一种终端直连D2D通信方法及系统与流程

一种终端直连d2d通信方法及系统
技术领域
1.本技术涉及通信领域，尤其涉及一种终端直连d2d通信方法及系统。


背景技术：

2.随着现代社会的快速发展，用户对于通信技术的发展需求也越来越大。终端直连(device-to-device,d2d)通信技术被提出并进入了通信标准化进程，成为下一代(5g)移动通信系统的关键技术，得到了广泛关注。
3.d2d通信技术的本质是：在一定距离范围内的用户不通过基站上下行转发而复用蜂窝资源建立直接通信链接，因此，如何实现有效的d2d通信是研究的重点内容。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种终端直连d2d通信方法及系统，能够实现有效的d2d通信。
5.本技术实施例提供一种终端直连d2d通信方法，所述方法包括：
6.中继节点接收源节点发送的第一发射功率；
7.所述中继节点根据自身的第二发射功率和所述第一发射功率计算得到合作增益值；
8.判断所述合作增益值是否大于0，若所述合作增益值大于0，则所述中继节点向所述源节点返回同意合作的第一消息，以便所述源节点根据所述第一消息向所述中继节点发送通信数据；
9.所述中继节点接收所述通信数据并转发给目的节点。
10.可选地，所述方法还包括：
11.若所述合作增益值小于0，则所述中继节点向所述源节点返回不同意合作的第二消息。
12.可选地，所述第一发射功率和所述第二发射功率与所述合作增益值负相关。
13.可选地，所述方法还包括：
14.所述中继节点接收源节点发送的第三发射功率；所述第三发射功率小于所述第一发射功率；
15.所述中继节点根据所述第二发射功率和所述第三发射功率继续计算合作增益值，继续判断所述合作增益值是否大于0的步骤。
16.可选地，所述合作增益值包括源端增益值和中继增益值；所述源端增益值根据所述第一发射功率计算得到，所述中继增益值根据所述第二发射功率计算得到；
17.所述判断所述合作增益值是否大于0包括：
18.所述源端增益值和所述中继增益值都大于0。
19.可选地，所述合作增益值还根据所述源节点和所述中继节点的社交信任值确定。
20.本技术实施例还提供一种终端直连d2d通信系统，所述系统包括：中继节点、源节点和目的节点；
21.所述中继节点，用于接收源节点发送的第一发射功率，根据自身的第二发射功率和所述第一发射功率计算得到合作增益值，判断所述合作增益值是否大于0，若所述合作增益值大于0，则向所述源节点返回同意合作的第一消息；
22.所述源节点，用于根据所述第一消息向所述中继节点发送通信数据；
23.所述中继节点，还用于接收所述通信数据并转发给所述目的节点。
24.可选地，若所述合作增益值小于0，则所述中继节点，还用于向所述源节点返回不同意合作的第二消息。
25.可选地，所述第一发射功率和所述第二发射功率与所述合作增益值负相关。
26.可选地，所述中继节点还用于接收源节点发送的第三发射功率，根据所述第二发射功率和所述第三发射功率继续计算合作增益值，所述第三发射功率小于所述第一发射功率。
27.本技术实施例提供了一种终端直连d2d通信方法，所述方法包括：中继节点接收源节点发送的第一发射功率，中继节点根据自身的第二发射功率和第一发射功率计算得到合作增益值，判断合作增益值是否大于0，若合作增益值大于0，则中继节点向源节点返回同意合作的第一消息，也就是说，合作增益值大于0，表明中继节点作为通信数据的转发节点具有收益，能够满足自身节点的收益需求，则可以作为源节点的转发节点，后续源节点根据第一消息向中继节点发送通信数据，中继节点接收通信数据并转发给目的节点。由此可见，本技术实施例通过源节点的第一发射功率和中继节点自身的第二发射功率计算得到合作增益值，合作增益值大小决定中继节点是否同意合作，是否同意作为源节点的通信数据的转发节点，利用该方法可以简单有效的实现判断终端直连d2d通信的条件，能够实现有效的d2d通信。
附图说明
28.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
29.图1为本技术实施例提供的一种终端直连d2d通信方法的流程图；
30.图2为本技术实施例提供的一种通信网络模型示意图；
31.图3为本技术实施例提供的一种终端直连d2d通信系统的结构框图。
具体实施方式
32.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
33.无线通信网络在过去几十年中得到了巨大的发展，这得益于无处不在的通信服务，如视频流，在线游戏，社交网络等。格式的数据传输需求逐渐占了更大比例。据imt-2020(5g)预测，到2020年再来回顾前十年，将会发现，仅仅国内的移动数据通信量就将会增长几
百倍以上，移动终端数量将会超过几十亿。然而，改善无线网络基础设施的进展远远不能满足日益增长的通信服务需求，无线资源的紧缺问题日益凸显。为了平衡频谱需求的增长和频谱使用的低效率问题，终端直连通信(device-to-device,d2d)技术被提出并进入了lte-a标准化进程，成为下一代(5g)移动通信系统的关键技术，得到了广泛关注。蜂窝网络中的d2d技术的本质是：在一定距离范围内的用户不通过基站上下行转发而复用蜂窝资源建立直接通信链接，并且可以提供四种类型的性能增益。第一个是邻近增益，因为使用d2d链路的短距离通信能够实现高比特率，低延迟和低功耗通信。第二个是跳数增益，因为d2d通信使用一跳而不是由一个上行链路和一个下行链路组成的两跳。第三个是复用增益，由于d2d通讯最大的优势就是可以重复使用频段。最后一个是削减增益，这有利于促进新型的无线服务，如广告推送，大型活动资料共享，朋友间的信息共享等。
34.社交网络是现今许多信息交互共享技术的基础网络，如数字交互、全球通信等，对社交网络在各个领域中的协助作用的研究已取得了一些突破性的进展。从通信上来看，d2d通信是相隔距离较小的设备间的通信，所以d2d通信的成功与否依赖于设备间轨迹的重合概率，以及它们通信的频繁程度。总结来说，d2d通信的性能与设备的行动习惯息息相关。把社交网络与d2d网络相结合是符合逻辑的，并且已成为了d2d研究中的热点。目前基于社交网络的d2d技术研究方兴未艾，是提升d2d性能的新路径。
35.d2d通信是设备间的直连通信，本质是终端设备间的合作通信，在分析设备合作问题时，参与者们形成了博弈的有限集，他们对某种资源或者代价互相博弈，博弈的最终结果决定是否建立合作，合作的前提条件是比单独行动能够获得更多的收益。博弈论常常与社交网络一起被应用在d2d通信研究中。
36.d2d通信的最终目的是在一定距离范围内的用户不通过基站上下行转发而复用蜂窝资源建立直接通信链接，因此，如何实现有效的d2d通信是研究的重点内容。
37.基于此，本技术实施例提供了一种终端直连d2d通信方法，所述方法包括：中继节点接收源节点发送的第一发射功率，中继节点根据自身的第二发射功率和第一发射功率计算得到合作增益值，判断合作增益值是否大于0，若合作增益值大于0，则中继节点向源节点返回同意合作的第一消息，也就是说，合作增益值大于0，表明中继节点作为通信数据的转发节点具有收益，能够满足自身节点的收益需求，则可以作为源节点的转发节点，后续源节点根据第一消息向中继节点发送通信数据，中继节点接收通信数据并转发给目的节点。由此可见，本技术实施例通过源节点的第一发射功率和中继节点自身的第二发射功率计算得到合作增益值，合作增益值大小决定中继节点是否同意合作，是否同意作为源节点的通信数据的转发节点，利用该方法可以简单有效的实现判断终端直连d2d通信的条件，能够实现有效的d2d通信。
38.参见图1，该图为本技术实施例提供的一种终端直连d2d通信方法的流程图。
39.本技术实施例提供的终端直连d2d通信方法利用博弈论进行分析。参考图2所示，为本技术实施例提供的一种通信网络模型示意图，采用简化的网络模型来分析源节点与中继节点之间的合作与竞争。网络中所有节点都处于蜂窝网络(cellular system)中，节点间可以通过d2d通信。图2中，节点a是需要中继的源节点，节点b是可以提供中继服务的中继节点。为了使得节点b成为中继节点的意愿长久的存在着，需要对中继节点付出一定的补偿。对于节点a来说，为了完成通信传输而付出的代价越小越好，对于节点b来说，损失自身的能
量资源帮助节点a进行通信传输，希望得到的补偿越多越好，付出与收益需要达到一个平衡。
40.在用博弈论分析时，需要利用一个效用函数，用于衡量不同的策略对收益的影响。对于移动通信设备，能量的使用效率是重点关注的问题，本技术实施例采用用社交信任优化后的能效比函数作为效用函数来评估用户的收益。能效比函数可以利用以下公式进行表示：
[0041][0042]
此式的单位bit/j，即每耗费单位焦耳能量能正确传输到目的节点的比特数。其中，pi是发射功率，γi为接收信噪比，m是发送的数据包的比特数，l为信息比特，r是用户发射速率，f(γi)m是效用函数，表达式为：
[0043]
f(γi)m＝(1-2ber(γi))m[0044]
f(γi)m是在传统的帧传输成功率q(γi)＝(1-ber(γi))m上修改的，当pi→
0时，ui(pi，γi)
→
∞，代表源节点不发送数据，由目的节点随意猜测时效用函数值最大，但是不符合逻辑。修改之后当发射功率为零或者无穷大的时候，用户的能效比值为零，即pi→
∞或者pi→
0时，ui(pi，γi)
→
0。其中ber(γi)为误比特率，假设发送信号的时候采用非相干频移键控在高斯信道中调制发送，那么
[0045][0046]
则修改后的能效比函数为：
[0047][0048]
分析上式，当信噪比γi→
0的时候，ui(pi，γi)
→
0，即当信噪比很低的时候，传输成功率也极低；当γi增大的时候，ui(pi，γi)
→
∞，即信噪比越大，接收端接收到的信号正确率越高，传输成功率越高，并逐渐接近一个稳定值。这证明了能效比函数能较好的评估通信质量。
[0049]
在无线通信系统中，经常通过增加发射功率的方式来增大接收端的信噪比，以便于得到更好的系统性能。但是不论是蜂窝网络还是d2d通信网络中，发射功率过大都会造成干扰以及浪费能源。采用能效比函数作为效用函数，已经在一定的程度上对功率有了限制，为了更好的约束用户，合理的设置功率大小，降低不必要的干扰，在效用函数中加入使用功率的代价函数。设计代价函数的时候，要注意代价函数的单调性与功率应该一致，使该函数随着功率增大而变大，效用函数值减小，根据此，定义该代价函数为：
[0050]ci
＝αpi[0051]
其中，γ是代价因子，由此得到的基于代价函数的效用函数为：
[0052]u′i(pi，γi)＝ui(pi，γi)-αpi[0053]
其中，γ可以为常数。
[0054]
节点a要激励节点b参与合作，则需要对节点b给予一定的补偿，设补偿因子β为每单位数据支付的价格，那么可以得到节点a的效用函数为：
[0055]u″1(p1)＝u1(p1，γ1)-αp
1-βu1(p1，γ1)p1[0056]
同理可得节点b的效用函数为：
[0057]u″2(p2)＝u2(p2，γ2)-αp2+βu1(p1，γ1)p1[0058]
以上得到的效用函数只考虑的物理层的约束，社交关系也会影响节点a和节点b的博弈，将社交信任st
ij
引入效用函数中。社交关系的亲疏会影响用户合作的意愿，社交关系紧密，中继节点不需要那么多补偿也能保持较高的合作意愿，社交信任取值范围为[0，1]。用社交关系优化后节点a的效用函数为：
[0059][0060]
同理可得节点b的效用函数为：
[0061][0062]
对社交信任影响参数δ的定义为：
[0063][0064]
该定义的依据与社交关系的统计特性相关。st
ij
＝0表示陌生人，只要相互有过联系，0＜st
ij
＜1，从陌生人到有过一点联络的信任度跨度很大，比后面关系深厚时明显。所以当st
ij
逐渐增大时，函数值减小速度先快后慢。
[0065]
合作博弈按照合作规则与优化目标函数来分类，可以分为纳什谈判博弈与k-s谈判博弈，本技术实施例采用的是纳什谈判博弈方法，采用的是简化的网络模型，博弈参与者只有两个，即源节点(节点a)与中继节点(节点b)。按照博弈论的几要素来描述：
[0066]
(1)节点a与节点b为博弈参与者；
[0067]
(2)参与者k的策略集合为pk∈[0，p
max
]，pk为发射功率；
[0068]
(3)当参与者k选择发射功率为pk时的收益函数为
[0069]
对合作博弈中的纳什谈判问题做如下定义：
[0070]
i∈k，k表示博弈参与人数，第i个参与者的最小期望支付为令为非空的闭凸子集，表示博弈参与者所有的可行解的收益集合，如果有存在，且ui为非空的闭凸子集，令那么可以将称为k人谈判问题。
[0071]
当各方出价没能达成一致的时候，谈判破裂，各方将不参与合作，这个临界点称为失望点，失望点的支付为最小期望支付。如果谈判成功，那么这些解组成可行解集s，以帕累托最优为准则来选取谈判解。一个k人谈判问题中可能存在不止一个甚至无限多个帕累托最优点，为了得到最优解，增加了几条额外的准则，称之为公平性公理，定义如下：
[0072]
如果满足以下几条公理，则称s为集合的一个纳什谈判解：
[0073]
(1)无关选择的独立性：如果那么有
[0074]
(2)线性变换的独立性：对于线性变换ξ，有
[0075]
(3)帕累托最优：不存在组合(s1，s2)∈s，令
[0076]
(4)对称性：令u不变，任意交换参与者在集合中的顺序，有
[0077]
当k人参与的谈判问题的某个唯一解满足上述所有的公理，并且满足：
[0078][0079][0080]
那么这个解就是纳什谈判解，也称为纳什乘积，具有唯一性。它表示选择这个策略时，k个参与人获得的收益增益的乘积最大。
[0081]
接下来将对本技术实施例提出的合作激励问题属于纳什谈判问题进行证明。
[0082]
博弈参与者的可行收益分配集合为(即两个节点的可行收益分配集合)
[0083][0084]
要证明该问题属于纳什谈判问题，只要证明且为闭凸子集。显然可得s闭合，只需证明s为凸子集。令0≤ε≤1，合，只需证明s为凸子集。令0≤ε≤1，
[0085][0086]
观察上式，只要证明(1-δ)β为凸子集，又因为δ，β为常数，且整个欧氏空间ψn为凸子集，可得(1-δ)β为凸子集。由此可以得到δ)β为凸子集。由此可以得到同理可证最后得到εua+(1-ε)ub∈s。到此，证明了合作激励问题属于纳什谈判问题。
[0087]
最终得到纳什谈判的解为：
[0088][0089]
式中u1(p1)与u2(p2)为失望点的收益，即最小期望支付，可以表示为：
[0090][0091][0092]
因为合作破裂，节点a不必支付补偿给节点b。用合作收益减去最小期望支付就得到了合作收益增益：
[0093][0094]
[0095]
得到纳什乘积为：
[0096][0097]
也就是说，合作收益增益值与节点a和节点b的发射功率相关。因此本实施例提供的终端直连d2d通信方法包括如下步骤：
[0098]
s101，中继节点接收源节点发送的第一发射功率。
[0099]
在本技术的实施例中，参考图2所示，源节点可以为a节点，中继节点为b节点，目的节点可以为c节点或d节点。
[0100]
中继节点接收源节点发送的第一发射功率，即节点b接收节点a发送的第一发射功率p1。相应地，节点a也可以接收节点b发送的第二发射功率p2，。也就是说，节点a和节点b能够得知对方的发射功率，以便后续计算合作收益增益。
[0101]
s102，所述中继节点根据自身的第二发射功率和所述第一发射功率计算得到合作增益值。
[0102]
在本技术的实施例中，在中继节点接收到源节点发送的第一发射功率p1之后，可以根据自身的第二发射功率p2和所述第一发射功率计算得到合作增益值，即根据纳什乘积：
[0103][0104]
得到合作收益增益值。
[0105]
在节点a与节点b的发射功率p1和p2是预先给定情况下，式中的变量为(1-δ)β，δ为社交信任值，对于给定的两个节点来说是个常数，那么唯一的未知数为β，即补偿系数。设则求极大值，令：
[0106][0107]
可求得最优补偿系数：
[0108][0109]
s103，判断所述合作增益值是否大于0，若所述合作增益值大于0，则所述中继节点向所述源节点返回同意合作的第一消息。
[0110]
在本技术的实施例中，在利用纳什乘积的公式得到合作增益值之后，判断合作增益值是否大于0，若合作增益值大于0，即合作收益大于最小期待增益，，说明合作比不合作时节点b收益更大，则中继节点向源节点返回同意合作的第一消息，以便后续源节点同意合作之后根据第一消息向中继节点发送通信数据。
[0111]
s104，所述中继节点接收所述通信数据并转发给目的节点。
[0112]
在本技术的实施例中，在中继节点判断合作增益值大于0之后，可以接收源节点发送的通信数据，并转发给目的节点。
[0113]
在本技术的实施例中，在源节点向中继节点发送通信数据之前，源节点还可以判断自身的合作增益值是否大于0，若大于0，源节点的合作损失较小，可以和中继节点合作，也就是说，当中继节点和源节点的合作增益值都大于0时，合作的整体增益较大，可以进行合作。
[0114]
也就是说，结合纳什乘积公式可知，合作增益值中包括两个部分：源端增益值和中继增益值，源端增益值根据第一发射功率p1计算得到，中继增益值根据第二发射功率p2计算得到，只有源端增益值和中继增益值都大于0，才能促成源节点和中继节点的合作。
[0115]
在本技术的实施例中，根据纳什乘积公式可以看出，合作增益值是随着发送功率的大小进行改变，具体的，第一发射功率p1和第二发射功率p2与合作增益值负相关。
[0116]
在实际应用中，若中继节点判断合作增益值小于0，即合作收益小于最小期待增益，说明不合作比合作时节点b收益更大，则中继节点向源节点返回不同意合作的第二消息。
[0117]
在本技术的实施例中，为了促成合作，在源节点利用第一发射功率合作不成功之后，向中继节点发送第三发射功率，第三发射功率小于第一发射功率，而后中继节点根据第二发射功率和第三发射功率继续计算合作增益值，继续判断合作增益值是否大于0的步骤。
[0118]
在本技术的实施例中，根据纳什乘积公式可以看出，合作增益值还根据源节点和中继节点的社交信任值δ确定。
[0119]
由此可见，本技术实施例提出结合社交关系与博弈论，对d2d通信中节点互相协助时存在的“自私”性问题提出了解决方案。基于简单的中继传输模型，提出了考虑社交关系的评估源节点和中继节点收益的效用函数，论证了提出的合作补偿问题属于纳什谈判问题，并通过纳什谈判理论得到了令合作效用函数值增益最大的方法，该方法使得源节点与中继节点都能得到满意的收益，促进了通信网络中的合作行为。
[0120]
本技术实施例提供了一种终端直连d2d通信方法，所述方法包括：中继节点接收源节点发送的第一发射功率，中继节点根据自身的第二发射功率和第一发射功率计算得到合作增益值，判断合作增益值是否大于0，若合作增益值大于0，则中继节点向源节点返回同意合作的第一消息，也就是说，合作增益值大于0，表明中继节点作为通信数据的转发节点具有收益，能够满足自身节点的收益需求，则可以作为源节点的转发节点，后续源节点根据第一消息向中继节点发送通信数据，中继节点接收通信数据并转发给目的节点。由此可见，本技术实施例通过源节点的第一发射功率和中继节点自身的第二发射功率计算得到合作增益值，合作增益值大小决定中继节点是否同意合作，是否同意作为源节点的通信数据的转发节点，利用该方法可以简单有效的实现判断终端直连d2d通信的条件，能够实现有效的d2d通信。
[0121]
基于以上实施例提供的一种终端直连d2d通信方法，本技术实施例还提供了一种终端直连d2d通信系统，下面结合附图来详细说明其工作原理。
[0122]
参见图3，该图为本技术实施例提供的一种终端直连d2d通信系统的结构框图。
[0123]
本实施例提供的终端直连d2d通信系统300包括：
[0124]
中继节点310、源节点320和目的节点330；
[0125]
所述中继节点，用于接收源节点发送的第一发射功率，根据自身的第二发射功率和所述第一发射功率计算得到合作增益值，判断所述合作增益值是否大于0，若所述合作增益值大于0，则向所述源节点返回同意合作的第一消息；
[0126]
所述源节点，用于根据所述第一消息向所述中继节点发送通信数据；
[0127]
所述中继节点，还用于接收所述通信数据并转发给所述目的节点。
[0128]
可选地，若所述合作增益值小于0，则所述中继节点，还用于向所述源节点返回不同意合作的第二消息。
[0129]
可选地，所述第一发射功率和所述第二发射功率与所述合作增益值负相关。
[0130]
可选地，所述中继节点还用于接收源节点发送的第三发射功率，根据所述第二发射功率和所述第三发射功率继续计算合作增益值，所述第三发射功率小于所述第一发射功率。
[0131]
可选地，所述合作增益值还根据所述源节点和所述中继节点的社交信任值确定。
[0132]
当介绍本技术的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“这个”和“所述”都意图表示有一个或多个元件。词语“包括”、“包含”和“具有”都是包括性的并意味着除了列出的元件之外，还可以有其它元件。
[0133]
需要说明的是，本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施例中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory,rom)或随机存储记忆体(random access memory,ram)等。
[0134]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元及模块可以是或者也可以不是物理上分开的。另外，还可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元和模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0135]
以上所述仅是本技术的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。