一种对于减少LTE终端中继网络时延的方法与流程
本发明属于网络技术领域，尤其涉及一种对于减少LTE终端中继网络时延的方法。
背景技术：
现阶段，为了提高LTE(Long Term Evolution，长期演进)网络系统的容量，一种针对终端的中继技术被提出，这项技术中有一种电子货币被用来买和卖中继服务。在这种合作中继系统中，不仅每一个接受中继服务者会得到好处，而且整个网络系统会得到一定网络容量的提升。
现有的研究此技术的系统模型仅仅针对系统的效率和容量。但是对于系统用户端的平均传输时延研究不足，现在LTE网络中，越来越多的多媒体数据被用户使用，这些数据往往对于时延比较敏感。
[1]N.Mastronarde,V.Patel,J.Xu,and M.van der Schaar,“To relay or not to relay:learning relaying strategies in cellular device-to-device networks”.
[2]N.Salodkar,A.Bhorkar,A.Karandikar,V.S.Borkar,“An on-line learning algorithm for energy efficient delay constrained scheduling over a fading channel,”IEEE Journal on Selected Areas in Communications,vol.26,no.4,pp.732-742,Apr.2008.
[3]J.Xu and M.van der Schaar,“Token system design for autonomic wireless relay networks,”
IEEE Trans on Communications,vol.61,no.7,pp.2924-2935,July 2013..
技术实现要素：
LTE网络中，除了容量，用户对于传输时延的要求也越来越高，本发明提出一种系统模型来观察系统在各种状态下的时延表现，从而为系统设计合适参数减少时延，提升用户端时延感知。
包括如下步骤：
步骤1，寻找需要中继服务的用户；用户的位置是有可能随着时间的变化不断改变的，但是在时间节点t，某个用户的位置是固定的。当此用户收到的数据速率小于目标数据速率时，该用户就会向周围其它用户提出中继服务请求。
步骤2，决定中继服务提供者；
步骤3，求解用户作为中继服务需求者的状态变化概率和用户作为中继服务提供者的状态变化概率；
步骤4，为每个用户设计一个缓冲带，得到所有用户的平均时延。
本发明步骤1包括：假设在时间节点t，用户i要从基站即用户0收取数据，i∈{1,2,…,N}，N为用户的总数，N取值为自然数，在目标信噪比(SINR，Signal to Interference plus Noise Ratio)为τi,target的情况下，用户i有一个目标接受速率γi,target是可以达到的，需要注意的是目标接受速率是会随时间变化的，通过如下公式计算在时间节点t时用户i的外部中继需求指数
其中，γi,target表示目标接受速率，表示用户i从基站接受数据的接受速率，外部中继需求指数即表示在时间节点t，用户i从基站接受数据的接受速率小于目标接受速率的概率，同时也表示用户i和基站之间的信噪比小于目标信噪比的概率，当此用户i从基站接受数据的接受速率小于目标数据速率时，该用户i向周围其它用户提出中继服务请求。
本发明步骤2包括：
设定最优能量消耗门槛阈值和最优电子货币数量门槛阈值Kth(Pi)，当中继服务提供者的能量小于最优能量消耗门槛阈值，并且中继服务提供者的电子货币数量小于最优电子货币数量门槛阈值时，中继服务才会发生，公式如下：
其中，ki为用户i的电子货币数目，pi为用户i的能量状态，σi＝1∈σi(ki,pi)时表示用户i能够提供中继服务，σi＝0∈σi(ki,pi)时表示用户i不能提供中继服务。
本发明步骤2中，最优能量门槛阈值根据不同终端用户由用户自己设定；最优的电子货币数量门槛阈值由三个因素决定：外部中继需求指数、打折系数β和能量消耗C，打折系数β由网络运营商设置，设置完成以后每个用户的β数值都相同，根据不同的外部中继需求ORDR得到对应的最优电子货币数量门槛阈值。
本发明步骤2中，如果用户采用σi(ki,pi)＝1后，设置Vi(ki,pi)为最优的收益期望值(当用户作为中继服务提供者时,采取最优合作策略后会伴随着ci的能量消耗，期望值减去ci后得到净收益，这个值可以用来衡量系统表现)：
其中，为用户i在时间节点t获得的收益，为的期望值，打折系数βε[0,1),βt为t时刻的打折系数，表示经过t个时间节点后，用户i获得收益的期望值。
本发明步骤3包括：
用户状态开始为Si＝(ki,pi)，σi＝1时表示该用户能够提供中继服务，σi＝0时表示该用户不能提供中继服务，用户如果作为中继服务需求者，当其得到中继服务时，用户状态会发生变化(ki,pi)→(ki-1,pi)，ci为用户i为其他用户提供中继服务时所消耗的能量，对应的概率为λiei，计算公式如下：
λiei＝Pi([ki-1,pi]|[ki,pi],σi)；
其中，ci为用户i为其他用户提供中继服务时所消耗的能量；
用户如果作为中继服务提供者，当其为其他用户提供中继服务时，用户状态会发生变化(ki,pi)→(ki+1,pi-ci)，对应的概率为yiσi，计算公式如下：
yiσi＝Pi([ki+1,pi-ci]|[ki,pi],σi)。
本发明步骤4包括：平均时延D由平均队列长度Q和平均到达速率a计算得到：
D＝Q/a；
在时间点t，设定Qt为队列长度，通过如下公式计算动态的队列长度：
Qt+1＝max[Qt-Ut,0]+Wt+1，
通过Qt+1得到平均队列长度Q，其中，Wt为到达缓冲带的数目到达缓冲带的数据组，Ut为完成传输过程的数据组，
现阶段，LTE网络结构由核心网(EPC)以及接入网(E-UTRAN)两层结构组成，接入网包括接入部分(eNodeB)和终端(UE)。终端可以是移动手机，平板电脑等等，它们不仅可以作为数据接受者，也可以用来作为中继节点来传递数据。本发明提出一种系统模型来观察系统在各种状态下的时延表现，从而为系统设计合适的使用状态以达到减少时延的目的。
因此，本发明提出一种方法来研究系统在各种状态下的时延表现，通过分析来设计系统参数达到时延最优的效果。
有益效果：在LTE网络中，越来越多的多媒体数据在系统中传递，传统系统往往更重视系统的容量，而对系统的时延分析不足。采用本发明设计的方法可以直观的观察到系统在各种状态下的时延表现，从而设计合适的系统状态以达到最优的系统平均时延。
本发明设计的方法中，泊松强度，电子货币总量，用户运动状态这些变量在不同的实际场景下是可能变化的。采用本发明系统模型可以为不同场景设计合适变量以达到系统平均时延最小的效果。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本发明系统流程图。
图2为最优的电子货币数量门槛阈值与外部中继需求、打折系数β的关系示意图。
图3为不同电子货币数量对延迟的影响情况示意图。
图4为电子货币数量为9000，泊松强度为20时的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
在LTE网络中，终端用户的合作中继可以提高整个系统的表现，但是当终端在LTE网络中正常使用时，在没有合理的激励策略时，它们在意的是自己占用的数据资源，往往不会自行帮助其它用户传递数据。在这种情况下，一种电子货币被提出用来买和卖中继服务。当用户需要中继服务时，它会付出一个电子货币来买中继服务，而接受到服务请求的用户会根据一些客观情况决定要不要为你提供中继服务，如果提供此服务，中继服务提供者的电子货币总量会增加1个，如果不需要，则没有中继服务的发生。接下来一一介绍影响此中继服务发生的一些因素。
第一：在中继服务发生时，当用户作为中继服务提供者时，他需要消耗一定的能量。本发明会为系统中用户设定一个能量阈值，只有当用户的能量状态小于此阈值时，才能够为其他用户提供中继服务。用户通常会长时间待在网络中，因此需要提出一种自动策略来决定要不要接受这些不断发生的中继服务请求。
第二：用户的运动情况是另外一个影响因素。举个例子，当所有的用户都是静止时，或者它们运动的非常缓慢，这时候那个离基站最远的用户需要中继服务的概率要远远大于离基站比较近的用户。
第三：另外一个需要考虑的影响因素为电子货币的总数量，这个数量的多少也会影响系统的延迟表现。如果电子货币数量很少，当用户需要中继服务时，他很有可能没有中继来提出中继服务的请求；如果电子货币数量很多，此时用户很有可能不能为其他用户提供中继服务。
本发明方法的模型：假设在LTE网络中有数量为N个的用户，时间被划分为一个个离散的时间点，在每一个时间点t，有些用户需要和基站进行联系，有些不需要。本发明考虑在每一个时间点，需要和基站进行数据传输的用户数目服从泊松过程，强度为θ。意思是在每一个时间点，平均有θ个用户随机分配在系统中需要向基站提出通信服务。但是因为一些客观的环境因素，有些用户可以和基站直接通信，但是另外一些需要中继服务。首先需要为系统N个用户提供一定数目的电子货币，这些电子货币被用来买和卖中继服务。当用户需要中继服务时，他会拿出一个电子货币向其它用户提出中继服务请求，其它用户会根据自己电量状态和电子货币数量来决定需不需要提供此中继服务，如果同意，会发送一个ACK(Acknowledgement，同意)给中继服务请求者，中继服务提供者会增加一个电子货币，同时伴随着一定能量的消耗；如果不同意，则会发送一个NACK(Nacknowledgement，不同意)给中继服务请求者，此时则没有电子货币的交换和能量的损耗。同时每个用户有一个缓冲带，在每个时间点，每个用户需要传输的数据量决定了缓冲带的长度，从而决定每个缓冲延迟，用缓冲延迟来反映系统的表现情况。接下来一一介绍此方法中的重要参数。
一、外部中继需求指数(Outbound relay demand rate简称为ORDR)：假设在时间节点t，用户i∈{1,2,…,N}想要从基站(用户0)收取数据，假设在目标信噪比(SINR，Signal to Interference plus Noise Ratio)为τi,target的情况下，用户i有一个目标接受速率τi,target是可以达到的。需要注意的是目标接受速率是会随时间变化的，这时得到在时间节点t，外部中继需求指数(ORDR)：
此公式的意思是外部中继需求指数就是在时间节点t，用户i从基站接受数据的接受速率小于目标接受速率的概率，同时也是用户i和基站之间的信噪比小于目标信噪比的概率。
二、内部中继需求指数(Outbound relay demand rate简称为IRDR)：假设在时间节点t，用户i被要求提供中继服务的概率yi。
三、中继取得效率(Relay received rate简称为RRE)：
ei＝Pr(ACK收到ki>0，pi>0) (2)
这个公式是当用户需要中继服务的情况下得到中继服务的概率。ki为用户的电子货币数目，pi为用户的能量状态。
四、能量预算：设置为用户的最高能量门槛阈值。每一次用户做出提供中继服务的决定时，当用户所处的能量状态小于此数值时，用户才会决定提供中继服务，每提供一次中继服务，它都会消耗一定的能量值当用户电子能量为0时，该用户既不能提出中继请求也不能提供中继服务。
五、合作策略：当用户收到中继请求时，它必须要决定是否提供此中继服务。设定σi(ki,pi)为用户合作策略
当σi＝1∈σi(ki,pi)时代表用户能够提供中继服务，当其数值为σi＝0∈σi(ki,pi)时代表用户不能提供中继服务。此合作策略的客观条件是他有K个电子货币，电量状态为P，当用户的电量慢慢被消耗时，用户会想着保存自己的能量然后使用一个低一些的门槛策略。
用户i最优合作策略服从马尔可夫过程，设置为在时间节点t获得的收益，为的期望值，设置打折系数βε[0,1),然后得到经过t个时间节点后，用户i获得收益的期望值为
设定所有用户的打折系数都相同，这个系数是用来衡量用户在网络中的耐心程度，如果β→1，说明用户非常耐心，如果β→0，则说明用户只考虑当前的收益，因此不会作为中继服务提供者。在下文的系统模拟仿真图中，会显示不同的打折系数是怎么影响用户合作策略。
在每一个时间节点，如果用户采用最优策略σi(ki,pi)＝1后，设置Vi(ki,pi)为最优的收益期望值：
六、状态转变：设定用户的状态为si＝(ki,pi)∈S,ki∈K＝{1,2,…,k}是用户的电子货币数量，是用户的能量状态。当用户为其它用户提供中继服务时，它会得到一个电子货币，损失数量ci的能量(ki,pi)→(ki+1,pi-ci)；当用户向其它用户请求中继服务时，它会付出一个电子货币，电子能量保持不变(ki,pi)→(ki-1,pi)。设定Pi([kj,pj]|[ki,pi],σi)为状态转换的联合概率，这个概率为用户从一个状态si＝(ki,pi)转变成另外一个状态sj＝(kj,pj)的概率(这两个概率为系统内部用户状态变化的依据,系统内部用户状态是会实时变化的，下文中6个概率公式也都为用户状态变化的依据)。这个联合概率的公式为：
Pi([0,pi]|[0,pi],σi)＝1-yiσi (5)
Pi([1,pi-ci]|[0,pi],σi)＝yiσi (6)
Pi([ki-1,pi]|[ki,pi],σi)＝λiei (7)
Pi([ki,pi]|[ki,pi],σi)＝1-λiei-yiσi (8)
Pi([ki+1,pi-ci]|[ki,pi],σi)＝yiσi (9)
Pi([kj,0]|[ki,0],σi)＝1 (10)
七、缓冲带：时间被划分为一个个相同长度的时间点，需要传输的数据到达缓冲带后会按队形排列一直等到该数据被传输。每个用户都有一个相同的缓冲带。在时间点t，设定Wt＝{1,2,…,W}为到达缓冲带的数据组，这个数据传输过程服从泊松分布。本发明认为传输的每一个数据组的大小为L bits。在时间点t，设定Qt为队列长度，然后设定Ut为完成传输过程的数据组，然后得到动态的队列长度为：
Qt+1＝max[Qt-Ut,0]+Wt+1，(11)
本发明工作流程：
上面详细讲了本发明方法中一些重要参数，现在需要简单介绍一下本发明需要怎么做：首先，需要遍历需要中继服务的所有用户，然后根据他们的所在位置，需要能够找出中继服务提供者的候选名单，当候选服务提供者收到中继服务的请求时，他们会根据自己的电子货币数量以及电量状态来决定是否提供此服务。无论候选中继服务提供者是否决定答应此请求，在时间节点t，这些信息加上到达缓冲带的需要传递的数据组可以决定缓冲带的队列长度，然后就能知道对应的传输延迟。
步骤1，寻找需要中继服务的用户：用户的位置是有可能随着时间的变化不断改变的，但是在时间节点t，某个用户的位置是固定的。当此用户收到的数据速率小于目标数据速率时，见公式(1)，该用户就会向周围其它用户提出中继服务请求。
步骤2，决定中继服务提供者：中继服务提供者候选者就是可以提供中继服务的名单，但是他们会根据自己的合作策略决定要不要提供中继服务。第一设定一个最优能量消耗门槛阈值，只有当中继服务提供者的能量小于此门槛阈值时，中继服务提供者才会提供此服务；第二设定一个最优电子货币数量门槛阈值，只有当自己电子货币数量小于此数值时，中继服务提供者才会考虑提供此服务从而获得一个电子货币。只有当上述两个条件同时满足时，中继服务才会发生，见公式(3)。
步骤3，进一步的，最优能量门槛阈值根据不同终端用户由用户自己设定；最优的电子货币数量门槛阈值由三个因素决定：外部中继需求ORDR；打折系数β；能量消耗C。见图2，图中，Discount Factor(β)：打折系数β；ORDR(λ)：外部中继需求指数λ；Optimal threshold：最优电子货币数量门槛阈值；Policy(cost＝0.5)：合作策略(能量消耗＝0.5)；设定能量消耗C为0.5，可以看出最优的电子货币数量门槛阈值会随着外部中继需求ORDR和打折系数β的增长而增大。同时，打折系数β由网络运营商设置数值，设置完成以后每个用户的β数值都相同，这时就可以根据不同的外部中继需求ORDR得到对应的最优电子货币数量门槛阈值。
步骤4，进一步的，用户状态开始为Si＝(ki,pi)，σi＝1时代表能够提供中继服务，σi＝0时代表不能提供中继服务。用户如果作为中继服务需求者，当其得到中继服务时，用户状态会发生变化(ki,pi)→(ki-1,pi)，对应的概率为λiei，外部中继需求指数和中继取得效率的乘积，见公式(7)；用户如果作为中继服务提供者，当其为其他用户提供中继服务时，用户状态会发生变化(ki，pi)→(ki+1,pi-ci)，对应的概率为yiσi，内部中继需求指数和σi的乘积，见公式(9)。
步骤5，进一步的，为每个用户设计一个缓冲带，对应的缓冲延迟：根据科特尔法则(Little’s Law)，平均时延D是由平均队列长度Q和平均到达速率a决定D＝Q/a。在此公式中，平均到达时间a可以由把到达过程当做泊松过程得到，队列长度也可以由上述公式(11)得到，在(11)中，只有Ut这个参数可以从中继系统中得到，假设无线信道是正交的，这样就可以计算得到在时间节点t传输的数据量。在时间节点t，设定数据包的大小为L bits，这样就可以得到传输数据包数量Ut这样就可以得到平均队列长度和平均达到速率，而通过这两个数值便可以得到平均时延。
本发明方法工作流程图1所示；
通过模拟系统模型，在MATLAB中得到下列图形：分别为最优的电子货币数量门槛阈值根据不同因素变化的图形，电子货币数量对延迟影响的图形，以及用户移动状态对延迟影响的图形。
需要注意：模拟面积大小为1km×1km，100个用户，泊松强度为在时间节点t,到达每个用户的数据包数量，每个时间节点之间的间隔为一分钟，600米/时间点为10米/秒。
最优的电子货币门槛阈值由三个因素决定：ORDR，打折系数，能量消耗。如图2所示，设定能量消耗为0.5，这样就可以看到电子货币门槛阈值和打折系数以及ORDR之间的联系。从图形中可以观察到最优门槛阈值K随着打折系数以及ORDR的增长而增长。意味着如果有越来越多的用户寻求中继服务，用户越来越能够耐心等待中继服务，电子货币门槛阈值会随之增加。
本发明比较了不同电子货币数量对延迟的影响情况。如图3所示，图中，Token supply：电子货币数量；Average delay：平均时延；Relay mode：中继模式；泊松强度为20，平均速度为700米/时间点(11.7米/秒)，
有中继服务LTE系统(Relay Mode)，可以看出在有中继服务LTE系统中，当电子货币总数为11000时，系统平均延迟相对最小。
本发明比较了用户的移动状态对系统的影响情况。无中继服务LTE系统(Direct Transmission Mode)。如图4所示，图中，Speed(meters/time slot)：速度(米/时间点)；Average delay：平均时延；Relay mode：中继模式；中继模式电子货币数量为9000，泊松强度为20。可以看出如果用户的运动速率相对较快，具有中继服务的系统的平均延迟会相对较小。当用户距离基站较近的情况下，它跟基站进行直接连接传输数据而不需要中继服务的可能性较大，如果用户距离基站较远的情况下，它需要中继服务的可能性较大。当用户的移动速度较快时，它会频繁的变化位置，它会轮流变成中继服务需求者和中继服务提供者的角色，所以整个系统表现会更好。当用户的移动速率为900米/时间点(15米/秒)时，平均延迟相对最小。
实施例
采用MATLAB语言编写程序实现本发明的方法，并在程序中对LTE终端无线中继信道模型进行建模，进而分析LTE终端网络系统在各状态下的时延表现。当系统处于泊松强度为20，用户移动状态为700米/时间点(11.7米/秒)的状态下，为系统设计数目11000的电子货币，可以观察到系统平均传输时延最小。用户不同使用场景例如短信、图片收发，在线观看视频等的传输时延都不同，使用本发明介绍的方法便可以为不同使用场景设计合适参数减少时延。
本发明提供了一种对于减少LTE终端中继网络时延的方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
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