CN105764022A - 一种基于蜂窝网络能量交易的d2d模式选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蜂窝网络能量交易的D2D模式选择方法，具体如下：获取DT的初始能量E₀、等待传输的数据量D₀、DT与基站的距离d、D2D链路之间的距离r、能量阈值E_th和距离阈值D_th；当初始能量大于能量阈值，通过D2D链路发送全部数据；否则判断d与距离阈值D_th的大小关系，当d大于等于距离阈值D_th时，由DT从BS收集能量，并利用此能量将全部数据发送给D2D接收机；否则，采用蜂窝模式进行通信，由DT使用初始能量向BS传输少量关键信息，BS根据接收到的关键信息从当前网络中查找拟传输的原始数据，然后将其转发给DR；测试表明与所有D2D用户均采用通过BS供电后进行D2D模式的策略相比，当传输相同数据量时，本发明所消耗的能量较小，具有提高能量效率，提升整个系统性能的有益效果。

Description

一种基于蜂窝网络能量交易的D2D模式选择方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种基于蜂窝网络能量交易的D2D模式选择方法。

背景技术

面对流量需求的增长和频谱资源的匮乏，节能减排、降低功耗的绿色通信作为新一代通信理念逐渐引起广泛关注。D2D(Device-to-Device，设备与设备)通信可以在近距离的通信设备之间实现低发射功率的直连通信，从而有效降低用户的能耗。与传统的蜂窝通信需要两跳来进行数据转发不同，D2D通信仅需要一跳来完成数据传递，因此可以实现良好的单跳增益，节约信道资源的同时，降低通信时延。

在包含D2D通信的蜂窝网络中，D2D用户既可以以D2D模式进行直连通信，也可以采用传统的蜂窝模式，通过基站来进行数据转发；若所有D2D用户均采用通过BS(BaseStation，基站)供电进行D2D模式的进行通信，则用户能耗较高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于蜂窝网络能量交易的D2D模式选择方法，其目的在于降低蜂窝网络中D2D通信的能耗。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于蜂窝网络能量交易的D2D模式选择方法，包括以下步骤：

(1)更新当前网络的基本信息，并根据当前网络信息获取DT(D2DTransmitter，D2D发射机)的初始能量E₀，待传输数据的数据量D₀和能量阈值E_th；

其中，能量阈值是指D2D发射机将全部待传输的数据通过直连链路送给D2D接收机所需要的最小能量；对应具体的通信场景，能量阈值根据拟传输的数据量以及可容忍的最大传输时延设定；

(2)由DT向DT所对应的BS和DR发送导频信号；BS根据接收到的导频信号的路径损耗获取BS与DT之间的距离d，DR(D2DReceiver，D2D接收机)根据接收到的导频信号的路径损耗获取DR与DT之间的直连链路距离r；

(3)判定DT的初始能量E₀是否大于等于能量阈值E_th；若是，则由DT将全部待传输数据直接发送给DR，否则，进入步骤(4)；

初始能量E₀大于等于能量阈值E_th，表明DT的初始能量足够将全部数据通过D2D直连链路传输给DR；通过D2D直连链路直接将待传输的数据发送给DR，不经过基站；不仅降低了基站的负载，而且有效地避免了蜂窝通信带来的两跳功率损耗，从而大幅度降低系统能量消耗；

初始能量E₀小于能量阈值E_th，表明DT初始能量不足，不能进行直连通信；

(4)DT根据上述直连链路距离r，获取进行通信模式切换的距离阈值D_th；

(5)判断BS与DT之间的距离d是否大于等于所述距离阈值D_th，若是，则由DT从BS收集能量，并由DT利用所述能量将全部待传输的数据发送给DR；

若否，则采用蜂窝模式进行通信，由DT使用初始能量向BS传输关键信息，BS根据接收到的关键信息从当前网络中获取待传输的数据，并由BS将待传输的数据转发给DR；

d≥D_th，表明BS与DT之间的距离d远大于DR与DT之间的距离r，表明BS与DT之间的距离和BS与DR之间的距离近似相等；采用D2D模式进行直连通信，DT先从BS捕获传输全部数据所必须的能量，并利用此能量将全部待发送数据量D₀通过D2D直连链路发送到DR；

d＜D_th，表明BS与DT之间的距离小于距离阈值；采用蜂窝模式进行通信，DT先向BS传输关键信息，由BS以接收到的关键信息为依据从当前网络中查找拟传输的原始数据，并由BS进行数据转发。

优选地，上述基于蜂窝网络能量交易的D2D模式选择方法，采用文件名或者链接作为关键信息。

优选地，上述基于蜂窝网络能量交易的D2D模式选择方法，其步骤(2)具体如下：

由DT向DT所对应的BS和DR分别发送导频信号；

BS接收到导频信号后根据路径损耗确定其与DT之间的距离

DR接收到导频信号后根据路径损耗确定其与DT之间的距离

其中，k是传播系数，α是路径损耗因子，P_t是DT发射的导频信号功率，P_{r_BS}是BS接收到的信号功率，P_{r_DR}是DR接收到的信号功率。

优选地，上述基于蜂窝网络能量交易的D2D模式选择方法，其步骤(4)所述距离阈值

其中，λ是BS进行功率传输时选用的能量信号波长。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的基于蜂窝网络能量交易的D2D模式选择方法，在DT初始能量足够的情况下，不经过基站，通过D2D直连链路直接将数据发送给DR；一方面降低基站的负载，另一方面，由于是DT与DR之间的直连通信，有效地避免了蜂窝通信带来的两跳功率损耗，从而大幅度降低系统能量消耗；

(2)本发明提供的基于蜂窝网络能量交易的D2D模式选择方法，在DT初始能量不够的情况下，DT只能向外传输少量的数据，因此根据DT与BS之间的距离d与距离阈值D_th的大小关系，进行通信模式的选择；

在BS与DT之间的距离小于距离阈值时，即d＜D_th时，采用蜂窝模式进行通信，DT以极低的能量向基站传输少量的关键信息；由基站以关键信息为线索从当前网络中找到DT拟传输的原始数据并转发给DR，这种通信模式的能量消耗主要发生在BS转发数据阶段；虽然BS与DR之间的距离可能大于BS与DT之间的距离，但是这种通信模式只有一跳功率损耗，有效避免了DT由于能量不足需要通过基站进行功率传输而带来的巨大能量损耗；

在BS与DT之间的距离和BS与DR之间的距离近似相等，BS与DT之间的距离d大于距离阈值，DT与BS相距很远的情况下，即d≥D_th时，采用D2D模式进行直连通信，由DT从BS收集能量，并利用该能量将全部数据量D₀发送给DR；这种通信模式虽然会产生两跳功率损耗，但是由于直连链路距离相对很近并且远距离通信时功率衰减量远大于同等距离下射频功率传输产生的功率衰减量，相较于由BS转发全部数据的通信策略，传输相同数据量时，此方案所消耗的能量相对较低，进一步体现了D2D直连通信的近场优势；

总体来说，本发明提出的以上技术方案与现有技术中所有D2D用户均选择通过基站供电进行D2D模式通信的方法相比，其在近场具有优化系统的能量效率的有益效果，可提升整个网络的性能。

附图说明

图1是实施例中包含D2D用户的蜂窝网络系统模型示意图；

图2为本发明实施例供的基于蜂窝网络能量交易的D2D模式选择方法的流程图；

图3为实施例的方法与所有D2D用户全部选择通过BS供电后进行D2D模式的方法的能量消耗仿真对比图；

图4为实施例中当d＜D_th时，能耗与传输数据的关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的基于蜂窝网络能量交易的D2D模式选择方法，根据DT与BS之间的距离d与距离阈值D_th的大小关系，进行通信模式的选择：当d≥D_th时，采用D2D模式进行直连通信，否则，采用蜂窝模式进行通信；具有降低传输能耗的效果。

图1所示，是实施例中包含D2D用户的蜂窝网络系统模型示意图；其中，D2D用户既可以采用D2D模式进行直连通信，也可以选择传统的蜂窝模式，通过基站来进行数据转发；实施例中，所有基站和D2D用户服从独立的泊松分布，根据泊松分布的特性，任何小区的几何特征都与其中一个小区一致，可将其中一个小区的分析结论扩展到蜂窝网络中的所有小区。

图2所示，是实施例供的基于蜂窝网络能量交易的D2D模式选择方法的流程图，具体包括如下步骤：

(1)进行系统初始化，由DT更新当前网络的基本信息，并根据当前网络信息获取DT的初始能量E₀，等待传输的数据量D₀以及能量阈值E_th；实施例中，能量阈值E_th为100焦耳；

(2)由DT向对应BS和DR发送导频信号；当BS和DR接收到导频信号，根据导频信号的路径损耗确定BS与DT之间的距离d、以及DR与DT之间的距离r；

(3)DT将初始能量E₀与能量阈值E_th进行比较，若E₀≥E_th，表明初始能量足以DT将全部数据直接发送给DR；若E₀＜E_th，则进入步骤(4)；

(4)DT根据D2D直连链路距离r获取进行通信模式切换的距离阈值D_th；

(5)将BS与DT之间的距离d与距离阈值D_th进行比较，当d≥D_th时，采用D2D模式进行直连通信，即DT从BS收集能量，并利用此能量直接将全部数据量D₀发送给DR；

否则，采用蜂窝模式进行通信，即DT使用初始能量向BS传输少量关键信息，BS根据接收到的关键信息从当前网络中查找拟传输的原始数据，并将其转发给DR。

实施例中，将D2D发射机DT作为网络中的节点，当其初始能量不足以传输所有拟传输数据时，通过捕获来自基站的能量以维持相应数据的传输；当DT离基站较近时，DT利用较低的初始能量将需要传输的数据的关键信息发送给BS，BS根据接收到的关键信息在当前网络中查找拟传输的原始数据并将其转发给DR；实施例里采用链接作为关键信息。

图3所示，是实施例提供的D2D模式选择方法与所有D2D用户全部选择通过BS供电后进行D2D通信的方法的相比较，两者的能量消耗仿真对比图；其中，参数为：DT初始能量E₀＝10J，D2D直连通信的能量阈值E_th＝100J，拟传输的数据量D₀＝50Mbit，带宽W＝1MHz，路径损耗因子α＝4，BS的固定传输功率P_BS＝100W，BS进行射频功率传输时选用的能量信号波长为λ＝0.1m，D2D链路的长度r＝2m；在实施例中，DT向BS传输关键信息所消耗的能量相对于传输全部数据所消耗的能量而言非常小，可忽略不计。

从图3可以看出：对比于所有D2D用户均采用BS供电后进行D2D模式通信的方法，实施例提供的D2D模式选择方法可优化系统耗能，提高了整个网络的能量效率。

图4所示，是当d＜D_th时，实施例提供的D2D模式选择方法与所有D2D用户均采用通过基站供电进行直连通信的方案的能耗对比图；其中，参数为：DT初始能量E₀＝10J，D2D直连通信的能量阈值E_th＝100J，带宽W＝1MHz，路径损耗因子α＝4，BS的固定传输功率P_BS＝100W，BS进行射频功率传输时选用的能量信号波长为λ＝0.1m，D2D链路的长度r＝2m，DT与BS之间的距离d＝400m。

从图4可以看出：当d＜D_th时，在传输相同的数据量时，通过向BS传输关键信息进行蜂窝通信所消耗的能量要小于通过基站供电进行D2D直连通信的方案。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于蜂窝网络能量交易的D2D模式选择方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)根据当前网络信息获取DT的初始能量E₀，待传输数据的数据量D₀和能量阈值E_th；

(2)由DT向BS和DR发送导频信号；BS根据接收到的导频信号的路径损耗获取BS与DT之间的距离d，DR根据接收到的导频信号的路径损耗获取DR与DT之间的直连链路距离r；

(3)判定DT的初始能量E₀是否大于等于能量阈值E_th，若是，则由DT将待传输的数据直接发送给DR；若否，则进入步骤(4)；

(4)根据所述直连链路距离r获取进行通信模式切换的距离阈值D_th；

(5)判断BS与DT之间的距离d是否大于等于所述距离阈值D_th，若是，则由DT从BS收集能量，并由DT利用所述能量将待传输的数据发送给DR；

若否，则由DT利用初始能量向BS发送关键信息，并由BS根据所述关键信息从当前网络中获取待传输的数据，并将所述待传输的数据转发给DR。

2.如权利要求1所述的D2D模式选择方法，其特征在于，采用文件名或者链接作为关键信息。

3.如权利要求1或2所述的D2D模式选择方法，其特征在于，所述步骤(2)具体如下：

(2.1)由DT向BS和DR分别发送导频信号；

(2.2)BS接收到导频信号后根据路径损耗确定BS与DT之间的距离

$d={\left(\frac{{\mathrm{kP}}_t}{P_{r\_\mathrm{BS}}}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\α}}};$

(2.3)DR接收到导频信号后根据路径损耗确定DR与DT之间的距离

其中，k是传播系数，α是路径损耗因子，P_t是DT发射的导频信号功率，P_{r_BS}是BS接收到的信号功率，P_{r_DR}是DR接收到的信号功率。

4.如权利要求1或2所述的D2D模式选择方法，其特征在于，所述距离阈值

其中，λ是BS进行功率传输时选用的能量信号波长。