本发明属于窄带物联网领域，涉及一种d2d中继时隙数量选择方法。
背景技术：
窄带物联网作为一种新兴的lpwan技术，十分适合在很远的范围内传输少量信息的物联网应用。由于nb-iot中大多数用户设备(userequipment,ue)都是采用电池供电并且大规模部署，所以更换电池的成本很高。因此，将能耗保持在最低水平至关重要。为解决这一问题，有研究人员提出将d2d通信用于辅助nb-iot系统的数据传输。在d2d辅助的nb-iot系统中，d2d短距离通信的节能特性完美地弥补了nb-iot设备靠电池驱动所造成的能量短缺。
在d2d辅助的nb-iot中，d2d中继/接收设备(d2drelay/receiverequipment,dre)需要为d2d通信和数据转发预留时隙。在最理想的情况下，至少应该预留两个时隙，一个时隙用于d2d通信，一个时隙用于中继转发数据至基站(basestation,bs)。然而，在实际中，d2d通信和中继转发阶段都可能存在传输失败，进而导致重传。为了提升传输成功率，dre需要为d2d通信与中继转发预留更多的时隙以便可以允许更多次的重传。然而，太多的重传次数(特别是在信道质量较差的情况下)将显著地增加ue的能耗，进而降低ue的生命周期。因此，d2d数据传输算法是nb-iot系统中重要的研究问题之一。
现有nb-iot中基于d2d通信的数据传输算法没有考虑dre最优通信时隙数量的配置问题。需要为dre确定一个预留时隙数，一方面能够尽可能地提升传输成功率，另一方面尽可能将能耗控制在一个可以容忍的水平。因此，设计一种nb-iot中基于d2d通信的中继时隙数量选择方法，具有现实意义。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种nb-iot中基于d2d通信的中继时隙数量选择方法，为dre确定一个最优的通信时隙数，用来平衡传输成功率和能量消耗。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种d2d中继时隙数量选择方法，包括以下步骤：
s1：设置dre的预留时隙数量为nts，对候选中继进行排序，将中继意愿最大的ue作为实际dre；
s2：计算得到dre的工作时间表；
s3：建立dre的传输成功率模型；
s4：建立dre的能量消耗模型；
s5：构造效用函数f(nts)，并得到优化问题maxf(nts)；
s6：求得使f(nts)最大化的nts值；
进一步，在步骤s1中，将dre预留的通信时隙数量设置为nts；用
进一步，在步骤s2中，用一个(n-1)×1的向量
进一步，在步骤s3中，用
用p表示终端u的传输成功率。基于平均sinr，加性高斯白噪声中二进制信号检测的平均比特错误率为：
其中q(·)表示标准高斯误差函数，
假设比特错误彼此独立发生，对于l比特分组，可以通过考虑正确接收所有单独比特的概率来计算p。由于假设瑞利衰落，sinr可能会在分组传输时间内发生变化。为了简化分析，我们假设干扰在l比特的传输时间内缓慢变化，假定l个连续比特的sinr是相同的。在这种情况下，l比特分组的p可以表示为：
其中，pb(j)是分组的第j个l比特长片段的比特错误率。则包含w个分组的传输成功率为：
对于给定的工作时间表
其中，
其中，ptor是终端u和dre之间链路的分组传输率估计值。前式的
因为数据发送的最后期限为ntsτ，总的传输计数不能超过nts。若d2d通信占用i个时隙，则第二跳的最大传输计数最多为nts-i次。
进一步，在步骤s4中，用
对于给定的工作时间表δ(u)，终端u的eec(δ(u))为：
其中，
其中，
其中，
进一步，在步骤s5中，为了求得能耗和传输成功率的最优折中，构造一个效用函数：
其中，e和p为所求能耗和传输成功率，pmin表示nb-iot边缘ue能够接受的最低传输成功率，而emax表示nb-iot边缘ue进行一次数据上传所消耗的最大能量。由emax/e和p/pmin可知，e越小或p越大，效用函数值就越大。nts表示dre的预留d2d通信时隙的数量，由于完成第一跳和第二跳传输至少需要两个时隙，故其值为等于或者大于2的整数。δ为能耗和传输成功率的权重因子。较大的δ值倾向于更加节能，但导致过低的传输成功率；较小的δ值倾向于提高传输成功率，但是导致过高的能耗。当δ＝0时，效用函数表示最大化传输成功率，但是同时带来最大的能耗；当δ＝1时，表示最小化能耗，同时获得最小的传输成功率。
进一步，在步骤s6中，考虑到场景中的一些限定条件，将这个效用函数作为目标函数能够得到如下优化问题：
maxf(nts)
其中，θi,k为判决变量，当dre的时隙是为d2d通信和转发数据所预留时，其值为1，否则为0。考虑到目标函数是一个具有极大值的函数，采用二分法对dre最优值进行搜索，即根据用户的不同偏好需求，在不同的δ取值下，找到最大化效用函数值的nts值，获得能耗和传输成功率的最优折中。
本发明的有效效果在于：在d2d辅助nb-iot中，提出一个单中继选择方案，该方案可以保证一定的传输成功率，并不需要其他中继设备的等待，有利于节省能量。如果数据提前传输完毕，中继设备提前进入休眠，有利于进一步节省能量。同时研究了d2d辅助nb-iot中dre最优通信时隙数量的配置问题，为了求得传输成功率和能耗的最优折中，构造了一个基于加权的传输成功率和能耗的效用函数，并且基于这个效用函数，构造了一个dre通信时隙配置的优化问题，最终通过配置最优的nts来获得最好的能耗以及几乎最好的传输成功率。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更佳清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明实施例的流程示意图；
图2为基于d2d通信的窄带物联网网络模型图；
图3为本发明实施例的dre工作时间表示意图；
图4为本发明实施例的网络场景示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明针对窄带物联网中上行链路数据传输问题，提出一种d2d中继时隙数量选择方法。为了求得传输成功率和能耗的最优折中，本文构造了一个基于加权的传输成功率和能耗的效用函数，并且基于这个效用函数，构造了一个dre通信时隙配置的优化问题，一方面能够尽可能地提升传输成功率，另一方面尽可能将能耗控制在一个可以容忍的水平。为dre确定一个预留时隙数，保证一定的传输成功率，不需要其他中继设备的等待，有利于节省能量。并且，如果数据提前传输完毕，中继设备提前进入休眠，有利于进一步节省能量。nb-iot中基于d2d通信的d2d中继时隙数量选择方法的流程图如图1所示。
基于d2d通信的nb-iot网络模型图如图2所示。处于小区边缘的ue先与邻近且信道条件较好的ue即dre建立d2d链路，再由其将接收到的数据上传至基站，每个ue通过最多两跳将数据上传到基站。首先设置dre预留时隙数量为nts，按中继意愿大小将候选中继进行排序，将中继意愿最大的设备rk作为实际dreropt。根据候选中继和传输时间得到dre的工作时间表。建立dre的传输成功率模型，然后建立dre的能量消耗模型。再根据传输成功率和能量消耗模型构造效用函数，并建立一个优化问题。采用二分法对drents最优值进行搜索，找到最大化效用函数值的nts值，获得能耗和传输成功率的最优折中。
如图1所示，nb-iot中基于d2d通信的能耗和传输成功率的最优折中方法，该方法包括以下步骤：
s1：设置dre的预留时隙数量为nts，对候选中继进行排序，将中继意愿最大的ue作为实际dre；
s2：计算得到dre的工作时间表；
s3：建立dre的传输成功率模型；
s4：建立dre的能量消耗模型；
s5：构造效用函数f(nts)，并得到优化问题maxf(nts)；
s6：求得使f(nts)最大化的nts值；
为了得到候选中继集合，将dre预留的通信时隙数量设置为nts；用
用一个(n-1)×1的向量
根据终端u的工作时间表
用p表示终端u的传输成功率。基于平均sinr，加性高斯白噪声中二进制信号检测的平均比特错误率为：
其中q(·)表示标准高斯误差函数，
假设比特错误彼此独立发生，对于l比特分组，可以通过考虑正确接收所有单独比特的概率来计算p。由于假设瑞利衰落，sinr可能会在分组传输时间内发生变化。为了简化分析，我们假设干扰在l比特的传输时间内缓慢变化，假定l个连续比特的sinr是相同的。在这种情况下，l比特分组的p可以表示为：
其中，pb(j)是分组的第j个l比特长片段的比特错误率。则包含w个分组的传输成功率为：
对于给定的工作时间表
其中，
其中，ptor是终端u和dre之间链路的分组传输率估计值。前式的
因为数据发送的最后期限为ntsτ，总的传输计数不能超过nts。若d2d通信占用i个时隙，则第二跳的最大传输计数最多为nts-i次。nb-iot中基于d2d通信的网络场景示意图如图4所示。
根据终端u的工作时间表
对于给定的工作时间表δ(u)，终端u的eec(δ(u))为：
其中，
其中，
其中，
为了求得能耗和传输成功率的最优折中，构造一个效用函数：
其中，e和p为所求能耗和传输成功率，pmin表示nb-iot边缘ue能够接受的最低传输成功率，而emax表示nb-iot边缘ue进行一次数据上传所消耗的最大能量。由emax/e和p/pmin可知，e越小或p越大，效用函数值就越大。nts表示dre的预留d2d通信时隙的数量，由于完成第一跳和第二跳传输至少需要两个时隙，故其值为等于或者大于2的整数。δ为能耗和传输成功率的权重因子。较大的δ值倾向于更加节能，但导致过低的传输成功率；较小的δ值倾向于提高传输成功率，但是导致过高的能耗。当δ＝0时，效用函数表示最大化传输成功率，但是同时带来最大的能耗；当δ＝1时，表示最小化能耗，同时获得最小的传输成功率。
考虑到场景中的一些限定条件，将这个效用函数作为目标函数能够得到如下优化问题：
maxf(nts)
其中，θi,k为判决变量，当dre的时隙是为d2d通信和转发数据所预留时，其值为1，否则为0。考虑到目标函数是一个具有极大值的函数，采用二分法对dre最优值进行搜索，即根据用户的不同偏好需求，在不同的δ取值下，找到最大化效用函数值的nts值，获得能耗和传输成功率的最优折中。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
1.一种d2d中继时隙数量选择方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
s1：设置dre的预留时隙数量为nts，对候选中继进行排序，将中继意愿最大的ue作为实际dre；
s2：计算得到dre的工作时间表；
s3：建立dre的传输成功率模型；
s4：建立dre的能量消耗模型；
s5：构造效用函数f(nts)，并得到优化问题maxf(nts)；
s6：求得使f(nts)最大化的nts值。
2.根据权利要求1所述的一种d2d中继时隙数量选择方法，其特征在于：在步骤s1中，将dre预留的通信时隙数量设置为nts；用
3.根据权利要求2所述的一种d2d中继时隙数量选择方法，其特征在于：在步骤s2中，用一个(n-1)×1的向量
4.根据权利要求3所述的一种d2d中继时隙数量选择方法，其特征在于：在步骤s3中，用
用p表示终端u的传输成功率。基于平均sinr，加性高斯白噪声中二进制信号检测的平均比特错误率为：
其中q(·)表示标准高斯误差函数，
假设比特错误彼此独立发生，对于l比特分组，可以通过考虑正确接收所有单独比特的概率来计算p。由于假设瑞利衰落，sinr可能会在分组传输时间内发生变化。为了简化分析，我们假设干扰在l比特的传输时间内缓慢变化，假定l个连续比特的sinr是相同的。在这种情况下，l比特分组的p可以表示为：
其中，pb(j)是分组的第j个l比特长片段的比特错误率。则包含w个分组的传输成功率为：
对于给定的工作时间表
其中，
其中，ptor是终端u和dre之间链路的分组传输率估计值。前式的
因为数据发送的最后期限为ntsτ，总的传输计数不能超过nts。若d2d通信占用i个时隙，则第二跳的最大传输计数最多为nts-i次。
5.根据权利要求4所述的一种d2d中继时隙数量选择方法，其特征在于：在步骤s4中，用
对于给定的工作时间表δ(u)，终端u的eec(δ(u))为：
其中，
其中，
其中，
6.根据权利要求5所述的一种d2d中继时隙数量选择方法，其特征在于：在步骤s5中，为了求得能耗和传输成功率的最优折中，构造一个效用函数：
其中，e和p为所求能耗和传输成功率，pmin表示nb-iot边缘ue能够接受的最低传输成功率，而emax表示nb-iot边缘ue进行一次数据上传所消耗的最大能量。由emax/e和p/pmin可知，e越小或p越大，效用函数值就越大。nts表示dre的预留d2d通信时隙的数量，由于完成第一跳和第二跳传输至少需要两个时隙，故其值为等于或者大于2的整数。δ为能耗和传输成功率的权重因子。较大的δ值倾向于更加节能，但导致过低的传输成功率；较小的δ值倾向于提高传输成功率，但是导致过高的能耗。当δ＝0时，效用函数表示最大化传输成功率，但是同时带来最大的能耗；当δ＝1时，表示最小化能耗，同时获得最小的传输成功率。
7.根据权利要求6所述的一种d2d中继时隙数量选择方法，其特征在于：在步骤s6中，考虑到场景中的一些限定条件，将这个效用函数作为目标函数能够得到如下优化问题：
maxf(nts)
其中，θi,k为判决变量，当dre的时隙是为d2d通信和转发数据所预留时，其值为1，否则为0。考虑到目标函数是一个具有极大值的函数，采用二分法对dre最优值进行搜索，即根据用户的不同偏好需求，在不同的δ取值下，找到最大化效用函数值的nts值，获得能耗和传输成功率的最优折中。
技术总结