一种基于自适应拥塞控制的D2D设备自主发现方法与流程

本发明涉及D2D通信技术领域。更具体地，涉及一种基于自适应拥塞控制的D2D设备自主发现方法。

背景技术：

D2D(Device-to-Device)通信技术，即设备到设备间的直接通信技术，是未来5G网络中的一项关键候选技术。D2D通信可以使数据不经过核心网络的转发而直接到达目设备，因此可以有效地提高数据传输速率和网络的系统容量，具有极大的研究和应用价值。作为D2D通信的前提和基础，D2D设备发现一直是D2D技术的关键技术，如何让每一个D2D设备尽可能多自动识别周围的潜在通信用户是目前面临的一个难题，因此提高设备发现效率是研究的一个重点方向。

D2D设备发现是指一个设备识别周围邻居设备终端的过程。通常情况下，完成D2D设备发现是D2D通信的前提条件。D2D设备发现技术有两种：一种是基于核心网的发现，每个D2D设备都通过与eNodeB进行信息交互实现对周围邻居的发现；另一种是设备间的自主发现，指设备之间可以直接进行发现信号的发送和接收，直接得到周围邻居的信息。自主发现方式可以摆脱设备对核心网络的依赖，自主完成发现过程，具有较高的发现效率和较低的发现时延。

目前关于用于D2D设备发现的资源调度主要分为两大类：类型一和类型二，其中类型二又包括两种不同的分类。类型一主要针对网络覆盖或部分网络覆盖的场景下，采用周期资源分配的方式，为用户提供资源池。类型二是指在网络覆盖的场景下，eNodeB集中调度，向用户发送资源控制信令，其中类型二中的一种是指在每个发现信号的发送时刻进行动态调度，类型二中的另外一种是指采用半静态的方式进行资源调度，基站根据不同用户分配不同的周期性发现资源。目前大多研究采用为用户周期提供资源池的方式，但现有的方案普遍存在发现效率不高且发现时延较大的问题。

拥塞控制机制最早是为解决蜂窝网络中因大量用户接入网络过程中造成的网络拥塞问题而提出的控制机制，该机制能够阻止部分或者全部用户设备建立RRC(Radio Resource Control，无线资源控制)连接，因此可以避免大量设备进行接入引起的高峰，同时避免核心网的信令拥塞和过载。在此机制中，每个用户设备都会根据基站的广播的接入控制因子执行接入过程，通常该因子为固定的若干值。网络利用控制信令来指示单独的用户或用户分组如何缩放网络广播的接入控制参数。缩放的目的是根据广播的接入控制因子(Barring Factor)，对各用户或用户分应用不同程度的接入控制。在该机制基础上，若基站能够根据当前潜在接入用户数量动态地计算出最优接入控制因子，则能达到自适应拥塞控制的目的。由于拥塞控制机制能够很好的控制设备的竞争数量，减少资源竞争中的碰撞概率，因此将此技术应用于D2D发现机制中能够在一定程度上提高设备成功发现概率。

因此，需要提供一种基于自适应拥塞控制的D2D设备自主发现方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述缺陷，提供一种基于自适应拥塞控制的能提高设备的发现效率、降低发现时延，保障D2D设备间即时通信的D2D设备自主发现方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于自适应拥塞控制的D2D设备自主发现方法，该方法包括以下步骤：

Step1：在LTE-A网络一个小区中，小区eNodeB用于分配小区专用发现资源池，并设定相邻专用发现资源池间的发现周期T_d，专用发现资源池用于D2D设备发送发现消息；

Step2：一个或多个D2D用户在小区进行随机接入；

Step3：成功接入小区的D2D用户，通过小区eNodeB的广播消息获取小区的专用发现资源池和发现周期T_d；

Step4：小区eNodeB根据当前潜在资源竞争用户数M_i，通过广播自适应地控制当前专用发现资源池内的竞争用户数，同时将D2D用户分为受控制的D2D用户和未受控制的D2D用户；

Step5：所述受控制的D2D用户在当前专用发现资源池到来前不进行当前资源的随机竞争，所述未受控制的D2D用户在当前专用发现资源池到来前根据eNodeB的广播信息决定进行当前资源的随机竞争；

Step6：竞争失败的用户和本次受控制的用户在下一专用发现资源池到来前会继续接收基站广播消息，并重复上述Step3-Step5；

Step7：随机竞争成功的D2D用户用于利用竞争到的专用发现资源发送自身的发现消息，还用于在当前资源池中的其他未选择的发现资源位置进行盲检，接收周围D2D用户的发现消息；

LTE-A网络指长期演进升级网络；eNodeB指演进型移动基站；D2D指设备到设备通信。

优选地，成功接入小区的D2D用户，还通过eNodeB的广播消息获取D2D用户上报周期。

优选地，该方法还包括如下步骤：

Step8：成功接收到其他D2D用户发现消息的D2D用户向eNodeB周期上报其邻居列表，邻居列表包括维护的邻居信息和新发现的邻居信息。

优选地，专用发现资源占用LTE-A网络中物理上行共享信道的时频资源。

优选地，该方法还包括如下步骤：

Step9：eNodeB在本地维护一个D2D设备列表：若有新D2D用户接入，则eNodeB将添加新D2D用户信息到D2D设备列表中；若D2D设备列表中的某设备在设定的时间阈值内没有保持和eNodeB的信息维护，则eNodeB将从D2D设备列表中删除此D2D用户的信息。

优选地，发现周期T_d大于一个发送发现消息的信号时域长度，且发现周期T_d为1ms的整数倍。

优选地，潜在的竞争用户M_i包括新注册用户M_n、上次竞争失败用户M_f和上次受控制的未竞争用户M_c，且M_i＝M_n+M_f+M_c。

优选地，自适应地控制下个专用发现资源池内的竞争用户数具体包括以下步骤：

Step4.1：eNodeB计算每次进行资源竞争的最优用户数的期望值

Step4.2：eNodeB统计当前潜在的竞争用户数M_i，并根据公式计算出最优控制因数P_B：

其中P_B为最优控制因数，其取值范围为(0～1)，为最优用户数期望值，M_i为潜在竞争用户数；

Step4.3：eNodeB在当前专用发现资源池到来前通过广播通知小区内的潜在竞争用户最优控制因数P_B；

Step4.4：小区内潜在用户收到广播后在本设备中随机生成一个随机数P_X；

Step4.5：若P_X≤P_B,则该用户为未受控制的D2D用户；

Step4.6：若P_X＞P_B,则该用户为受控制的D2D用户。

进一步优选地，最优用户数的期望值通过下述计算获得：

$E\left(S\right)=m{(1-\frac{1}{R})}^{m-1}$

上式最优解为最优用户数的期望值：

其中，E(S)表示每个专用发现资源池中进行资源随机竞争成功的用户个数期望，m表示参与资源竞争的用户个数，R表示专用发现资源池中配置的可用资源对的个数。

优选地，发现消息包含D2D用户的设备ID、编码方式和同步消息。

优选地，受控制的用户按照eNodeB指示进行固定时常的退避，退避时间为4s～512s，退避时间内该用户不竞争资源。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案属于D2D设备的自主发现机制，整个发现过程对核心网络的依赖很小且无需知道用户的具体位置等其他额外信息，对于网络整体来说复杂度大大降低。同时，通过采用自适应的拥塞控制机制能够减小用户间的碰撞概率，避免网络拥塞，使成功用户个数实现随机资源竞争机制下的理论最优值，有效保障D2D通信的进行。此外在设备或者链路出现故障的情况下，保证网络的鲁棒性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出LTE-A网络架构的示意图。

图2示出基于自适应拥塞控制的D2D设备自主发现方法的流程图。

图3示出基于自适应拥塞控制的D2D设备自主发现方法中D2D设备间发现过程的详细流程图。

图4示出LTE-A网络中D2D设备自主发现方法的资源配置示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

下面将本实施例提供的基于自适应拥塞控制的D2D设备自主发现方法应用于如图1所示的LTE-A网络作进一步地说明，如图1、图2(图中eNB即为eNodeB)所示，本实施例提供的基于自适应拥塞控制的D2D设备自主发现方法，包括如下步骤：

Step1：在LTE-A网络一个小区中，小区eNodeB用于分配小区专用发现资源池，并设定相邻专用发现资源池间的发现周期T_d，专用发现资源池用于D2D设备发送发现消息。发现周期T_d大于一个发送发现消息的信号时域长度，且发现周期T_d为1ms的整数倍。专用发现资源池包含时间和频率两个维度，每个专用发现资源池在时间维度上跨越30ms。发现消息包含D2D用户的设备ID、编码方式和同步消息。LTE-A网络指长期演进升级网络，eNodeB指演进型移动基站，D2D指设备到设备通信。专用发现资源占用LTE-A网络中PUSCH信道(物理上行共享信道)的时频资源。

Step2：一个或多个D2D用户在小区进行随机接入，D2D用户在小区进行随机接入过程和传统蜂窝用户的接入过程类似，但是需要在接入信息中告知eNodeB自己是D2D设备。

Step3：成功接入小区的D2D用户，通过小区eNodeB的广播消息获取小区的专用发现资源池和发现周期T_d，成功接入小区的D2D用户，还通过eNodeB的广播消息获取D2D用户上报周期。eNodeB广播消息中包含专用发现资源的到达周期(即发现周期)、分配的用于D2D设备发送发现消息的专用发现资源的时频位置以及D2D用户的上报周期等信息，D2D用户的上报周期为D2D用户将自己的邻居列表上报给eNodeB的周期，上述D2D用户的上报周期根据具体小区情况设定，通常设定为100s-600s。分配的专用发现资源占用的是LTE-A网络中PUSCH信道的时频资源，上报信息也通过PUSCH信道传输。

Step4：小区eNodeB根据当前潜在资源竞争用户数M_i，通过广播自适应地控制当前专用发现资源池内的竞争用户数，同时将D2D用户分为受控制的D2D用户和未受控制的D2D用户。潜在的竞争用户M_i包括新注册用户M_n、上次竞争失败用户M_f和上次受控制的未竞争用户M_c，且M_i＝M_n+M_f+M_c。其中，当前专用发现资源池指当前可用的专用发现资源池，该过程具体包括以下步骤：

Step4.1：eNodeB计算每次进行资源竞争的最优用户数的期望值其通过下述计算获得：

$E\left(S\right)=m{(1-\frac{1}{R})}^{m-1}$

可知，上式最优解为最优用户数的期望值，故对上式求导得：

$E^{\′}\left(S\right)=\frac{dE\left(S\right)}{dm}=(1-\frac{1}{R})^(m-1)+(1-\frac{1}{R})^(m-1)*m*log(1-\frac{1}{R})$

令E'(S)＝0，则

可知，对于每次广播的控制因子，P_B是由R决定的。其中，E(S)表示每个专用发现资源池中进行资源随机竞争成功的用户个数期望，m表示参与资源竞争的用户个数，R表示专用发现资源池中配置的可用资源对的个数；

Step4.2：eNodeB统计当前潜在的竞争用户数M_i，并根据公式计算出最优控制因数P_B：

其中P_B为最优控制因数，其取值范围为(0～1)，为最优用户数期望值，M_i为潜在竞争用户数；

Step4.3：eNodeB在当前专用发现资源池到来前通过广播通知小区内的潜在竞争用户最优控制因数P_B；

Step4.4：小区内潜在用户收到广播后在本设备中随机生成一个随机数P_X；

Step4.5：若P_X≤P_B,则该用户为未受控制的D2D用户；

Step4.6：若P_X＞P_B,则该用户为受控制的D2D用户。

Step5：所述受控制的D2D用户在当前专用发现资源池到来前不进行当前资源的随机竞争，所述未受控制的D2D用户在当前专用发现资源池到来前根据eNodeB的广播信息决定进行当前资源的随机竞争。即某一未受控制的D2D用户在每次专用发现资源到来时，与其他未受控制的D2D用户采用随机的方式竞争专用发现资源池中的某一个时频位置。受控制的用户根据需要，按照eNodeB指示进行固定时常的退避，退避时间为4s～512s，退避时间内该用户不竞争资源。竞争时，每个D2D用户在用于D2D专用发现消息的资源池到来的时刻都试图向周围邻居广播自己的存在，即采用随机竞争的方式选择RB对进行发现消息的发送，在这里我们定义：如果某个RB对(专用发现资源池DZ中专门用于传输发现消息的时频资源)恰好只被一个D2D用户选中，则认为该D2D用户竞争成功。竞争成功的D2D用户在经过设定的固定周期T_s再次竞争专用发现资源，以维护与其邻居列表中D2D用户的邻居关系，上述固定周期T_s设定为发现周期的整数倍，通常设定为150s-300s。反之，如果两个以上D2D用户选择同一个RB对，则认为这些D2D用户发生碰撞，本次竞争失败。

Step6：竞争失败的用户和本次受控制的用户在下一专用发现资源池到来前会继续接收基站广播消息，并重复上述Step3-Step5，其中，下一专用发现资源池指下一可用的专用发现资源池。

Step7：随机竞争成功的D2D用户用于利用竞争到的专用发现资源发送自身的发现消息，还用于在当前资源池中的其他未选择的发现资源位置进行盲检，接收周围D2D用户的发现消息。

Step8：成功接收到其他D2D用户发现消息的D2D用户向eNodeB周期上报其邻居列表，邻居列表包括维护的邻居信息和新发现的邻居信息。D2D用户在本地也维护一个邻居列表，每经过n(n≥1)个专用发现资源区域，将发现的邻居信息记录邻居列表，并通过PUSCH向eNodeB周期上报本地邻居列表。本地邻居列表内包含该D2D用户新发现的邻居和周期维护的邻居信息，对于列表中的某个邻居如果不能在最大等待时间内再次接收到该邻居的发现消息，则删除相应的用户设备信息，上述最大等待时间的设定范围为3min-10min。

Step9：eNodeB在本地维护一个D2D设备列表：若有新D2D用户接入，则eNodeB将添加新D2D用户信息到D2D设备列表中；若D2D设备列表中的某设备在设定的时间阈值内没有保持和eNodeB的信息维护，则eNodeB将从D2D设备列表中删除此D2D用户的信息，上述维护信息时间长度根据具体小区情况设定，通常设定为10s-60min。

D2D设备间发现过程的详细流程如图3所示，其具体过程如下：

当前D2D用户开机进行初始化操作，扫描信道。

当前D2D用户向所在小区eNodeB申请随机接入，并汇报自身的身份信息。

如果当前D2D用户成功接入所在小区网络，将通过PBCH(物理广播)信道接收本小区eNodeB的广播信息，广播信息中涉及到D2D用户的消息包括本小区可用于D2D设备发送发现消息的专用资源配置和发现周期等。本发明实例中LTE-A网络中用于D2D设备发现的资源配置图如图4所示，其中DZ表示D2D用户的专用发现资源池，按一定的周期T_d循环配置，专用发现资源池包含时间和频率两个维度，每个专用发现资源池在时间维度上跨越30ms。

eNodeB会在本地维护一个D2D设备列表，当有新D2D用户接入时将添加新用户信息到列表中，如果列表中的某设备在达到一定时间长度后没有保持和eNodeB的信息维护，eNodeB将删除此设备的相关信息

当前D2D用户在获取所在小区资源配置信息后，将在专用发现资源池到达前接收eNodeB广播，小区中的eNodeB在每一个专用发现资源池到来前根据当前潜在资源竞争用户数，通过广播自适应地控制专用发现资源池内的竞争用户数。其中未被控制的用户将进行随机资源竞争以向周围邻居发送自身的相关发现信息，发送的发现信息内容包含设备ID、编码方式、同步消息等。

未被控制的用户的是由eNodeB通过拥塞控制机制在所有潜在竞争用户中选择得到的，具体过程如上文所述，不再赘述；

此外若有必要，受控制的未竞争用户可按照eNodeB指示进一步进行固定时常的退避，退避时间范围为4s～512s，在此段时间内这些用户将不再竞争资源。

如果用户竞争成功，则会开启相关定时器进行对设定的固定周期的计时，只有定时结束到时后才会成功用户才会进行下一次的资源竞争，以维护与其邻居列表中D2D用户的邻居关系，上述固定周期设定为发现周期的整数倍，通常设定为150s-300s。

随机竞争成功的D2D用户除利用竞争到的专用发现资源发送其自身的发现消息外，还会在当前资源池中的其他未选择的发现资源位置进行盲检，以接收周围D2D用户的发现消息。

如果当前D2D用户接收到携带有其他D2D用户信息的发现消息，根据该发现消息更新自身的邻居信息列表，并根据邻居列表信息将更新的邻居信息周期上报给eNodeB。

需要说明的是，eNodeB会在本地维护一个包含已经互相发现的D2D用户对信息列表，并根据每个用户的上报结果更新列表。此列表包含的是本小区所有潜在进行D2D通信的设备对，eNodeB将根据此列表判断某两个D2D用户之间能否进行D2D通信。

综上所述，本发明提供了一种基于自适应拥塞控制的D2D设备自主发现方法，该发现方法不需要知道D2D用户的具体位置信息，复杂度低，能够通过基站的动态调节防止大量用户进行资源竞争而造成的拥塞，从而减小碰撞概率，提高网络资源的利用效率。此外在设备或者链路出现故障的情况下，能够有效保证网络的鲁棒性。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。