一种基于带外D2D多跳中继的蜂窝下行吞吐量优化方法与流程

本发明属于计算机网络应用和带外(outband)d2d(device-to-device)通信领域，涉及一种在能量约束与延时约束下通过多跳中继协助进行蜂窝下行吞吐量优化的方法。

背景技术：

d2d技术是第五代移动通信网络的关键技术，具有提升频谱利用率、增加系统吞吐量、降低能量消耗、减小基站(basestation，bs)负载等优点。在一个蜂窝中，若一个用户设备(userequipment，ue)处于蜂窝边缘或受障碍物遮挡，则它从基站接收数据的质量将受到影响。通过选择其它位置更好的ue充当中继，由该中继从基站接收数据再转发给自己，用户设备可以减轻这种不利影响，从而改善数据接收质量、提高吞吐量。

用户设备之间的通信可采用带内(inband)d2d通信模式，也可使用带外d2d通信模式。前者允许使用蜂窝网络运营商的授权频谱，后者则使用其它支持直接通信的无线技术(如wifi、bluetooth技术)所使用的非授权频谱。

在带内d2d通信模式中，蜂窝用户和d2d用户可以共享授权频谱，因此，蜂窝用户与d2d用户之间可能存在同频干扰。虽然可以通过复杂度高的资源分配方法减小同频干扰，但同时也会产生额外的计算开销。在带外d2d通信模式中，既然d2d用户使用非授权频谱，与蜂窝用户之间不存在同频干扰。然而，由于非授权频谱的不可控性^[1]，随着d2d用户数量的增多，d2d用户之间在非授权频谱上的同频干扰也会随之增大。同时，蜂窝设备必须配备额外的无线接口(如wifi接口)才能使用非授权频谱。

随着电子设备制造技术的发展，更多的功能将会被集成到蜂窝设备中，而且遵循无线接口标准(如ieee802.21)也会使得设备在不同类型接口(如wifi、lte和wimax)之间的切换变得更加顺畅。因此，越来越多的研究人员开始研究带外d2d通信模式。

关于利用带外d2d通信模式研究吞吐量优化问题，文献[2]提出了一个在延时约束下的机会信道框架模型，并实现了通过一跳中继提升蜂窝下行吞吐量的贪婪算法(即d2dopportunisticrelaywithqosenforcement，dore)，但是仍有以下问题有待解决：第一，在选取作为中继的用户设备时，没有考虑到中继的剩余能量，所以网络寿命可能无法得到保证；第二，dore通过全局搜索来获得满足选择标准的中继ue，导致通信开销与计算开销过大；第三，对于处于蜂窝边缘的ue来说，即使通过一跳中继的协助，接收端还是可能存在较高的比特误码率(biterrorrate,ber)，从而难以获得理想的吞吐量。因此，急需提出一种解决上述问题的新方法。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于带外d2d多跳中继协助的蜂窝下行吞吐量优化方法，能够有效改善数据接收质量、提高吞吐量、延长网络传输路径的寿命、减小计算和通信代价。

本发明所提供的技术方案为：

一种基于带外d2d多跳中继的蜂窝下行吞吐量优化方法，基站通过预选第一中继、预选第二中继和验证预选中继链路吞吐量三个阶段确定每个获得蜂窝信道的用户设备，即ue从基站接收数据的方式；ue从基站接收数据的方式包括直接从基站接收数据、通过选择一个中继中转接收数据和通过选择两个中继进行接力中转接收数据；

所述预选第一中继阶段，通过综合考虑吞吐量提升与中继的剩余能量水平来选择第一中继；

所述预选第二中继阶段，通过设置能量约束阈值来确保第二中继的剩余能量水平不低于第一中继的相应值来选择第二中继；

所述验证预选中继链路吞吐量阶段，通过比较从基站到接收端的直接通信链路吞吐量与从基站经中继节点转发数据至接收端的吞吐量大小，决定放弃或保留预选的中继。

所述三个阶段的具体步骤如下：

阶段1：预选第一中继

步骤1.0：针对获得蜂窝信道的每一个节点uei，将其选择的第一潜在中继，即对吞吐量的提升最大的ue设为ueo；将其选择的第二潜在中继，即对吞吐量的提升仅次于第一潜在中继的ue记为ues；将标记变量o和s初始化为0；

步骤1.1：针对获得蜂窝信道的每一个节点uei，计算其直接从基站接收数据的吞吐量阈值从基站到uei的直接通信链路吞吐量若比小，则进行步骤1.2；否则运行结束，uei直接从基站接收数据；

步骤1.2：针对uei邻居集合vi内的每一个节点uej，计算中继选择度量值△tji，进入步骤1.3；△tji表示从基站到uei所选中继之间的链路吞吐量相比于从基站到uei的直接通信链路吞吐量的提升幅度；

步骤1.3：针对获得蜂窝信道的每一个节点uei，分别找出其数值最大的△tji，若△tji大于0，则进入步骤1.4；否则运行结束，uei直接从基站接收数据；

步骤1.4：计算并比较从基站经过中继uej到达接收端uei的传输延时t^ji和延时约束阈值tth，若t^ji小于或者等于tth，则进入步骤1.5，否则△tji赋值为0，重新回到步骤1.3；

步骤1.5：若第一潜在中继的标记变量o等于0，则将j赋给o，△tji赋值为0，重新回到步骤1.3；否则将j赋给第二潜在中继的标记变量s，进入步骤1.6；

步骤1.6：根据中继的剩余能量值度量第一潜在中继o对第二潜在中继s的优势程度，若度量值比预设的rie阈值小，则将αsi赋值为1,表示uei选择第二潜在中继ues作为第一中继为它中继数据；将csi赋值为1到9之间的随机数(包括1和9在内)，表示接收节点uei与第一中继ues之间数据通信所分配的wifi信道的子信道号为csi，同时可以将变量α0s赋值为1以记录ues被选择为中继(α0s的初始值设置为0)，并且将节点对(s,i)作为一个元素加入集合d，进入阶段2，；否则将αoi赋值为1,coi赋值为1到9之间的随机数，同时可以将变量α0o赋值为1以记录ueo被选择为中继，并且将节点对(o,i)作为一个元素加入集合d；其中集合d初始化为空，随后添加的每个元素为一个节点对(二元组)，记录第一中继与其选择者之间的对应关系；进入阶段2；

阶段2：预选第二中继

步骤2.1：针对集合d内所有节点对中的中继节点uej，计算其直接从基站接收数据得到的吞吐量阈值若从基站到uej的直接通信链路吞吐量小于则进入步骤2.2；否则运行结束，接收节点uei通过第一中继uej从基站接收数据，不再进行第二中继的选择；

步骤2.2：针对uej邻居集合vj内的所有节点uek，计算中继选择度量值△tkj，进入步骤2.3；

步骤2.3：针对集合d内所有节点对中的中继节点uej，分别查找出最大数值的△tkj，若△tkj大于0，则进入步骤2.4；否则运行结束，接收节点uei通过第一中继uej从基站接收数据，不再进行第二中继的选择；

步骤2.4：计算从基站依次经过中继uek和uej到达接收端uei的传输延时t^kji，若t^kji小于或者等于延时约束阈值tth并且节点k的剩余能量值e^k大于或者等于能量约束阈值eth，则将αkji赋值为1，表示uei选择中继uek和uej帮它依次转发数据，并且将ckj赋值为cji的值加上5，进入阶段3，其中能量约束阈值eth不低于第一中继的剩余能量值；否则将△tkj赋值为0，并且重新回到步骤2.3。

阶段3：验证预选中继链路吞吐量

步骤3.1：针对获得蜂窝信道每一个节点uei，判断αkji的值是否为1，若是，则进入步骤3.2，否则若αji的值为1，则进入步骤3.4；

步骤3.2：将uei在从uej到自身的wifi信道上感知到的干扰功率fi,wifi、uej在从uek到自身的wifi信道上感知到的干扰功率fj,wifi均赋初始值为0；

针对uei干扰集合ii内除uej以外的每一个节点uem，uem邻居集合vm内的每一个节点ued，若cmd等于cji，说明在uei通过中继uej接收数据时，存在与其使用的信道同频的wifi信道，则计算同频的wifi信道对uei造成的干扰，ii范围内的干扰值之和存储在fi,wifi中；否则若cmd不等于cji，则说明uem与ued之间的数据传输不会对uej与uei之间的数据传输造成干扰，即说明没有同频的wifi信道对uej与uei之间的数据传输产生干扰；

针对uej干扰集合ij内除uek的每一个节点uem，uem邻居集合vm内的每一个节点ued，若cmd等于ckj，说明在uej通过中继uek接收数据时，存在与其使用的信道同频的wifi信道，则计算同频的wifi信道对uej造成的干扰，ij范围内的干扰值之和存储在fj,wifi中，否则若cmd不等于ckj，则说明uem与ued之间的数据传输不对uek与uej之间的数据传输造成干扰，即说明没有同频的wifi信道对uek与uej之间的数据传输造成干扰；进入步骤3.3；

步骤3.3：计算通过中继uek和uej依次转发数据时，uei从基站获得的吞吐量若则将αkji赋值为0，ckj赋值为0，cji赋值为0，即uei放弃预选的第二中继uek和第一中继uej，以及所分配的wifi信道；否则保留预选的中继uek和uej；

步骤3.4：将fi,wifi赋值为0，针对uei干扰集合ii内除uej以外的每一个节点uem，uem邻居集合vm内的每一个节点ued，若cmd等于cji，说明在uei通过中继uej接收数据时，存在与其使用的信道同频的wifi信道，则计算同频的wifi信道对uei造成的干扰，ii范围内的干扰值之和存储在fi,wifi中，否则若cmd不等于cji，则说明uem与ued之间的数据传输不会对uej与uei之间的数据传输造成干扰，即说明没有同频的wifi信道对uej与uei之间的数据传输产生干扰；进入步骤3.5；

步骤3.5：计算通过中继uej转发时，uei从基站获得的吞吐量若则将αji赋值为0，cji赋值为0，即uei放弃预选的中继uej，以及所分配的wifi信道；否则保留预选的中继uej。

所述步骤1.1和2.1中，分别通过以下公式计算uei和uej直接从基站接收数据的吞吐量阈值和

其中，是从基站到uei的直接通信链路上的信道带宽，γth为信号干扰噪声比，其取值根据接收端对比特误码率的要求确定，接收端要求的比特误码率越低，则γth的值需要设定得越大。

所述步骤1.2和2.2中，分别通过以下公式计算中继选择度量值δtji和δtkj：

其中，和分别表示从基站到uei和uej的直接通信链路上的信道带宽；和分别表示从基站到uei、uej和uek的直接通信链路上的信号干扰噪声比。

所述步骤1.4中，通过以下公式近似计算从基站经过中继uej到达接收端uei的传输延时t^ji：

所述步骤2.4中，根据以下公式近似计算从基站依次经过中继uek和uej到达接收端uei的传输延时t^kji：

其中，其中，和分别是是节点j和k转发一个比特数据所花费的时间；f(γj)和f(γk)分别是节点j和k接收一个比特数据的成功率；γj和γk分别表示接收节点j和k的sinr(信号与干扰加噪声比)。

所述步骤1.6中，根据以下公式计算度量值riei，以度量第一潜在中继o对第二潜在中继s的优势程度：

其中，eoi和esi,分别表示uei选择的第一潜在中继ueo和第二潜在中继ues的剩余能量值，和分别表示从基站到ueo和ues的直接链路上的吞吐量。

所述步骤3.2和3.4中，根据以下公式计算同频的wifi信道对uei造成的干扰，即uei在从uej到自身的wifi信道上感知到的干扰功率fi,wifi：

其中，ii表示uei的干扰集合，而uem表示该集合中的一个成员；pm是uem采用的发射功率；gmi表示从uem到uei的链路上的信道衰减系数。

根据以下公式计算同频的wifi信道对uej造成的干扰，即uej在从uek到自身的wifi信道上感知到的干扰功率fj,wifi：

其中，ij表示uej的干扰集合，而uem表示该集合中的一个成员；pm是uem采用的发射功率；gmj表示从uem到uej的链路上的信道衰减系数。

所述步骤3.3中，根据以下公式计算通过中继uek和uej依次转发数据时，uei从基站获得的吞吐量

其中，和分别是从uek到uej的链路上的信号干扰噪声比和信道带宽；和分别是从uej到uei的链路上的信号干扰噪声比和信道带宽；

所述步骤3.5中，根据以下公式计算通过中继uej转发时，uei从基站获得的吞吐量

所述步骤1.4和2.4中，延时约束阈值tth设置为110纳秒/比特。

所述步骤1.6中，rie阈值设置为1；

所述步骤2.4中，能量约束阈值eth设置为0.1焦耳。

有益效果：

本发明的有益效果具体体现在以下几个方面：

1)本发明通过多跳中继能够有效降低蜂窝边缘节点的接收误码率，保证了通信质量，从而增加了蜂窝下行吞吐量，降低了数据传输延时。

2)本发明在中继预选过程中，引入了rie阈值和能量门限阈值，在确保吞吐量增加的同时，延长了网络传输路径的寿命。

3)本发明通过预选中继的方式，运行整个算法一次，即可获得稳定的中继链路，从而有效地减小了计算和通信代价。

4)本发明通过对预选中继范围的控制，确保了带外wifi信道上两端通信节点之间的距离在合适的范围内，从而有效地降低了预选中继最终被放弃的概率。并且在确保不遗漏最优中继的同时，有效地降低了计算和通信开销。

附图说明：

图1为蜂窝下行吞吐量随固定区域中节点数量的变化趋势

图2为网络连通率随固定区域中节点数量的变化趋势

图3为平均延时随固定区域中节点数量的变化趋势

图4为网络连通率随数据传输轮数的变化趋势

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明公开了一种基于带外d2d多跳中继协助的蜂窝下行吞吐量优化方法，即dto-mrod(downlinkthroughputoptimizationbymulti-hoprelay-assistedoutbandd2dcommunications)。dto-mrod是一种集中式算法，运行在基站上，由基站为每个获得蜂窝信道的ue选择以下三种方式之一从基站接收数据，三种方式即直接从基站接收数据、通过选择一个中继中转接收数据和通过选择两个中继进行接力中转接收数据。因此，dto-mrod算法涉及预选第一中继、预选第二中继、验证中继链路吞吐量3个阶段。输入参数为每个ue的蜂窝链路吞吐量、延时约束阈值、剩余能量约束阈值以及邻居节点等信息，输出结果为每个获得蜂窝信道的ue从基站接收数据的方式，使用αji,αkji进行记录(具体含义将在后面说明)。dto-mrod算法涉及的计算公式与相关参数阐述如下：

对任一uei，它采用直接从基站接收数据的通信方式，可获得的吞吐量可使用香农公式估算，具体表示如下：

在公式(1)中，和分别是从基站到uei的直接通信链路上的吞吐量和信号干扰噪声比(signaltointerferencenoiseratio,sinr)；是该链路上的信道带宽。可由公式(2)估算：

在公式(2)中，ni表示uei感知到的环境噪声功率；fi,cell表示uei在从基站到自身的蜂窝信道上感知到的干扰功率，因为基站在该信道上向uei发射数据期间无其它节点在同时发射，所以uei不会感知有干扰存在，因此，fi,cell为0；pc是基站向uei发射数据时采用的发射功率(通常取10瓦)；gi表示从基站到uei的链路上的信道衰减系数；pc与gi的乘积表示uei感知到的接收功率强度；gi的值涉及路径损耗、多径衰落、阴影衰落等因素，通常较难获得。既然pc与gi的乘积表示uei感知到的接收功率强度，可采取如下近似公式直接得到接收功率。

在公式(3)和(4)中，gt和gr分别是发射天线和接收天线增益；ht和hr分别是发射天线高度和接收天线高度；λ和l分别是载波信号波长和系统损耗因子；du,v表示发射节点u与接收节点v之间的距离；当发射节点u向接收节点v发射数据时，p^tu,v和p^ru,v分别表示发射节点u的发射功率和接收节点v的接收功率。依据任一对通信节点间的距离与节点交叉距离dcrossover之间的关系，确定使用公式(3)和(4)中的哪一个。对任一链路u→v，若其链路长度小于dcrossover，则使用公式(3)，否则使用公式(4)。交叉距离dcrossover由公式(5)得到。

任一uei选择另一uej充当中继，帮它从基站接收数据，则该中继从基站获得的吞吐量可由公式(6)估算。

在公式(6)中，和分别表示从基站到uej的直接链路上的吞吐量和信号干扰噪声比，这里uej使用了uei的蜂窝信道，因此，其带宽为

当中继uej将数据转发给uei时，其d2d链路的吞吐量可由公式(7)估算。

在公式(7)中，和分别是从uej到uei的链路上的吞吐量和信号干扰噪声比；是该链路上的信道带宽。由公式(8)估算：

在公式(8)中，pji是uej向uei发射数据时采用的发射功率；gji表示从uej到uei的链路上的信道衰减系数；既然pji与gji的乘积表示uei感知到的接收功率强度，可采用公式(3)或(4)近似得到之；fi,wifi表示uei在从uej到自身的wifi信道上感知到的干扰功率，由公式(9)估算：

在公式(9)中，ii表示uei的干扰源集合，而uem表示该集合中的一个成员；pm是uem采用的发射功率；gmi表示从uem到uei的链路上的信道衰减系数；既然pm与gmi的乘积表示uei感知到的干扰功率强度，可采取公式(3)或(4)近似得到之。

通过中继uej转发，uei可能从基站获得更高的吞吐量，其值可由公式(10)估算：

通过中继uek和uej依次转发，uei可能进一步提升从基站获得的吞吐量，其值可由公式(11)估算：

在dto-mrod算法中，若uei选择中继uej帮它转发数据，则将αji置为1来记录这种情况，同样，若uei选择中继uek和uej帮它依次转发数据，则将αkji置为1来记录这种情况；若cji为1，则表示uej与uei之间的数据通信使用的是1号wifi子信道；这三个参数在算法初始化阶段都要置为0。由于wifi的2.4g频谱总共有14个(1到14)子信道，整个频段内只有3个互不干扰子信道(1、6、11或者2、7、12等信道号差值为5的信道)。所以为方便起见，将接收节点与第一个中继节点之间的子信道号分配为1到9之间的随机数，同时为了减少同频信道干扰，将上述分配信道号加上5来确定第一个中继节点与第二个中继节点之间的子信道号。t^ji表示从基站经过中继uej到达接收端uei的传输延时；t^kji表示从基站相继经过中继uek和uej到达接收端uei的传输延时；tth表示延时阈值(可取110纳秒/比特)。t^ji和t^kji的估算公式见“实验验证”部分。

vi,vj分别表示uei与uej的邻居节点集合，对uei来说，vi集合内的任一节点以给定的发射功率(如pue，通常取值为0.1瓦)向uei发送数据都应保证接收端uei的误码率不高于设定的误码率阈值ber(可取10^-10)。vi集合内节点的分布范围(即接收节点uei的覆盖半径di)可根据公式(12)估算得到：

在公式(12)中，γth是与设定的误码率阈值ber对应的信号干扰噪声比值，其值可以通过公式(13)得到：

γth＝-2lnber(13)

由于任一接收节点(如uei)无法获得实际的干扰节点数目、分布、干扰节点采用的发射功率等估算干扰大小的相关信息，因此，fi,wifi是一个不确定的值。通过公式(12)得到近似覆盖范围，其覆盖范围边缘上节点采用发射功率pue向uei发送数据，可能不能确保接收端(即uei)的比特误码率不高于设定的误码率阈值ber的目标。所以将通过公式(12)得到的结果再乘以一个折扣系数η会提高满足比特误码率不高于设定的误码率阈值ber的概率，折扣后近似覆盖半径表示如下：

d`i＝η·di(14)

在(14)中，0<η≤1，uei在近似覆盖半径范围内的节点构成vi集合。

为了确定中继的数量及分布，现有典型方法(如文献[1]中方法dore)利用了各个ue反馈的实时吞吐量作为决策的部分信息，这需要多次迭代，以便达到确定中继后获得的吞吐量与实时反馈值基本一致的目的，即达到收敛状态。不同于dore的做法，本发明通过先预选中继，再验证预选中继是否带来了吞吐量的提升，以决定是保留还是放弃预选的中继。这样无需多次迭代，加快了决策速度。

对任一接收节点(如uei)来说，它至少需要知道它邻近区域内中继的数量及d2d信道分布情况，才能估算出从uei所选择中继到自身之间的d2d链路上的同频干扰值，进而估算该d2d链路上的吞吐量。由于uei在选择中继时暂时无法获得这些信息，因此，从基站经由所选中继到自身的路径上的吞吐量也无法得到，从而也无法知道该路径上吞吐量是否比uei直接从基站接收数据的吞吐量更大。由于从基站到uei所选中继之间的链路吞吐量是可以估算的，因此，本发明先依据该吞吐量值相比于从基站到uei的直接链路吞吐量的提升幅度来预选中继，相应的度量由公式(15)估算：

同时，为避免包括中继在内的最终传输路径上的d2d链路的吞吐量过小而限制了整条路径吞吐量的提升，对uei选择的中继范围做了限制，即限制在公式(14)估算的范围内。即使采用了这样措施，也难以确保所选中继最终都能满足提升吞吐量的要求。因此，在所有预选中继确定后，需要进行传输路径吞吐量验证，无法提升吞吐量的中继将被放弃。若部分预选中继被放弃，则相应会减少其它节点的同频干扰概率，使得其余预选中继真正能提升吞吐量的概率随之增大。

本发明对任一uei首选中继与随后的第2次中继选择采取不同的度量方法，即前者综合考虑吞吐量提升与中继的剩余能量水平，以确保网络吞吐量与网络寿命的综合性能更优，后者通过设置能量约束阈值来确保第2次选择的中继的剩余能量水平不低于首次选择中继的相应值(通过设置能量约束阈值eth不低于第一中继的剩余能量值来保障)。

在预选第一中继阶段，任一uei选择的第一潜在中继，即对吞吐量的提升最大的ue记为ueo，第二潜在中继，即对吞吐量的提升仅次于第一潜在中继的ue记为ues；标记变量o和s在算法开始执行时都应初始化为0。预选第一中继所使用的度量值由公式(16)估算：

在公式(16)中，riei表示uei的收益代价比，它度量了第一潜在中继ueo对第二潜在中继ues的优势程度，其值越大表明第一潜在中继ueo对第二潜在中继ues的优势越大。eoi和esi,分别是uei选择的两个中继的剩余能量值，若eoi不小于esi,则表明第一潜在中继ueo不仅对吞吐量的提升优于第二潜在中继ues，而且剩余能量也优于第二潜在中继ues。因此，在这种情况下，riei为无穷大，表示第一潜在中继ueo对链路吞吐量和链路寿命的提升都相对第二潜在中继ues占优势，因而uei决定选择第一潜在中继ueo为它中继数据。如果eoi小于esi,则说明第一潜在中继ueo对吞吐量的提升优于第二潜在中继ues，但对链路寿命的提升差于第二潜在中继ues。因此，在这种情况下，通过设置一个rie阈值，若riei小于该rie阈值，则uei决定选择第二潜在中继ues为它中继数据。上述所有阐述公式中未说明的取值参见“实验验证”部分。

下面分别对这3个阶段进行详细阐述。

阶段1：预选第一中继

步骤1.1：针对获得信道的n个ue(集合)内的每一个节点uei，通过计算其直接从基站接收数据的吞吐量阈值从基站到uei的直接通信链路吞吐量若比小，则进行步骤1.2；否则运行结束，uei直接从基站接收数据；

步骤1.2：针对uei邻居集合vi内的每一个节点uej，通过公式(15)计算中继选择度量值，把结果保存在△tji中，进入步骤1.3；△tji表示从基站到uei所选中继之间的链路吞吐量相比于从基站到uei的直接通信链路吞吐量的提升幅度；

步骤1.3：针对获得信道的n个ue的每一个节点uei分别找出其数值最大的△tji，若△tji大于0，则进入步骤1.4；否则运行结束，uei直接从基站接收数据；

步骤1.4：计算并比较从基站经过中继uej到达接收端uei的传输延时t^ji和延时约束阈值tth(可取110纳秒/比特)，若t^ji小于或者等于tth，则进入步骤1.5，否则△tji赋值为0，重新回到步骤1.3；

步骤1.5：若第一潜在中继的标记变量o等于0，则将j赋给o，△tji赋值为0，重新回到步骤1.3；否则将j赋给第二个潜在中继的标记变量s，进入步骤1.6；

步骤1.6：若根据公式(16)计算得出的评估值riei比预设的rie阈值小，则将αsi赋值为1,csi赋值为1到9之间的随机数，同时可以将变量α0s赋值为1以记录ues被选择中继，并且将节点对(s,i)作为一个元素加入集合d，进入阶段2；否则将αoi赋值为1,coi赋值为1到9之间的随机数，同时可以将变量α0o赋值为1以记录ueo被选择中继，并且将节点对(o,i)作为一个元素加入集合d；其中集合d初始化为空，随后添加的每个元素为一个节点对(二元组)，记录第一中继与其选择者之间的对应关系；进入阶段2。

阶段2：预选第二中继

步骤2.1：针对集合d内所有节点对中的中继节点uej，通过计算其直接从基站接收数据得到的吞吐量阈值若从基站到uej的直接通信链路吞吐量小于则进入步骤2.2；否则运行结束，接收节点uei通过第一中继uej从基站接收数据，不再进行第二中继的选择；

步骤2.2：针对uej邻居集合vj内的所有节点uek，使用类似公式(15)的公式(即△tkj＝t^kjcell-t^jcell)计算中继选择度量值，把结果保存在△tkj中，进入步骤2.3；

步骤2.3：针对集合d内所有节点对中的中继节点uej，分别查找出最大数值的△tkj，若△tkj大于0，则进入步骤2.4；否则运行结束，接收节点uei通过第一中继uej从基站接收数据，不再进行第二中继的选择；

步骤2.4：若t^kji小于或者等于延时约束阈值tth并且节点k的剩余能量e^k大于或者等于能量约束阈值eth，则将αkji赋值为1，并且ckj赋值为cji的值加上5，进入阶段3。否则将△tkj赋值为0，并且重新回到步骤2.3。

由于存在同频wifi信道造成的干扰，在通过阶段1和2分别确定第一中继、第二中继之后，需要通过阶段3对预选中继链路的吞吐量进行验证。当中继节点uej以发射功率pji通过wifi链路向uei发送数据时，接收端uei的吞吐量可以根据公式(7)计算得出。接收端uei通过中继uej从基站获得的吞吐量可以根据公式(10)计算得出。同样，若接收端uei依次借助中继k,j中转自己的数据，则其从基站获得的吞吐量可以根据公式(11)计算得出。

阶段3：验证预选中继链路吞吐量

步骤3.1：针对获得信道的n个ue(集合)中的每一个节点uei，判断αkji的值是否为1，若是，则进入步骤3.2，否则若αji的值为1，则进入步骤3.4；

步骤3.2：将fi,wifi,fj,wifi分别赋初始值为0；

针对uei干扰集合ii内除uej以外的每一个节点uem，uem邻居集合vm内的每一个节点ued，若cmd等于cji，说明在uei通过中继uej接收数据时，存在与其使用的信道同频的wifi信道，则根据公式(9)计算同频wifi信道对uei造成的干扰，ii范围内的干扰值之和存储在fi,wifi中；否则若cmd不等于cji，则说明uem与ued之间的数据传输不会对uej与uei之间的数据传输造成干扰，即说明没有同频的wifi信道对uej与uei之间的数据传输产生干扰；

针对uej干扰集合ij内除uek的每一个节点uem，uem邻居集合vm内的每一个节点ued，若cmd等于ckj，说明在uej通过中继uek接收数据时，存在与其使用的信道ckj同频的wifi信道，则根据公式(9)计算同频的wifi信道对uej造成的干扰，ij范围内的干扰值之和存储在fj,wifi中，否则若cmd不等于ckj，则说明uem与ued之间的数据传输不对uek与uej之间的数据传输造成干扰，即说明没有同频的wifi信道对uek与uej之间的数据传输造成干扰；进入步骤3.3；

步骤3.3：根据公式(11)计算出若则将αkji赋值为0，ckj赋值为0，cji赋值为0，即uei放弃预选的中继uek和uej，以及所分配的wifi信道，返回步骤3.1；否则保留预选的中继uek和uej；

步骤3.4：将fi,wifi赋值为0，针对uei干扰集合ii内除uej以外的每一个节点uem，uem邻居集合vm内的每一个节点ued，若cmd等于cji，则根据公式(9)计算其对uei造成的同频wifi信道干扰，ii范围内的干扰值之和存储在fi,wifi中，否则若cmd不等于cji，则说明uem与ued之间的数据传输不会对uej与uei之间的数据传输造成干扰，即说明没有同频的wifi信道对uej与uei之间的数据传输产生干扰；进入步骤3.5；

步骤3.5：根据公式(10)计算出若则将αji赋值为0，cji赋值为0，即uei放弃预选的中继uej，以及所分配的wifi信道，返回步骤3.1；否则保留预选的中继uej；

在阶段3中，随着部分接收端放弃通过中继转发而选择直接从基站接收数据，wifi同频信道干扰也随之减小，相应地，其它接收端保留预选中继的概率随之增大。

实验验证：

以下对本发明(为方便表述，称为dto-mrod)与like-dore方案(即文献[2]中dore方案的变体，采用了与本发明方案同样的预选中继再验证方式)在如下三个方面进行仿真比较：(1)吞吐量：特指一个蜂窝内的蜂窝信道资源被分配完后，在给定时间内，数据通过这些信道能同时从基站正确传输到获得蜂窝信道的ue的数据量；(2)延时：特指基站向任一ue传输大容量数据流时，该传输路径上中继节点的转发能力，该延时取决于转发能力最差的中继，若没有中继节点，则认为没有延时；(3)网络连通率：特指在分配到蜂窝信道资源的全部ue数量中，因自身或自身选择的中继ue的能量耗尽而无法获得数据传输服务的ue占总ue的比例。

通信链路j→i上的每比特数据能耗由公式(17)计算得到。

在(17)中，和分别是发射节点j和接收节点i的每比特数据能耗；分别是发送端电子能量、接收端电子能量、无线电放大器能量；dji是通信链路j→i的距离；σji是通信链路j→i上的路径损耗指数，若dji小于交叉距离dcrossover，则σji取2，否则σji取4。

通信链路j→i的帧成功率f(γi)可由公式(18)计算得到。

在公式(18)中，l和γi分别是数据包的帧格式长度和接收节点i的sinr。基于计算得到的链路帧成功率和本实施方案给定的延时定义，通信链路j→i的数据传输延时值主要取决于接收端i的转发能力，若接收端i为传输路径上最终的接收者，则其不再转发，故不再计算其转发延时。通过下列公式(19)可得到接收端i的转发延时，其中，t^bi是uei的数据包转发能力。

从基站经过中继uej到达接收端uei的传输延时由公式(20)近似得到。

从基站依次经过中继uek和uej到达接收端uei的传输延时由公式(21)近似得到。

其中，和分别是是节点j和k转发一个比特数据所花费的时间；f(γj)和f(γk)分别是节点j和k接收一个比特数据的成功率；γj和γk分别表示接收节点j和k的sinr。

基本仿真参数设置如下：仿真网络是半径为500m的圆形区域，一个基站位于该区域中央，拥有的可分配蜂窝信道数量n为120，该区域内ue数量m变化范围从400到2200，公式(14)中的折扣系数η设置为0.7，rie阈值、延时约束阈值tth、能量约束阈值eth分别设置为1,110纳秒/比特,0.1焦耳，信道带宽设置为2兆赫兹。其它参数取值见表1。

表1仿真参数设置

采用omnet++4.1网络仿真器得到图1至图4所示结果。从图1可观察到，无论蜂窝内ue数量m如何变化，本发明方案dto-mrod的吞吐量始终优于方案like-dore。主要原因是，当一个接收节点(如处于蜂窝边缘的ue)距离基站很远时，不仅直接从基站接收数据会导致接收比特误码率过高，而且选择一个中继节点帮助它中继数据也很可能无法使得该接收节点的接收比特误码率低于系统设定值。因此，根据公式(2)，可以知道，该接收端sinr将会比较小，进而，根据公式(1)，也可以知道该传输路径的吞吐量将会比较低。方案like-dore允许每个接收节点至多选择一个中继，而本发明方案dto-mrod则将这种限制放宽到两个。因此，在上述情况下，本发明方案dto-mrod可以通过增选第二个中继来提升吞吐量，而like-dore却无法做到。

当蜂窝内ue数量m不同时，网络吞吐量有些波动，这主要是蜂窝内获得信道的ue与未获得信道ue的分布关系的随机变化所造成的。不同的分布关系，造成的相互干扰(即带外同频wifi信道之间的相互干扰)也不同，从而造成网络吞吐量的波动。

从图2可观察到，类似于图1中的变化趋势，无论蜂窝内ue数量m如何变化，本发明方案dto-mrod的平均数据传输延时也始终优于方案like-dore。根据本发明定义的延时度量含义，任一路径上的数据传输延时取决于该路径上数据转发能力最弱的中继，而中继的数据转发能力也直接影响该路径的吞吐量，因此，图2与图1一致的变化趋势是合理的。

图3给出了传输给定数量数据包后，网络中所有获得蜂窝信道的接收节点所构建的从基站接收数据的传输路径的连通情况。从图3中可看到，本发明方案dto-mrod的网络连通率高于方案like-dore。主要原因是，本发明综合考虑了链路吞吐量和链路寿命因素来构建首次中继选择的度量方法(见公式(16))，在此基础上，若需选择第二个中继，则通过能量约束阈值确保选择的第二中继剩余能量不低于第一个中继，从而确保所构建的路径具有更长的寿命。like-dore没有对所选择的中继做能量约束，因此，难以确保所构建的数据传输路径具有较好的寿命。与图1类似，随着蜂窝内ue数量m的变化，蜂窝内获得信道的ue与未获得信道ue的分布关系的随机变化造成了网络连通率的波动。

图4展示了网络连通率随数据传输轮数的变化情况。在每一轮中，基站仅向每一个接收节点传输一个固定长度的数据包，也就是每个接收节点在一轮内仅能从基站收到一个固定长度的数据包。在这个仿真中，除节点数量固定在1200以外，其它仿真参数设置同上。从图4中，可以看到，在100轮以前，两个方案的网络连通率都是100％，说明两个方案都没有出现路径断链情况。从100轮到560轮左右，本发明方案dto-mrod的网络连通率高于方案like-dore，主要原因参见对图3的解释。但是，从560轮左右到700轮，本发明方案dto-mrod的网络连通率低于方案like-dore，主要原因是，dto-mrod会产生2中继路径，而like-dore则不会，而随着能量的大量消耗，2中继路径的断链率会明显增大，因此，导致方案dto-mrod的网络连通率的显著降低。在700轮以后，随着2中继路径的几乎消失，两个方案的网络连通率的差别也越来越小。

参考文献

[1]a.asadi,a.q.wang,andv.mancuso,“asurveyondevice-to-devicecommunicationincellularnetworks,”ieeecommun.surveystuts.,vol.16,no.4,pp.1801–1819,4thquart.2014.

[2]a.asadi,v.mancuso,andr.gupta.“ansdr-basedexperimentalstudyofoutbandd2dcommunications.”ieeeinfocom2016.