CN102595314B - 基于位置信息的d2d分簇多播方法 - Google Patents

Abstract

一种蜂窝网络中基于位置信息的D2D分簇多播方法，其操作步骤是：终端将其所在地理位置、传输距离及其剩余能量信息都上传给基站；基站根据获得的D2D区域中的所有终端信息，使用基于地理位置的分簇方法对其进行分簇后，给全部终端下发分簇信息；所有终端收到分簇信息后，采用多播传输模式实现两跳传输，保证区域中的所有终端都能可靠接收到源终端数据。该方法结合了网络分层拓扑和多播传输技术，计算复杂度低，实现简便：既非常有利于蜂窝网中D2D通信的实现，还大大提高了终端数较多场景下的D2D通信功效，并在一定程度上节省终端的传输能量消耗，提高能量利用率，延长D2D通信中的终端运行时间。本发明方法具有很好的推广应用前景。

Description

基于位置信息的D2D分簇多播方法

技术领域

本发明涉及一种用于蜂窝网络中基于地理位置信息的终端到终端D2D（Device-to-Device）通信***的分簇多播方法，属于移动通信技术领域。

背景技术

如今，第三代移动通信技术已经投入商用，第三代合作伙伴计划3GPP（The3rd Generation Partnership Project）关于长期演进LTE（Long TermEvolution）和LTE后续演进LTE-A（LTE-Advanced）的研究工作获得了越来越多的投入和关注，D2D（Device-to-Device）通信也应运而生。

D2D通信是一种在蜂窝***的控制下，各个终端之间通过复用小区频率资源直接通信的新型技术，蜂窝网络中的D2D通信能够增加蜂窝通信***的频谱效率，降低终端发射功率，提高通信效率，在一定程度上解决无线通信***的频谱资源匮乏问题。并且，终端之间的通信不需占用基站或核心网的资源，既降低了蜂窝小区基站和核心网的负载，还减少电池消耗，在一定程度上提高了蜂窝网络的服务质量QoS（Quality of Service）。

在某些应用场景下，如剧院、电影院等移动终端数目较多时，D2D可以显著降低基站负载并提高蜂窝***的频谱效率，但是，如果使用传统的两两终端结合的传输方式会使终端间的干扰问题非常突出，并且传输效率较低。因此为了解决终端数目较多时的D2D通信问题，人们提出了使用多播传输方式实现D2D通信。并且，为了提高传输效率，使距离数据源较远的终端也能够很好地接收数据，人们研制出对终端进行分簇的方法提高数据传输效率和质量。

现有的经典分簇方法包括基于链路、基于最小节点标识ID（Identity）和基于最大连接度的三种分簇方法。前两种分簇方法的计算简单、实现容易，收敛也较快，但是，其簇头数目过多，并且在多播网络这种能量有限的网络中使用时缺乏公平性，不利于D2D的通信。第三种分簇方法虽然降低了簇头数目，但是，其没有考虑簇头负载，使得簇头终端很容易因耗电过多而死亡。因此现在非常需要结合D2D通信特点，寻找一种适合用于D2D通信***中结合多播传输使用的分簇方法。网络模型图如图1所示。圈内的为D2D通信区域，S为有数据要发送的源终端。

参见图1，介绍本发明应用的网络场景模型架构：所有终端都随机分布在某个D2D区域（即图中的圆圈）内，因该范围内的所有终端都采用D2D通信，故所有终端位置都是确定的，且可通过全球定位***GPS（Global PositioningSystem）或其他定位技术确知。其中有数据要发送的终端为源终端S，区域内的其它终端需要从源终端S获得数据。各终端之间均已由基站完成了D2D通信的确认等过程，各终端之间的链路工作可靠，且保持双向连通。D2D区域所使用的时频资源是由基站分配的，为了避免D2D内的终端与其他终端的干扰，基站给D2D区域分配独立的时频资源，各个终端采用正交复用方式进行通信，有效避免了各终端之间的干扰。D2D区域中的终端位置采用坐标（x,y）表示，这样就可以利用下述公式计算任意两个终端之间的距离

式中，自然数i和j是两个终端的不同序号。所有终端都能够根据其传输距离的远近自动调整其发送功率。

在网络终端数目较多时，由于传统两两结合的D2D通信方式的传输效率较低，并占用了大量的时频资源，因此如何在满足多播发送数据的条件下，适应D2D通信的发展需求，即提出一种能够适应终端数目较多场景、既提高D2D通信效率，并能节省终端的消耗能量而延长其运行时间的新的分簇多播传输方法就成为业内科技人员关注的新课题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种蜂窝网络中基于位置信息的D2D通信***的分簇多播方法，本发明方法特别适用于有较多终端需要进行D2D通信时，其将各个终端进行分簇而形成分层拓扑结构，实现两跳传输，以提高终端间数据传输速率，并保证距离离源终端S较远的终端也能够可靠地接收数据，并且能够有效节省终端的能量消耗，从而延长D2D通信时间。

为了达到上述目的，本发明提供了一种蜂窝网络中基于地理位置信息的终端到终端D2D（Device-to-Device）分簇多播传输方法，其特征在于：所述方法包括下列操作步骤：

（1）终端给基站上传信息：位于D2D区域中的所有终端与基站交互信令，包括源终端的每个终端将其所在地理位置、传输距离和各自剩余能量信息都上传给基站；

（2）基站执行分簇操作：基站根据获得的D2D区域中的所有终端信息，使用基于地理位置的分簇方法对这些终端进行分簇操作；该步骤包括下列操作内容：

（21）初始化网络阶段：基站根据源终端S所在地理位置和传输距离信息将D2D区域划分为三个区域：先以源终端S为圆心和以其数据直传距离为半径的圆划分为区域1；再在以源终端S为圆心和以其广播距离为半径的圆中删除区域1的圆后所形成的圆环划分为区域2；最后将该D2D区域中删除区域1和区域2所剩余的部分划分为区域3；

（22）簇头选择阶段：因区域1内的所有终端与源终端S的距离很近，处于源终端的直传距离内，故其作为源终端S的簇内终端而都不参与簇头的选择；因区域3内的所有终端与源终端S的距离较远，超出源终端S的广播范围，故其只能作为簇内终端，不能成为直接从源终端S获得数据的簇头，也都不参与簇头的选择；因此，基站只能从区域2中的终端选择簇头：即对区域2中的每个终端计算竞争值，以便选择竞争值最大的终端作为簇头终端；

（23）成簇阶段：建立簇并在D2D区域形成分层拓扑，即在完成簇头选择后，先以第一个簇头与其广播范围内的所有终端建成第一个新簇，此时已经成为簇头或簇内终端的各个终端就不再参与后续分簇过程；然后重新从区域2中的剩余终端中选择第二个簇头、即返回执行步骤（22）选出新的簇头后，再执行步骤（23）建成第二个新簇：如此循环操作，每次经过一轮的簇头选择，都选取其中竞争值最大的终端作为簇头，并形成一个新簇，直到区域2中的所有终端都成为簇头或簇内终端后，结束成簇阶段操作；

（3）基站给终端下发分簇信息：基站完成分簇操作后，给D2D区域中的全部终端下发分簇信息；

（4）完成数据传送：所有终端接收到分簇信息后，开始传送数据：先由源终端S将数据多播传送到簇头终端，然后簇头终端将该数据广播到簇内各终端，保证D2D区域中的所有终端都能可靠接收到源终端数据。

本发明基于位置的分簇多播方法是基于终端的地理位置信息，结合各个终端其他相关信息计算其簇头竞争值而选择簇头和进行分簇，然后实现两跳多播传输，其计算复杂度低，实现简便。本发明方法的优点和创造性在于：

该方法结合了网络分层拓扑和多播传输模式：先采用本发明分簇方法构造分层的拓扑结构，再采用多播传输模式而实现两跳传输，因此其既非常有利于蜂窝网中D2D通信的实现，又大大提高了终端数目较多场景下的D2D通信功效，使得距离源终端较远的终端也能够正常接收数据，拓宽了D2D应用范围；并在一定程度上节省终端的传输能量消耗，提高能量利用率，延长D2D通信中的终端运行时间。因此本发明方法具有很好的推广应用前景。

事实上，本发明方法能够应用于多种实际***，例如：D2D区域可以是一个影院或剧院，源终端S向影剧院中的其他终端提供电影或戏剧的相关信息，如演员表、剧情概要介绍与评价等；也可能是演唱会现场，源终端S向现场观众提供该演唱会的主唱与嘉宾的相关信息。或者是在某些场景下，源终端S通过其摄像头等装置采集到的声音、图像或视频等多媒体数据，通过D2D通信与其他终端进行共享。

附图说明

图1是本发明方法应用的网络场景模型示意图。

图2是本发明基于地理位置的分簇多播传输方法场景拓扑结构示意图。

图3是本发明基于地理位置的分簇多播传输方法操作步骤流程图。

图4是本发明方法中的簇头选择阶段流程图。

图5是基于最小ID的分簇、基于最大连接度的分簇和本发明基于地理位置的分簇多播传输方法的三种实施例中的簇头分布示意图。

图6是基于最小ID的分簇、基于最大连接度的分簇和本发明基于地理位置的分簇多播传输方法的三种实施例中的簇头平均数量的示意图。

图7是基于最小ID的分簇、基于最大连接度的分簇和本发明基于地理位置的分簇多播传输方法的三种实施例中的网络中死亡终端数的曲线示意图。

图8是基于最小ID的分簇、基于最大连接度的分簇和本发明基于地理位置的分簇多播传输方法的三种实施例中的网络平均剩余能量曲线示意图。

图9是基于最小ID的分簇、基于最大连接度的分簇和本发明基于地理位置的分簇多播传输方法的三种实施例中的网络平均运行轮数曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图2和图3，介绍本发明蜂窝网络中基于位置信息的终端到终端D2D通信***分簇多播方法的具体操作步骤：

步骤1，终端给基站上传信息：位于D2D区域中的所有终端与基站交互信令，包括源终端的每个终端将其所在地理位置、传输距离和各自剩余能量信息都上传给基站。所述传输距离包括源终端的直传距离（用于划分区域）和每个终端的广播传输距离（用于分簇和成簇）。

步骤2，基站根据获得的D2D区域中的所有终端信息，使用基于地理位置的分簇方法对这些终端进行分簇操作。该步骤包括下列操作内容：

（21）初始化网络阶段：基站根据源终端S所在地理位置和传输距离信息将D2D区域划分为三个区域：先以源终端S为圆心和以其数据直传距离为半径的圆划分为区域1；再在以源终端S为圆心和以其广播距离为半径的圆中删除区域1的圆后所形成的圆环划分为区域2；最后将该D2D区域中删除区域1和区域2所剩余的部分划分为区域3。

（22）簇头选择阶段：因区域1内的所有终端与源终端S的距离很近，处于源终端的直传距离内，故其作为源终端S的簇内终端而都不参与簇头的选择；因区域3内的所有终端与源终端S的距离较远，超出源终端S的广播范围，故其只能作为簇内终端，不能成为直接从源终端S获得数据的簇头，也都不参与簇头的选择；因此，基站只能从区域2中的终端选择簇头H：即对区域2中的每个终端计算竞争值，以便选择竞争值最大的终端作为簇头终端H。

该步骤包括下列操作内容（参见图4所示）：

（22a）基站根据每个终端所在地理位置判断该终端所属区域，即该终端是否位于区域2；若是，则顺序执行步骤（22b），否则，该终端不能竟争成为簇头，跳转执行步骤（22c）。

（22b）基站计算该终端的簇头竞争值，并判断该终端的簇头竞争值是否在本轮竞争中属于最大值，若是，则将该终端选为簇头H，并结束该选择簇头流程；否则，顺序执行步骤（22c）。

（22c）该终端参与下轮簇头竞争，即返回执行步骤（22a）。

该步骤中，簇头竞争值的计算方法可以任选下述三种之一：

第一种是最大连接度准则：基站计算每个终端在其自身广播范围内的其他终端数D_n，即该终端的连接度D_n或簇头竞争值C，且C=D_n，式中，自然数n是终端序号；最大连接度准则是选择连接度最大值的终端作为簇头终端；

第二种是最大剩余能量准则：基站根据每个终端的剩余能量值E_n，计算其簇头竞争值C，且C=E_n；最大剩余能量准则是选择剩余能量最大值的终端作为簇头终端；

第三种是连接度和剩余能量混合准则：基站计算每个终端的连接度D_n后，再综合该终端的连接度D_n及其剩余能量E_n计算其簇头竞争值C=p×D_n+q×E_n；其中，p和q分别为连接度和剩余能量的权重，其默认值都为0.5；因此，连接度和剩余能量混合准则是综合考虑连接度和剩余能量来选择簇头：连接度和/或剩余能量数值越大，该终端的簇头竞争值越大。

（23）成簇阶段：建立簇并在D2D区域形成分层拓扑，即在完成簇头选择后，先以第一个簇头与其广播范围内的所有终端建成第一个新簇，此时已经成为簇头或簇内终端的各个终端就不再参与后续分簇过程；然后从区域2中的剩余终端中开始选择第二个簇头、即返回执行步骤（22）选出新的簇头后，再执行步骤（23）建成第二个新簇：如此循环操作，每次经过一轮的簇头选择，都选取其中竞争值最大的终端作为簇头，并形成一个新簇，直到区域2中的所有终端都成为簇头或簇内终端后，结束成簇阶段操作。该步骤包括下列操作内容：

（23a）基站确定首个簇头终端的广播范围，再以首个簇头终端的地理位置确定其广播范围内的所有终端，并将这些终端全部作为其簇内终端；

（23b）基站将上述首个簇头终端与其簇内终端构成首簇；然后，将所有剩余终端都参与执行后续操作步骤（23c）；

（23c）在完成新的簇头选择后，以该新簇头广播范围内的所有剩余终端成为该新簇头的簇内终端而构成新簇；

（23d）将区域2和区域3中的所有未成为簇头或簇内终端的剩余终端都返回参与后续分簇操作，即返回执行步骤（23c），直到区域2和区域3中的所有终端都成为簇头或簇内终端时，结束该成簇操作流程。

步骤3，基站给终端下发分簇信息：基站完成分簇操作后，给D2D区域中的全部终端下发分簇信息；

步骤4，完成数据传送：所有终端接收到分簇信息后，开始传送数据：先由源终端S将数据多播传送到簇头终端，然后簇头终端将该数据广播到簇内各终端，保证D2D区域中的所有终端都能可靠接收到源终端数据。

本发明已经进行了多次实施试验，下面简要说明本发明方法进行仿真实施试验的相关数据，以及其与其他传统方法进行性能比较的结果：

实施例中的源终端S发送的数据包长度L为4000bit。在传输距离小于d0时，采用自由空间信道模型下的功率放大器的功耗ε_fs为10pJ/b/m²。当传输距离大于或等于d₀时，则采用多径衰落信道模型下的功率放大器功耗ε_mp为0.0013pJ/b/m⁴。网络中的终端对1bit的数据进行网络融合时需要消耗的能量E_DA为5nJ/bit。发送或接收1bit数据时的电路功耗E_elec为50nJ/bit。源终端发送数据的最大循环次数为4000次。

参见图5，介绍终端数为50时，分别采用基于最小ID、基于最大连接度或本发明基于地理位置的三种分簇多播传输方法的簇头分布示意图。由图5中可以看出：基于最小ID的分簇的簇头数量最多（7个），基于最大连接度的分簇的簇头数量最少（只有3个），本发明基于地理位置的分簇的簇头数量比较适中（4个），并且簇头分布比较均匀，这是因为基于地理位置的分簇是根据网络终端的地理位置信息来选择簇头，能使簇头较均匀地分布于整个网络范围中。

参见图6，介绍当网络节点个数不同时，分别采用基于最小ID、基于最大连接度或本发明基于地理位置的三种分簇多播传输方法的簇头平均数的比较曲线。随着网络中终端数量的增多，簇头数量也随之增加。由图6中可见，基于最小ID的分簇的簇头数最多，并且随网络终端数的增长也是最快，而基于最大连接度的分簇的簇头数最少，随网络终端个数的增长也最慢。本发明基于地理位置的分簇的簇头数在两者之间，数量既不太多，也不太少。

仿真实施试验后的结果与其以前的分析结果保持一致。由于本发明将网络分为三个区域后再进行分簇，使得簇头数量明显少于基于最小ID的分簇，并且还不至于过少，因此，它的簇头数量比较适中。

参见图7，说明当网络内的终端数为100时，网络中的死亡终端数量随着D2D通信的循环运行次数的变化曲线。由图7中可见，在相同的循环运行次数下，本发明基于地理位置的分簇多播方法的死亡终端数量要少于其他两种方法。这是因为基于地理位置的分簇多播方法使用多播技术传输数据，减少了簇头的能量消耗，使簇头拥有更长的生存时间，所以网络内的死亡终端数明显地少于其他两种方法。

参见图8，说明当终端数为100时，上述三种方法的网络平均剩余能量与D2D通信循环运行次数之间的关系。当D2D通信没有停止时，在循环运行了相同次数后，基于地理位置的分簇多播方法的剩余能量最多，其他两种方法的剩余能量较少。这是因为基于地理位置的分簇多播方法将网络分为三个区域，使得簇头只能出现在区域2内，并且使用多播传输技术传输数据，降低了簇头发送数据的能量负担，因此网络负载比较均衡，消耗能量少，剩余能量较多。

参见图9，说明在网络终端数不同时，上述三种方法的D2D通信平均循环运行次数的仿真曲线示意图。由图9中可看出，网络中的终端数从20到400变化时，网络中循环运行次数的变化不是很大，这是因为网络中的业务数据采用多播技术来发送，在剩余的初始能量不变的情况下，网络的循环运行次数与终端数的关系并不大。由图9中还可以看出，本发明基于地理位置的分簇多播方法的网络运行时间最长，其他两种方法的网络运行时间都较短。这是因为基于地理位置的分簇多播方法利用终端地理位置信息进行分簇，使得簇头数量适中，并且簇内终端的数量也不会很多，这样簇头终端的存活时间就延长了，从而延长了网络运行时间，所以基于地理位置的多播分簇网络的运行时间最长。

总之，本发明方法的实施试验是成功的，实现了发明目的。

Claims (5)

1.一种蜂窝网络中基于位置信息的终端到终端D2D通信***的分簇多播传输方法，其特征在于：所述方法包括下列操作步骤：

（1）终端给基站上传信息：位于D2D区域中的所有终端与基站交互信令，包括源终端的每个终端将其所在地理位置、传输距离和各自剩余能量信息都上传给基站；

（2）基站执行分簇操作：基站根据获得的D2D区域中的所有终端信息，使用基于地理位置的分簇方法对这些终端进行分簇操作；该步骤包括下列操作内容：

（21）初始化网络阶段：基站根据源终端S所在地理位置和传输距离信息将D2D区域划分为三个区域：先以源终端S为圆心和以其数据直传距离为半径的圆划分为区域1；再在以源终端S为圆心和以其广播距离为半径的圆中删除区域1的圆后所形成的圆环划分为区域2；最后将该D2D区域中删除区域1和区域2所剩余的部分划分为区域3；

（22）簇头选择阶段：因区域1内的所有终端与源终端S的距离很近，处于源终端的直传距离内，故其作为源终端S的簇内终端而都不参与簇头的选择；因区域3内的所有终端与源终端S的距离较远，超出源终端S的广播范围，故其只能作为簇内终端，不能成为直接从源终端S获得数据的簇头，也都不参与簇头的选择；因此，基站只能从区域2中的终端选择簇头：即对区域2中的每个终端计算竞争值，以便选择竞争值最大的终端作为簇头终端；

（23）成簇阶段：建立簇并在D2D区域形成分层拓扑，即在完成簇头选择后，先以第一个簇头与其广播范围内的所有终端建成第一个新簇，此时已经成为簇头或簇内终端的各个终端就不再参与后续分簇过程；然后重新从区域2中的剩余终端中选择第二个簇头、即返回执行步骤（22）选出新的簇头后，再执行步骤（23）建成第二个新簇：如此循环操作，每次经过一轮的簇头选择，都选取其中竞争值最大的终端作为簇头，并形成一个新簇，直到区域2中的所有终端都成为簇头或簇内终端后，结束成簇阶段操作；

（3）基站给终端下发分簇信息：基站完成分簇操作后，给D2D区域中的全部终端下发分簇信息；

（4）完成数据传送：所有终端接收到分簇信息后，开始传送数据：先由源终端S将数据多播传送到簇头终端，然后簇头终端将该数据广播到簇内各终端，保证D2D区域中的所有终端都能可靠接收到源终端数据。

2.根据权利要求1所述的分簇多播传输方法，其特征在于：所述传输距离包括源终端的直传距离和每个终端的广播传输距离；源终端的直传输距离用于划分区域，其余终端的广播传输距离用于分簇和成簇。

3.根据权利要求1所述的分簇多播传输方法，其特征在于：所述步骤（22）计算竞争值的方法有下述三种：

第一种是最大连接度准则：基站计算每个终端在其自身广播范围内的其他终端的数量D_n，即该终端的连接度D_n或簇头竞争值C，且C=D_n，式中，自然数n是终端序号；最大连接度准则是选择连接度最大值的终端作为簇头终端；

第二种是最大剩余能量准则：基站根据每个终端的剩余能量值E_n，计算其簇头竞争值C，且C=E_n；最大剩余能量准则是选择剩余能量最大值的终端作为簇头终端；

第三种是连接度和剩余能量混合准则：基站计算每个终端的连接度D_n后，再综合该终端的连接度D_n及其剩余能量E_n计算其簇头竞争值C=p×D_n+q×E_n；其中，p和q分别为连接度和剩余能量的权重，其默认值都为0.5；因此，连接度和剩余能量混合准则是综合考虑连接度和剩余能量来选择簇头：连接度和/或剩余能量数值越大，该终端的簇头竞争值越大。

4.根据权利要求1或3所述的分簇多播传输方法，其特征在于：所述步骤（22）包括下列操作内容：

（22a）基站根据每个终端所在地理位置判断该终端所属区域，即该终端是否位于区域2；若是，则顺序执行步骤（22b），否则，该终端不能竟争成为簇头，跳转执行步骤（22c）

（22b）基站计算该终端的簇头竞争值，并判断该终端的簇头竞争值是否在本轮竞争中属于最大值，若是，则将该终端选为簇头并结束该选择簇头流程；否则，顺序执行步骤（22c）

（22c）该终端参与下轮簇头竞争，即返回执行步骤（22a）。

5.根据权利要求1所述的分簇多播传输方法，其特征在于：所述步骤（23）包括下列操作内容：

（23a）基站确定首个簇头终端的广播范围，再以首个簇头终端的地理位置确定其广播范围内的所有终端，并将这些终端全部作为其簇内终端；

（23b）基站将上述首个簇头终端与其簇内终端构成首簇；然后，将所有剩余终端都参与执行后续操作步骤（23c）；

（23c）在完成新的簇头选择后，以该新簇头广播范围内的所有剩余终端成为该新簇头的簇内终端而构成新簇；

（23d）将区域2和区域3中的所有未成为簇头或簇内终端的剩余终端都返回参与后续分簇操作，即返回执行步骤（23c），直到区域2和区域3中的所有终端都成为簇头或簇内终端时，结束该成簇操作流程。

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