0 引言

    中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心(CNNIC)在京發(fā)布的第38次《中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》顯示，截至到2016年,，中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量達(dá)7.10億,，網(wǎng)絡(luò)普及率達(dá)51.7%，以3.1%的優(yōu)勢(shì)超過(guò)全球平均水平,。得利于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不斷發(fā)展完善以及智能手機(jī)的大規(guī)模普及,，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用逐漸地滲透到用戶各類生活需求中，因而進(jìn)一步使得手機(jī)上網(wǎng)頻率不斷增長(zhǎng)^[1],。一方面,，用戶在短時(shí)間內(nèi)對(duì)熱點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行重復(fù)申請(qǐng)?jiān)斐纱罅咳哂啵硪环矫?，無(wú)線資源又日益緊缺,，基站負(fù)載壓力越來(lái)越大,。為解決上述的容量瓶頸問(wèn)題，D2D(Device-to-Device)通信技術(shù)作為一種極具潛力的新方法受到了各界的廣泛關(guān)注^[2-3],。不同于傳統(tǒng)的蜂窩用戶設(shè)備(Cell User Equipment,，CUE)嚴(yán)重依賴于基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與控制，D2D技術(shù)允許用戶僅依賴基站進(jìn)行控制信息的處理,，而數(shù)據(jù)則通過(guò)D2D用戶設(shè)備(D2D User Equipment,，DUE)直連的方式進(jìn)行傳輸，無(wú)需經(jīng)過(guò)基站,。如圖1,，D2D分組轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)是指將D2D用戶的移動(dòng)設(shè)備作為一個(gè)分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)。首先,，當(dāng)對(duì)所有的D2D用戶進(jìn)行分組后,，用戶可以通過(guò)常規(guī)的蜂窩鏈路獲取熱點(diǎn)內(nèi)容，從而形成一個(gè)分布式存儲(chǔ)系統(tǒng),，當(dāng)組內(nèi)其他用戶恰好也需要申請(qǐng)?jiān)搩?nèi)容時(shí),，則無(wú)需通過(guò)基站重復(fù)申請(qǐng)，而是通過(guò)D2D直連的方式進(jìn)行內(nèi)容共享,，如此就形成了一個(gè)基于多播的數(shù)據(jù)共享D2D組,，可以極大地提升頻譜利用率^[4]。

    傳統(tǒng)的D2D通信由于未對(duì)通信雙方社交背景進(jìn)行考量,，導(dǎo)致在D2D通信過(guò)程中安全性較差,，通信效率低下。而通過(guò)引入社交屬性的概念,，可以極大地改善這一現(xiàn)象,。在文獻(xiàn)[5]闡述了D2D通信中的主要挑戰(zhàn)，并提出了利用社交屬性來(lái)提升D2D的表現(xiàn),。但是這篇文章并沒(méi)有展示如何具體將社交網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于D2D通信中,。文獻(xiàn)[6]在文獻(xiàn)[5]的分組方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步定義了通信需求的概念,，并闡述了一套社交感知資源分配方案,。文獻(xiàn)[7]和[8]則分別利用文獻(xiàn)[5]中的分組概念，把用戶分為幾個(gè)大的群體進(jìn)行本地服務(wù)和多播服務(wù),。文獻(xiàn)[9]提出了一種利用集中性來(lái)輔助D2D對(duì)匹配的機(jī)制,。文獻(xiàn)[10]將實(shí)際地理因素和社交信息相結(jié)合介紹了一種復(fù)合的分組辦法。文獻(xiàn)[11]通過(guò)兩個(gè)層面(離線社交層和在線社交層)的研究提出了優(yōu)化D2D通信的一個(gè)社交認(rèn)知方案,。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于社交網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新性的流量下載結(jié)構(gòu)模型,，從而有效提高用戶的流量下載容量。

    以上研究雖然加入了對(duì)社交屬性的考量，但是并未針對(duì)用戶狀態(tài)實(shí)時(shí)變化的情況提出高效的D2D分組轉(zhuǎn)發(fā)策略,，而考慮到實(shí)際場(chǎng)景中用戶往往具有很強(qiáng)的移動(dòng)性,，因此本文提出一種利用社交屬性的D2D分組轉(zhuǎn)發(fā)策略。該策略利用中餐館(Chinese Restaurant Process,，CRP)算法,，結(jié)合包括社交關(guān)系、興趣相似度和集中度在內(nèi)的社交屬性,，為高移動(dòng)性下的D2D分組轉(zhuǎn)發(fā)提供了可行的方案,。最后通過(guò)仿真表明，該算法可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，提升頻譜利用率,，減輕基站由于重復(fù)下載冗余內(nèi)容所導(dǎo)致的壓力。

1 系統(tǒng)模型

    本文考慮經(jīng)典的單蜂窩超密集網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景,，即單個(gè)蜂窩內(nèi)擁有大量UE（如校園和辦公室）,。用戶不僅可以通過(guò)傳統(tǒng)的蜂窩鏈路從基站獲取數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)D2D鏈路從鄰近的用戶處獲取,?？紤]到移動(dòng)用戶的具體位置是實(shí)時(shí)變動(dòng)的，本文利用動(dòng)態(tài)的CRP算法來(lái)對(duì)用戶分組和資源分配,。

    CRP算法通過(guò)模仿客人到達(dá)餐廳后選擇與人共用一桌還是自己?jiǎn)为?dú)成桌的過(guò)程,，將每一個(gè)新到達(dá)的D2D用戶分配進(jìn)既存的組內(nèi)或獨(dú)立成組。第一個(gè)到達(dá)的用戶獨(dú)立成組,，當(dāng)用戶n到來(lái)時(shí),，前面到來(lái)的用戶已經(jīng)被分為了K個(gè)組，已有的D2D組可以用ξ={c₁,，c₂,，c₃,，…,，c_k}表示。用戶間的社交關(guān)系通過(guò)一個(gè)上三角矩陣D來(lái)表示,，D中非零元素可選值為q₁,、q₂和q₃，表示3種不同社交關(guān)系的親密程度,，分別為陌生人,、朋友和家人。用戶的興趣愛(ài)好以一個(gè)擁有5個(gè)元素的數(shù)組表示,，元素可以取值為0或1,，分別代表該用戶是否擁有此愛(ài)好。連接時(shí)間則通過(guò)另一個(gè)上三角矩陣F來(lái)表示,，通過(guò)該矩陣能夠得到兩用戶的連接頻率或集中度,。如圖2,，可以由社交屬性計(jì)算出用戶加入組c_i的概率P_i(n)，并依此概率隨機(jī)加入組c_i或獨(dú)立成組,。然后,，根據(jù)計(jì)算出的分組活躍度為分組選擇合適的蜂窩用戶進(jìn)行資源復(fù)用，活躍度高的組分配擁有更多資源的蜂窩用戶,。

2 D2D通信中利用社交屬性進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)的策略

    文獻(xiàn)[5]提出了可能應(yīng)用于D2D通信的4個(gè)主要的社交網(wǎng)絡(luò)屬性,，主要包括了社交關(guān)系、社會(huì)群體,、集中性,、橋接屬性等，本文重點(diǎn)關(guān)注其中的社交關(guān)系,、社會(huì)群體和集中性的概念,。

2.1 社交關(guān)系

    社交關(guān)系代表了用戶之間的關(guān)系親密程度。通常用戶會(huì)更傾向于與朋友或家人分享自己設(shè)備中的私人信息,，而對(duì)陌生人持保守態(tài)度,，因此本文基于社交信任度的概念，引入用戶間社交距離的概念,，以此來(lái)提升D2D轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的安全性,。基于文獻(xiàn)[10],，引入社交距離的概念為：

其中p(n,，l)∈[0，1]為用戶n和用戶l之間的社交信任度,，兩個(gè)用戶間的社交信任度p(n,，l)越大，則社交距離越短,。

2.2 社會(huì)群體

    社會(huì)群體代表了用戶間的興趣相似度,。正如同一句古語(yǔ)“物以類聚，人以群分”,，興趣愛(ài)好相似的用戶設(shè)備上可能會(huì)擁有其他用戶也需要的文件,，通過(guò)將擁有共同興趣的人分為一組，當(dāng)用戶申請(qǐng)?jiān)撐募r(shí),，便可以直接在組內(nèi)通過(guò)D2D進(jìn)行文件傳輸,，而無(wú)需通過(guò)基站重復(fù)下載。因此,，基于文獻(xiàn)[13],，引入加權(quán)余弦興趣相似性的概念用于衡量?jī)蓚€(gè)用戶間的興趣異同：

2.3 集中度

    集中度傳統(tǒng)的定義是，在連通圖中，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的最短路徑經(jīng)過(guò)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的次數(shù)的總和,。在本文中,，集中度代表了哪些用戶傾向于更頻繁地與其他用戶通信，集中度越高則通信頻率相對(duì)更高,。在此,，本文定義一個(gè)連接間隔的概念：

    由于θ_c高的組可能同時(shí)進(jìn)行多個(gè)D2D通信，為了保證通信質(zhì)量,，將對(duì)該組分配擁有更多資源塊的蜂窩用戶,，以避免在高峰期產(chǎn)生擁塞，同時(shí)提升頻譜效率,，改善QoS,。

2.4 利用S-CRP算法對(duì)用戶進(jìn)行分組和資源分配

    本文在提出的CRP算法中加入了社交屬性，為與傳統(tǒng)CRP算法相區(qū)分,，下文稱之為S-CRP算法,，即社交感知的CRP算法。根據(jù)式(1),、式(5)可以得到用戶n選擇用戶l為D2D通信伙伴的概率為：

    除了需要滿足地理相近性條件之外,，還需要考慮組c_i中用戶的數(shù)量是否已達(dá)到上限，若已達(dá)到上限,，就不能再接收新到達(dá)的用戶n,，因此定義g_ci為：

    很顯然，當(dāng)μ_n,，ci為1時(shí),，意味著用戶n滿足加入組c_i的條件，可以依據(jù)式(11)中的概率加入組c_i或獨(dú)立成組,；反之,，用戶n不滿足加入組c_i的條件，加入組c_i的概率為0,。

    當(dāng)分組完成后,，可根據(jù)式(3)計(jì)算出相應(yīng)的θ_c值，高θ_c值的分組傾向于高頻連接,，即可能同時(shí)處理多個(gè)D2D連接,，因此會(huì)被分配給擁有更多資源塊的蜂窩用戶進(jìn)行復(fù)用,，以保證其性能,。

    綜上所述，本文提出的利用社交屬性的D2D分組轉(zhuǎn)發(fā)策略流程如圖3所示,。

3 仿真分析

    為了驗(yàn)證本文所提出的轉(zhuǎn)發(fā)策略的有效性,，本文利用MATLAB在單蜂窩場(chǎng)景下對(duì)比隨機(jī)算法、傳統(tǒng)CRP算法和提出的S-CRP算法的性能差異。通常進(jìn)行D2D分組轉(zhuǎn)發(fā)有兩種模式：全雙工模式與半雙工模式,，考慮到全雙工模式工作時(shí),，組長(zhǎng)D2D同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的自干擾，本次仿真將工作于半雙工模式下,。蜂窩半徑為500 m,，D2D用戶均勻地隨機(jī)分布于蜂窩內(nèi)。D2D用戶與BS之間的大規(guī)模路徑損耗指數(shù)為h=3.5,，D2D用戶之間的為h=4,。同時(shí)，令CRP參數(shù)α=0.1,，σ²=-90 dBm,，BS功率P_B=0.2 mW，D2D用戶傳輸功率P_D=0.1 mW,。q₁,、q₂和q₃表示3種不同社交關(guān)系的親密程度，分別為陌生人,、朋友和親人,，即式(1)中p(n，l)的可能值,。

    首先,，如圖4所示，隨著蜂窩內(nèi)D2D用戶數(shù)量從20增至100,，3種算法的數(shù)據(jù)傳輸速率都有顯著的提高,，本文提出的S-CRP算法提高尤為顯著，在用戶數(shù)相同情況下,，S-CRP擁有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率,。同時(shí)，將分組用戶數(shù)量上限N_max由5提升至10可以進(jìn)一步提升兩種CRP算法的總體數(shù)據(jù)傳輸速率,。這是由于隨著蜂窩內(nèi)D2D用戶數(shù)量增多,，用戶通過(guò)D2D方式獲取數(shù)據(jù)的比例不斷提升，因而單位帶寬所能提供的數(shù)據(jù)傳輸能力也因此倍增,，大幅提升了頻譜效率,。而本文提出的S-CRP算法由于考慮了用戶間的興趣距離，參與D2D獲取數(shù)據(jù)的用戶數(shù)更多,，因此倍增現(xiàn)象更加明顯,。同時(shí)分組用戶數(shù)量上限N_max的提高允許更多的用戶參與到D2D通信中來(lái)，也將使數(shù)據(jù)傳輸速率得到提升,。

    其次,，組內(nèi)距離上限d_max也會(huì)對(duì)傳輸速率產(chǎn)生影響,。如圖5，隨著d_max的增加,，隨機(jī)算法的數(shù)據(jù)傳輸速率不斷下降,，而傳統(tǒng)CRP算法和S-CRP算法的數(shù)據(jù)傳輸速率則在經(jīng)歷了快速上漲后慢慢回落，S-CRP算法總體優(yōu)于傳統(tǒng)CRP算法,。這是由于傳統(tǒng)CRP和S-CRP算法在d_max增加初期,，組內(nèi)共享D2D用戶數(shù)量增多導(dǎo)致總傳輸速率提升，然而隨著d_max的不斷上升,，D2D用戶通信時(shí)過(guò)遠(yuǎn)的距離造成了信道質(zhì)量的下降,，組長(zhǎng)UE發(fā)送數(shù)據(jù)的速率變小，盡管此時(shí)組內(nèi)用戶數(shù)仍不斷增多,，總傳輸速率依舊呈下降態(tài)勢(shì),。S-CRP算法由于考慮了社交屬性，組內(nèi)并發(fā)式多人D2D通信更多,，因而總體表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)CRP,。而隨機(jī)算法由于無(wú)法分享多人D2D數(shù)據(jù)共享的紅利，同時(shí)d_max的增加造成數(shù)據(jù)傳輸速率下降,，因而總傳輸速率持續(xù)下降,。

    除上文提及的d_max和N_max之外，p(n,，l)也是影響整體表現(xiàn)的因素之一,，圖6展示了不同q₁、q₂和q₃取值時(shí)所需的信道數(shù)量,，可以發(fā)現(xiàn),，隨著用戶數(shù)量的增多，所需信道的數(shù)量呈整體上升趨勢(shì),。在同等用戶數(shù)下,，q₁、q₂和q₃取值更高的情況下明顯所需信道較少,，這是由于信任度高的情況下,，通過(guò)D2D轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行共享的用戶數(shù)更多，因而無(wú)需頻繁地重復(fù)向BS申請(qǐng)數(shù)據(jù),。

4 結(jié)論

    本文提出了一種利用社交屬性的D2D分組轉(zhuǎn)發(fā)策略,，該策略同時(shí)考慮了D2D分組方案，組長(zhǎng)UE的選擇和D2D資源分配等問(wèn)題,。理論分析和仿真結(jié)果表明,，該策略可以在考慮安全性的同時(shí)提升頻譜效率，減輕基站負(fù)載,。同時(shí),，這也為利用社交屬性改善D2D通信表現(xiàn)提供了新的思路,。

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