CN106230973B - 一种基于社交网络的文件共享方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于社交网络的文件共享方法。该方法是在基站控制的D2D通信环境下，提供了一种基于社交网络的用户间文件共享和分发的新方法。该方法中基站根据用户的需求，将用户划分为若干临时小组，并通过用户的社交度来判断中央用户。在系统中没有需求文件缓存的情况下，基站首先把文件通过无线蜂窝通信链路发送给中央用户，该中央用户把文件通过D2D通信共享给组内有社交关系的用户。而与该中央用户没有社交关系的用户可以从基站或者已获得该文件的其他用户处得到该文件，从而实现文件共享。此外还解决了D2D用户在同一时间仅能处理(接收或发送)一个请求的问题。本发明可大大降低传输时延、减轻基站负载、优化蜂窝通信系统的整体性能。

Description

一种基于社交网络的文件共享方法

技术领域

本发明属于通信技术中的设备到设备技术领域，特别涉及一种基于社交网络的文件分发和共享方法。

背景技术

随着科技的快速发展，社交网络已经成为人类生活的重要部分，逐渐成为消息传递和信息承载的主体。移动通信技术的跳跃性进步使得人们的社交方式从传统的社交网站迅速过渡到了移动领域，这种移动社交网络的形成、演化、发展为人们的生活提供了更加便捷的信息交流，正朝着“减少物质时间成本，提供高质高效有用信息”这一方向前进，其影响和作用非同凡响。而与此同时人与人的关系也正发生着深刻的变化。

移动社交网络综合考虑无线通信和社会科学的特点，目前已经得到了广泛的关注与研究。基于这种现象，一个自然的问题是“用户的社交行为能否协助D2D(Device-to-Device，设备到设备)通信提高无线系统的性能”，答案是肯定的。众所周知，用户总是处于移动社交网络中，每个用户总是不可避免地与别人发生社交接触、交换大量信息，且这种无处不在的社交关系，如同事、朋友圈等，具有一定的稳定性、可制定性和长期可持续性。此外，用户日常的移动模式(如工作地点、娱乐地点、住处等)具有周期性，继而产生的社交关系有一定的规律可循，因此每个用户都会形成一个稳定的移动社交网络结构。尽管目前基于社交网络的D2D通信研究还处于初期阶段，但将社交网络引入到D2D通信中，对无线通信系统的整体效益以及未来D2D通信系统的整体设计方面都会有巨大价值。

随着无线蜂窝网络的发展，移动设备除了利用基站获取数据，还通过各用户之间的合作来共享数据，因此未来D2D多媒体内容分发系统将成为无线通信的研究热点。基于社交网络的文件共享机制作为D2D技术在无线通信中展现优势的关键性因素，已经成为众多学者的研究热点。由于持有移动通信设备的用户形成一个相对稳定的社交网络结构，因此将这种虚拟社交网络引入到无线通信领域来进行文件共享可以使得整个无线网络更加有效。

此外，还必须考虑到系统的安全性。节点的信任度受很多因素的影响，包括用户请求响应消息的成功或失败概率、用户的移动特性、数据传输的成功失败概率等，同时信任度的大小又影响着这些因素。而目前的社交网络文件共享方法，存在着安全性低，难以跟踪和控制等缺陷。因此在社交网络中考虑到每个用户的信任度至关重要。

发明内容

本发明的目的是在D2D通信的环境中，提出一种在蜂窝网协助下的基于社交网络的文件共享技术，该技术在有效减少系统总时延，提高文件传输效率的同时，在减轻基站负载方面也具有很大的优势。

为解决该技术问题，本发明所采取的技术方案是提出一种基于社交网络的文件共享方法，具体包括如下步骤：

步骤1：用户分组，服务器建立用户集u＝{U₁,U₂,U₃,···,U_N}和用户请求文件集F＝{F₁,F₂,F₃,···,F_M}；

步骤2：建立社交网络图，基站根据用户兴趣，将用户分为若干临时小组，并反馈给组内成员，建立规则网络；

步骤3：确定中央用户；

步骤4：判断用户间是否能建立D2D链路；

步骤5：链路选择。

进一步，步骤2中，根据所述规则网络先生成邻接矩阵A，然后对规则网络进行连接，生成小世界网络，分析邻接矩阵A，来判断节点i和节点j之间是否有连接，并生成一个无权无向社交网络图G和社交关系矩阵T^M×N。

特别地，上述对规则网络进行连接是指以随机重连概率对规则网络进行随机重连。

步骤3中，确定中央用户是通过交际度算法计算出临时小组内每个用户的交际度D(U_i)，然后选取其中交际度最大的用户作为本组的中央用户。

上述交际度算法优选为Dul。

步骤4中判断用户间是否能建立D2D链路的过程是首先判断该组内是否存在需求文件，如果存在则基站通过蜂窝通信信道把文件首先传输给中央用户，组内其他用户再与其共享，然后通过信任度算法计算社交网络中的用户节点的平均信任度，若小于安全阈值，则用户间可以建立D2D链路，否则只能选择蜂窝通信链路。

步骤5中，进行链路选择时先计算终端用户节点或基站之间的效用函数值，然后分析用户构成的社交网络图，将满足一定限制条件的连边组成集合ψ，然后标记出在集合ψ中具有最大效用函数值的连边，根据边两端的节点对来选择通信模式。

又进一步，上述限制条件为OIOO(One In One Out)单进单出。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明可以有效提高用户间文件共享的效率，有效降低文件共享的时延；

2.本发明可以在保证文件共享安全和传输质量的同时，减轻基站的下载负担，有效节约频谱资源，优化了蜂窝通信系统的整体性能。

3.解决了D2D用户在同一时间仅能处理(接收或发送)一个请求的问题。

附图说明

图1为本发明的系统框架图。

图2为本发明的文件内容更新策略图。

图3为本发明的系统流程图。

图4为在D2D通信环境下，20个用户在半径为1000米的圆形区域内，阈值S₀对用户平均度的影响。

图5为在D2D通信环境下，用户数量为100时，系统总时延性能比较图。

图6为在D2D通信环境下，用户数量为100时，基站负载下降率图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明为解决该技术问题所采取的技术方案是：利用小世界网络模型仿真用户构成的社交网络。随后，根据用户对文件的需求，将用户划分为若干个临时小组，在每个组中，社交度最大的中央用户首先接收目标文件。最后根据用户间社交关系情况，用D2D通信技术分享给其他用户。其中包括用户节点信任度算法Suc，组内成员社交度算法Dul，以及时延算法Del。同时引入文件共享机制研究中常用的用于时延计算的贪婪彩色边标记算法用以和我们提出的时延算法进行比较。

用户节点信任度算法Suc：假设用户节点U_j信任用户节点U_i，当U_j在网络中的可信度较高时，那么U_i在网络中的可信度也不会差。所以一个用户节点在社交网络中的信任度值可以通过其他节点对其信任度值的加权平均得到，具体公式如下：

组内成员社交度算法Dul：用户U_i的社交度表示其入度和出度的总和，即：

其中N为总的用户节点数，当U_i与节点U_k之间存在社交链路时，a(U_i,U_k)＝1，反正则为0。

贪婪彩色边标记算法：基站到用户之间的传输时延可以看作为一个常数设为t₀，同样小组中D2D用户之间的传输时延也可以看作为常数设为t₁。假设所有的蜂窝链路数为Lc_j，所有的D2D链路数为Ld_j，因此在贪婪彩色边标记算法中可以得到传输文件的时延为：

本发明所研究的基于社交网络的D2D文件共享机制的总时延为：

其中Lc_j和Ld_j分别为与中央用户没有社交关系的其他用户的蜂窝链路数和D2D链路数。

基于以上理论，我们可以给出基于社交关系的文件分配和共享方案，并对文件的传输时延进行计算。本发明分为以下几个步骤：

步骤1：建立分组

(1)服务器建立用户集u＝{U₁,U₂,U₃,···,U_N}和用户请求文件集F＝{F₁,F₂,F₃,···,F_M}，其中N表示用户的个数，M表示文件的个数；

(2)服务器发送信息给基站，基站接收到信息后广播给所有用户。N个用户分别请求M个文件中各自感兴趣的内容，并将请求信息发送回给基站；

(3)基站根据用户的兴趣建立若干临时小组，并把形成的小组关系反馈给每个小组中的所有成员。

步骤2：建立小世界网络模型

(1)建立规则网络，得到邻接矩阵A；

(2)以随机重连概率对规则网络进行随机重连，生成小世界网络；

(3)分析邻接矩阵A，来判断节点i和节点j之间是否有连接；

(4)生成一个无权无向社交网络图G和社交关系矩阵T^M×N。

步骤3：确定中央用户：

(1)采用社交度算法Dul，计算小组内每个用户的社交度；

(2)选择社交度最高的用户作为小组的中央用户；

(3)基站通过蜂窝通信把文件首先传输给中央用户；

(4)小组内成员再基于社交关系通过D2D通信共享该文件。

步骤4：终端节点链路选择：

(1)对社交网络中的每个用户节点的信任度S(U_i)赋初始值，值范围在[0,1]之间；

(2)根据信任度算法Suc对每个节点求平均信任度；

(3)判断组内总的信任度差值是否超过精度值；

(4)求得信任度的收敛结果；

(5)通过信任度和阈值比较判断用户间是否能存在D2D链路；

(6)计算终端用户节点(包括基站)之间的效用函数值；

(7)分析用户构成的社交网络图，将满足OIOO(One In One Out)限制条件的连边组成集合ψ，然后标记出在集合ψ中具有最大效用函数值的连边，根据连边两端的节点对来选择通信模式。

现对文件分发共享实现方法作进一步的说明。

如图1和图2所示，服务器首先建立用户集u＝{U₁,U₂,U₃,···,U_N}和用户请求文件集F＝{F₁,F₂,F₃,···,F_M}，随后，基站(eNB)根据用户兴趣将用户划分为若干临时小组并反馈给组内人员。通过社交值选定组内的中央用户U_i，随后基站将请求文件发送给中央用户。组内成员再通过效用函数选择文件的获取方式。

如图3所示，文件共享实现方法的具体步骤如下：

1.用户分组

(1)服务器建立用户集u＝{U₁,U₂,U₃,···,U_N}和用户请求文件集F＝{F₁,F₂,F₃,···,F_M}，其中N表示用户的个数，M表示文件的个数；

(2)服务器发送信息给基站，基站接收到信息后广播给所有用户。N个用户分别请求M个文件中各自感兴趣的内容，并将请求信息发送回给基站。假设请求状态矩阵R^N×M＝(r_n,m)表示系统中用户对文件的兴趣，定义r_n,m＝1表示用户U_N对文件F_M感兴趣，反之，r_n,m＝0；

(3)基站根据用户的兴趣建立若干临时小组，并把形成的小组关系反馈给每个小组中的所有成员。设小组集合为g＝{g₁,g₂,g₃,···,g_j,···}，g_j表示对文件F_j有需求的用户集合。显然小组数量满足关系g≤|M|，且每个小组中的用户数量满足g_j≤N。由于每个用户可以请求多个文件，所以小组之间允许重叠，即g_i∩g_j≠o成立。

2.建立社交网络图

(1)建立规则网络，得到邻接矩阵A；

(2)以随机重连概率对规则网络进行随机重连，生成小世界网络；

(3)分析邻接矩阵A，来判断节点i和节点j之间是否有连接；

(4)生成一个无权无向社交网络图G和社交关系矩阵T^M×N。

3.确定中央用户

(1)分组后，基站需要在分组内确定中央用户；

(2)由于每个用户的社交状态不同，选择哪个用户作为小组的中央用户对整个无线网络有重要影响。这里选取社交值最高的组内用户，可以达到最高的共享效率；

(3)计算用户U_i的社交度，它表示用户入度和出度的总和，即：

其中N为总的用户节点数，当U_i与节点U_k之间存在社交链路时，a(U_i,U_k)＝1。为了确保结果的一致性和可比较性，本发明假设用户与自己不存在社交关系。定义使C_D(U_i)值最大的节点U_i为中央用户。

每个小组中，若该组内不存在需求的文件，则基站通过蜂窝通信把文件首先传输给中央用户，每个小组再基于社交关系通过D2D通信共享该文件。

4.判断用户间是否能建立D2D链路

(1)对社交网络中的每个用户节点的信任度s(U_i)赋初始值，值范围在[0,1]之间；

(2)根据以下公式对每个用户节点求

(3)设为精度差，判断的值与的大小，若则转到步骤4)，否则令转到步骤(2)继续计算；

(4)求得收敛结果；

(5)用户之间存在D2D链路必须满足两个条件：首先，存在社交关系；其次，信任度必须在安全的范围内。假设信任度的阈值为S₀，则可得由0-1元素组成的社交链路矩阵S^M×N满足条件s(U_i)＞S₀。满足以上两个条件时，用户间可以建立D2D链路，否则只能使用蜂窝网中传统通信链路。

5.链路选择

(1)计算终端用户节点(包括基站)之间的效用函数值:

其中：

表示用户i已经接收到了文件m，当且仅当Γ_i,m＝1且用户j已经或正在接受文件m。当用户i为基站或其发送器空闲时，有同样，当用户j的接收机未被占用时，

(2)分析用户构成的社交网络图，将满足OIOO(One In One Out)限制条件的连边组成集合ψ，然后标记出在集合ψ中具有最大效用函数值的连边，根据连边两端的节点对来选择通信模式(若两节点均为用户，则选择D2D通信模式；若含有基站，则选择蜂窝通信模式)，循环该过程直到集合ψ为空。

6.时延分析

假设所有的蜂窝链路数为Lc_j，所有的D2D链路数为Ld_j，因此在贪婪彩色边标记算法中可以得到传输文件的时延为：

由前面介绍可知，在一个社交群体中存在社交度最大的中央用户，本发明中假设中央用户的社交度为D_j，那么与中央用户具有社交关系且信任度在阈值范围内的用户可以直接由中央用户通过D2D链路共享文件以满足需求，因此本发明所研究的基于社交网络的D2D文件共享机制的总时延为：

其中Lc_j和Ld_j分别为与中央用户没有社交关系的其他用户的蜂窝链路数和D2D链路数，链路的连接算法通过贪婪彩色边标记算法建立。假设中央用户为该组中文件的第一个接收者，由于与其具有社交关系且信任度值在合理范围内的用户可直接从中央用户处获得文件，则理论上，总时延减少，即t_sum,D2D小于t_gre。

以下为仿真结果

图4说明了在给定D2D通信环境下，20个用户在半径为1000米的圆形区域内，阈值S₀对用户平均度的影响。由图可知，当S₀＝0即信任阈值为零时，对应的最大用户平均度约等于5.25，随着阈值的增大，用户的平均度减少。由图中可以看出，曲线具有下降趋势，即S₀值越大，信任要求越苛刻，用户平均度越小。

图5说明了在基于社交网络的文件共享机制和贪婪彩色边标记算法下，总时延随着文件个数m变化而变化的情况，这里m是用户在文件集F中请求的文件总个数。由图中可以看出，本发明所提方法的总时延比贪婪彩色边标记算法中的时延小，与理论分析相符。此外，随着文件数量的增多，图中两曲线的数值的差异也在增大。

图6说明了分别在基于社交网络的文件共享机制算法和贪婪彩色边标记算法下，基站负载的情况，即满足所有用户对文件的请求时，基站响应的文件数。从图中可以看出，当满足用户相同的需求条件时，由基站响应的文件数量不相同。当m＝20时，贪婪彩色边标记算法中基站响应的文件数约为560，而本发明提出的算法中仅约为210。这可以说明，选择具有最大社交度的用户作为中央用户可以有效地减轻基站的负载。

以上所述仅为本发明的一个具体实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于社交网络的文件共享方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：用户分组，服务器建立用户集u＝{U₁,U₂,U₃,…,U_N}和用户请求文件集F＝{F₁,F₂,F₃,…,F_M}；

用户集中的用户请求文件集中的文件，其中N表示用户的个数M表示文件的个数，在该系统中，首先，服务器发送信息给基站，基站接收到信息后广播给所有用户，N个用户分别请求M个文件中各自感兴趣的内容，并将请求信息发送回给基站，假设请求状态矩阵R^N×M＝(r_n,m)表示系统中用户对文件的兴趣，定义r_n,m＝1表示用户U_n对文件F_m感兴趣，反之，r_n,m＝0，基站根据用户的兴趣建立若干临时小组，并把形成的小组关系反馈给每个小组中的所有成员，设小组集合为 表示对文件F_j有需求的用户集合，显然小组数量满足关系且每个小组中的用户数量满足由于每个用户可以请求多个文件，所以小组之间允许重叠，即成立；步骤2：建立社交网络图，基站根据用户兴趣，将用户分为若干临时小组，并反馈给组内成员，首先建立规则网络，得到邻接矩阵A；以随机重连概率p＝0.01对规则网络进行随机重连，生成小世界网络；分析邻接矩阵A，若A(i,j)＝A(j,i)＝1，则表示节点i和节点j之间有连接；因此可以生成一个无权无向社交网络图G，将该图的邻接矩阵A定义为由0-1元素组成的社交关系矩阵T^N×N，1表示对应的用户之间具有社交关系，即可以通过D2D链路从其他用户处得到其感兴趣的文件，0则相反；

步骤3：确定中央用户；

由于每个用户的社交状态不同，选择哪个用户作为小组的中央用户对整个无线网络有重要影响，用社交度的概念来描述用户的社交状态，用户U_i的社交度表示其入度和出度的总和，为了确保结果的一致性和可比较性，假设用户与自己不存在社交关系，定义使C_D(U_i)值最大的节点U_i为中央用户，中央用户在基于社交网络的D2D传输中起着重要的作用，在系统中没有需求文件缓存的情况下，基站首先把文件通过无线蜂窝通信链路发送给中央用户，该中央用户把文件通过D2D通信共享给组内有社交关系的用户，而与该中央用户没有社交关系的用户可以从基站或者已获得该文件的其他用户处得到该文件；如果系统中已经有该文件的缓存，则用户可以直接从基站或已获得文件的用户处得到需求文件，这个过程要考虑在蜂窝网动态网络上实现D2D内容高效存取；

步骤4：判断用户间是否能建立D2D链路；

考虑到系统的安全性，只有满足一定信任要求的用户，才有可能建立D2D链路共享文件信息，因此引入用户的信任度作为影响系统性能的重要因素，不同节点在网络中的可信度不同，节点之间对彼此的可信度也不相同，那么，由步骤2中表征社交网络的无权无向网络图G就变成了有权有向网络图G'，其权值即代表了在社交网络中用户彼此之间的直接信任度值e_ji和e_ij，假设用户节点U_j信任用户节点U_i，当U_j在网络中的可信度较高时，那么U_i在网络中的可信度也不会差，所以一个用户节点在社交网络中的信任度值可以通过其他节点对其信任度值的加权平均得到，由于是基于蜂窝网络辅助下的系统模型，因此基站控制所有用户的状态并保存它们的信息，如用户ID、邻居用户发现、请求和响应文件的成功失败记录以及其他用户的信誉评估等，因此用户的信任度可以从基站反馈的信息中得到，在不排除恶意节点的情况下，其他所有用户对某一用户的直接信任度值应趋近一个值，即e_ji(j＝1,2，...,N且j≠i)是介于0-1之间的某个相近的值，由以上分析可得，用户之间若存在D2D链路必须满足两个条件：(1)存在社交关系，(2)信任度必须在安全的范围内，假设信任度的阈值为S₀，则可得由0-1元素组成的社交链路矩阵S^N×N满足条件s(U_i)≥S₀；

步骤5：链路选择，为了提高蜂窝通信系统的整体性能，在每个小组中，若该组内不存在需求的文件，则基站通过蜂窝通信把文件首先传输给中央用户，每个小组再基于社交关系通过D2D通信共享该文件；若小组内已存在需求的文件，则通过某种策略，选择从基站或者已有文件缓存的用户处获得文件，由于仅考虑小规模通信模型，通信半径较短，因此基站到用户之间的传输时延可以看作为一个常数设为t₀，同样小组中D2D用户之间的传输时延也可以看作为常数设为t₁，当请求状态矩阵R的j列的某些元素为1时，则对应的用户被划分到小组中，该小组中用户的总数量为引入贪婪彩色边标记算法，该算法通过计算终端用户节点之间的效用函数值来决定选择蜂窝通信链路还是选择D2D链路进行文件的共享传输，由于用户可能请求多个文件，则每个D2D用户必须在同一时间内发送或接受多个文件，为了避免自我干扰，通常假设D2D用户在同一时间只能处理一个文件，即用户U_n在接收一个文件时，其不能响应其他的请求。

2.根据权利要求1所述的基于社交网络的文件共享方法，其特征在于步骤3中，确定中央用户是通过交际度算法计算出临时小组内每个用户的交际度D(U_i)，然后选取其中交际度最大的用户作为本组的中央用户。

3.根据权利要求2所述的基于社交网络的文件共享方法，其特征在于所述交际度算法为Dul。

4.根据权利要求1所述的基于社交网络的文件共享方法，其特征在于步骤4中判断用户间是否能建立D2D链路的过程是首先判断该组内是否存在需求文件，如果存在则基站通过蜂窝通信信道把文件首先传输给中央用户，组内其他用户再与其共享，然后通过信任度算法计算社交网络中的用户节点的平均信任度，若小于安全阈值，则用户间可以建立D2D链路，否则只能选择蜂窝通信链路。

5.根据权利要求1所述的基于社交网络的文件共享方法，其特征在于步骤5中，进行链路选择时先计算终端用户节点或基站之间的效用函数值，然后分析用户构成的社交网络图，将满足一定限制条件的连边组成集合ψ，然后标记出在集合ψ中具有最大效用函数值的连边，根据边两端的节点对来选择通信模式。

6.根据权利要求5所述的基于社交网络的文件共享方法，其特征在于所述限制条件为单进单出。