rxm所在的中继簇圆形区域的圆心与基站的位置之间作一直线段并向基站侧延长，当m＝m时在rxm即目的设备的位置与基站的位置之间作一直线段并向基站侧延长；然后以延长线上的一点为圆心、半径为作一个与保护区域边界内切的圆形区域作为蜂窝设备选择区域，且蜂窝设备选择区域内至少有一个蜂窝设备；其中，r表示中继簇圆形区域的半径，保护区域边界为以基站的位置为圆心、半径为rb的圆形区域，保护区域边界内不允许进行d2d通信，合理地设置rb的数值既能避免d2d设备对基站造成严重的干扰，又能减小增加由可知将增加，即多跳d2d通信的第m跳的吞吐量将增加，rb的取值范围为rb∈[50m,150m]，在本实施例rb取值为100m。
[0069]
在图4中，txm和rxm对应为多跳d2d通信的第m跳的发射设备和接收设备，cm为多跳d2d通信的第m跳复用的频谱所对应的蜂窝设备，bs为基站。
[0070]
步骤4_3：从蜂窝设备选择区域内的所有蜂窝设备中，找出到基站的接收信号功率最大的蜂窝设备，将该蜂窝设备作为源设备与目的设备之间进行多跳d2d通信的第m跳复用的频谱所对应的蜂窝设备。
[0071]
根据上述过程选取的蜂窝设备可以改善d2d链路的吞吐量性能，同时又能保证蜂窝设备的服务质量(qos)。
[0072]
步骤5：基站将源设备与基站之间的信道增益、每个中继簇圆形区域内的每个候选中继与基站之间的信道增益，连同源设备的位置、目的设备的位置、每个中继簇圆形区域内的每个候选中继的位置，以及p、f发送给目的设备。
[0073]
步骤6：目的设备将从基站处接收到的所有数据发送给第m-1个中继簇圆形区域内的每个候选中继，目的设备并将自身的信号接收频率设为fm，fm的值等于源设备与目的设备之间进行多跳d2d通信的第m跳复用的频谱所对应的蜂窝设备的信道频率。
[0074]
步骤7：计算第m-1个中继簇圆形区域内的每个候选中继在考虑干扰的情况下的最大发射功率；然后将第m-1个中继簇圆形区域内的所有候选中继在考虑干扰的情况下的最大发射功率按候选中继的序号先后顺序构成一个集合，并记为p'
m-1
；再比较p
m-1
与p'
m-1
中同一个候选中继在考虑社交关系的情况下的发射功率与在考虑干扰的情况下的最大发射功率的大小，将比较得到的最小值作为对应候选中继的发射功率；之后将第m-1个中继簇圆形
区域内的所有候选中继的发射功率按候选中继的序号先后顺序构成一个集合，记为p
*m-1
；其中，p
m-1
表示第m-1个中继簇圆形区域内的所有候选中继在考虑社交关系的情况下的发射功率按候选中继的序号先后顺序构成的集合。
[0075]
在本实施例中，步骤7中，将第m-1个中继簇圆形区域内的第n
m-1
个候选中继在考虑干扰的情况下的最大发射功率记为其中，1≤n
m-1
≤n
m-1
，n
m-1
表示第m-1个中继簇圆形区域内的候选中继的个数，n
m-1
≥2，表示源设备与目的设备之间进行多跳d2d通信的第m跳复用的频谱所对应的蜂窝设备cm的发射功率，表示cm与基站之间的距离，表示cm与基站之间的信道增益，表示第m-1个中继簇圆形区域内的第n
m-1
个候选中继与基站之间的距离，表示第m-1个中继簇圆形区域内的第n
m-1
个候选中继与基站之间信道增益，n0表示背景高斯白噪声的功率，α表示路径损耗指数，thm表示基站能够正确解码cm发送的信号所需要的最小信干噪比。
[0076]
步骤8：设定第m-1个中继簇圆形区域内的每个候选中继在从目的设备处接收到所有数据的同时能够获得其自身与目的设备之间的信道增益；然后根据p
*m-1
以及第m-1个中继簇圆形区域内的每个候选中继与目的设备之间的信道增益，计算第m-1个中继簇圆形区域内的每个候选中继向目的设备发送信号时目的设备的接收信号功率。
[0077]
在本实施例中，步骤8中，将第m-1个中继簇圆形区域内的第n
m-1
个候选中继向目的设备发送信号时目的设备的接收信号功率记为设备发送信号时目的设备的接收信号功率记为其中，1≤n
m-1
≤n
m-1
，n
m-1
表示第m-1个中继簇圆形区域内的候选中继的个数，n
m-1
≥2，表示第m-1个中继簇圆形区域内的第n
m-1
个候选中继的发射功率，表示第m-1个中继簇圆形区域内的第n
m-1
个候选中继与目的设备之间的信道增益，表示第m-1个中继簇圆形区域内的第n
m-1
个候选中继与目的设备之间的距离，α表示路径损耗指数。
[0078]
步骤9：第m-1个中继簇圆形区域内的每个候选中继开启一个终止时间与其到目的设备的接收信号功率成反比的计时器；然后将最先结束的计时器对应的候选中继确定为第m-1个中继簇圆形区域内的最佳中继即第m跳的最佳中继，并记为r
m-1
，r
m-1
向第m-1个中继簇圆形区域内的其余候选中继广播一条自己已被选作最佳中继的消息，第m-1个中继簇圆形区域内的其余候选中继在收到广播消息后关闭计时器；接收信号功率越大，该跳的吞吐量越大，计时器的终止时间越小。
[0079]
步骤10：r
m-1
将从目的设备处接收到的所有数据发送给第m-2个中继簇圆形区域内的每个候选中继，并将自身的信号发送频率设为fm，将自身的信号接收频率设为f
m-1
，f
m-1
的值等于源设备与目的设备之间进行多跳d2d通信的第m-1跳复用的频谱所对应的蜂窝设备的信道频率。
[0080]
步骤11：按照步骤7至步骤10的过程，以相同的方式确定第m-1跳的最佳中继，并记为r
m-2
，r
m-2
将从r
m-1
处接收到的所有数据发送给第m-3个中继簇圆形区域内的每个候选中继，并确定r
m-2
的信号发送频率为f
m-1
，r
m-2
的信号接收频率为f
m-2
，f
m-2
的值等于源设备与目
的设备之间进行多跳d2d通信的第m-2跳复用的频谱所对应的蜂窝设备的信道频率。
[0081]
步骤12：按照步骤11的过程，依次类推，直至确定第2跳的最佳中继，并记为r1，r1将从r2处接收到的所有数据发送给源设备，并确定r1的信号发送频率为f2，r1的信号接收频率为f1，f1的值等于源设备与目的设备之间进行多跳d2d通信的第1跳复用的频谱所对应的蜂窝设备的信道频率。
[0082]
步骤13：按照步骤7中计算第m-1个中继簇圆形区域内的每个候选中继在考虑干扰的情况下的最大发射功率的过程，以相同的方式计算源设备在考虑干扰的情况下的最大发射功率，避免对多跳d2d通信的第1跳复用的频谱所对应的蜂窝设备c1造成太大的干扰，并将源设备的信号发送频率设为f1；然后源设备开始与目的设备进行多跳d2d通信。
[0083]
在本实施例中，步骤13中，将源设备在考虑干扰的情况下的最大发射功率记为p's，其中，p
c1
表示源设备与目的设备之间进行多跳d2d通信的第1跳复用的频谱所对应的蜂窝设备c1的发射功率，表示c1与基站之间的距离，表示c1与基站之间的信道增益，表示源设备与基站之间的距离，表示源设备与基站之间信道增益，th1表示基站能够正确解码c1发送的信号所需要的最小信干噪比。
[0084]
多跳d2d通信在每一跳中既要从多个蜂窝设备中选出被复用频谱的蜂窝设备，又要从每个中继簇圆形区域中的多个候选中继中选出最佳中继，涉及到的设备数量过多，如果完全由基站以集中式完成中继选择过程，必然会给基站带来过量负载和大量信令开销。因此本发明提出了能够以半集中式的方式执行的最佳中继选择方法，基站只需完成多跳d2d通信开始时的信道参数、节点位置等信息的收集及少量的数据处理，最佳中继选择则由参与多跳d2d通信的设备自行完成。
[0085]
根据本发明方法确定多跳d2d通信链路后，每一跳的信干噪比也即确定，故可用香农公式计算出每一跳的吞吐量。假设蜂窝设备的频谱带宽用b表示，则第1跳的吞吐量为ω1，中间第m跳的吞吐量为ωm，此处m＝2,3,
…
,m-1；最后一跳的吞吐量为ωm，其中，ps表示源设备的发射功率，表示源设备与第2跳的最佳中继r1之间的距离，表示源设备与第2跳的最佳中继r1之间的信道增益，表示第1跳复用的频谱所对应的蜂窝设备c1的发射功率，表示c1与r1之间的距离，表示c1与r1之间的信道增益，表示第m跳的最佳中继r
m-1
的发射功率，表示r
m-1
与第m 1跳
cognitive communications and networking,2017,4(1):15-29.(使用最大链路选择协议的基于簇的多跳底层认知无线网络性能分析[j].《ieee认知通信与网络汇刊》))、htprs方法(boddapati h k,bhatnagar m r,prakriya s.ad-hoc relay selection protocols for multi-hop underlay cognitive radio networks[c]//2016ieee globecom workshops(gc wkshps).december 4-8,2016,washington,dc,usa.piscataway:ieee press,2016:1-6.(多跳底层认知无线网络的自组织中继选择协议[c]//2016年ieee全球通信研讨会(gc wkshps)))，由于认知无线网络中的一些多跳中继选择算法所考虑的系统模型与本发明方法的系统模型类似，因此mls方法和htprs方法均选自认知无线网络相关文献。
[0093]
图5所示是随着源设备(s)与目的设备(d)之间距离变化的情况下sa方法、sua方法、mls方法、htprs方法的吞吐量性能比较。从图5中可以看出，所有方法的吞吐量均随着距离的增加而减少，这是因为随着距离的增加，所增加的跳只会导致各跳吞吐量的最小值不变或减少，所以整条链路的吞吐量会相应减少。在距离相等的情况下sua方法的吞吐量高于mls方法和htprs方法，这是因为sua方法选择中继的指标与每一跳的信干噪比直接相关，能够选出性能更好的中继。而在距离相等的情况下sa方法的吞吐量不如sua方法，这是因为sa方法对所有空闲设备的发射功率施加了额外的社交关系约束，所以sa方法选出的中继的发射功率必定小于sua方法选出的中继。
[0094]
图6所示是随着每个中继簇圆形区域内的候选中继数量变化的情况下sa方法、sua方法、mls方法、htprs方法的吞吐量性能比较。从图6中可以看出，sua、sa和mls三种方法的吞吐量均随着候选中继数量的增加而增加，这是因为随着候选中继数量的增加这三种方法能有更大的概率选出性能更好的候选中继作为最佳中继，而htprs方法选择中继时随机性更大，无法利用更多的空闲设备这一优势。在候选中继数量相同的情况下sua方法的吞吐量大于mls方法和htprs方法的吞吐量，而sa方法的吞吐量不如sua方法的吞吐量。
[0095]
图7所示是随着源设备(s)与目的设备(d)之间距离变化的情况下sa方法、sua方法、mls方法、htprs方法的能量效率性能比较，能量效率定义为链路吞吐量与所有参与多跳d2d通信的设备的实际发射功率之和的比。从图7中可以看出，所有方法的能量效率均随着距离的增加而减少，这是因为随着距离的增加参与d2d通信的中继数量也在增加，这导致发射功率之和随之增加，而所有方法的吞吐量随着距离的增加而减小，因此能量效率减小。在距离相等的情况下sua方法的能量效率优于mls方法和htprs方法，而sa方法的能量效率远远超过其他三种方法。这是由于sa方法通过对所有候选中继施加额外的社交关系约束，减少了每一跳被选出的的中继的发射功率，因此发射功率之和大幅减少，虽然sa方法比sua方法的吞吐量要低，它的能量效率却远远超过了另外三种方法。
[0096]
图8所示是随着每个中继簇圆形区域内的候选中继数量变化的情况下sa方法、sua方法、mls方法、htprs方法的能量效率性能比较。从图8中可以看出，sua、sa和mls三种方法的能量效率均随候选中继数量的增加而增加，htprs方法的能量效率均随候选中继数量的增加基本保持不变。在候选中继数量相同的情况下sua方法的能量效率优于mls方法和htprs方法，而sa方法的能量效率远远超过其他三种方法。
[0097]
表2总结了sa和sua两种方法在源设备(s)和目的设备(d)之间不同距离下的性能比较。
[0098]
表2 sa和sua方法性能比较
[0099][0100]
从表2中可以看出，sa和sua两种方法在吞吐量和能量效率两方面的性能差异很大，且在能量效率方面sa方法相比于sua方法有很大优势，因此在d2d中继选择算法的研究中不能忽略社交域信息的作用。