5G移动通信网络中缓存与计算关键技术研究

发布时间：2020-05-29 22:02

【摘要】：随着移动互联网和物联网的持续繁荣发展,丰富多彩的网络服务和应用已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分,例如智慧城市、虚拟现实、增强现实、在线游戏、高清视频等。这些新兴的网络服务和应用在丰富人们生活的同时,也给移动通信网络基础设施带来了巨大的挑战:一方面这些网络服务和应用产生的移动网络数据流量呈现出爆发式增长的态势;另一方面,这些新兴的网络服务和应用对计算资源的需求也越来越大。为了给用户提供更高体验质量的移动网络服务,积极地开展并推进第五代(5G)移动通信网络技术的研究具有重要意义。其中,在5G移动通信网络中部署缓存和计算资源被认为是降低网络传输时延和内容冗余传输,提升内容分发效率和网络计算处理能力的重要途经,并且已经得到了学术界和产业界的广泛关注和认同。考虑到5G移动通信网络中部署缓存和计算资源的发展趋势,本论文对5G移动通信网络中缓存和计算关键技术展开了深入研究,主要包括:在5G核心网络中,如何实现高效的缓存资源分配机制;在5G边缘网络中,如何实现协作高效的内容缓存与分发机制;在5G边缘网络中,如何实现计算任务卸载机制。具体研究内容和主要创新工作概括如下:(1)5G核心网络中高效的缓存资源分配机制研究在5G核心网络中部署内容缓存已经被认为是改善内容分发效率和终端用户体验质量的重要方法,然而随着在5G核心网络中引入网络切片技术,内容缓存在5G核心网网络切片中并没有得到很好的考虑。网络切片是5G移动通信网络中引入的一项新技术,它可以创建虚拟网络,并根据用户的需要提供定制化的网络服务。本论文联合的考虑了5G核心网络缓存与网络切片技术,提出了一种高效的5G核心网缓存资源分配机制。首先将5G核心网络缓存资源分配问题抽象建模为一个整数线性规划模型,然后提出了一种基于化学反应优化算法的缓存资源分配策略,仿真结果显示了所提方法的有效性。(2)5G边缘网络中协作高效的内容缓存与分发机制研究在5G移动通信网络中,将内容缓存的部署位置进一步下沉,部署在更加靠近终端用户的网络边缘,可以进一步地降低网络传输时延,对于改善移动通信网络的内容分发效率具有重要意义。其中,编码缓存和协作分发被认为是5G边缘网络中两种很有前途的技术。虽然在编码缓存和协作分发方面有许多优秀的工作,然而这两项技术传统地是分开处理解决的。有必要联合考虑这两个重要问题,以降低回程率,改善内容分发效率以及终端用户的体验质量。本论文联合地考虑编码缓存和协作分发问题,提出了一种协作高效的内容缓存与分发机制;并基于所提出的方案,从内容缓存和内容分发的角度建立了能量消耗模型,以优化内容缓存和内容分发的能量效率。此外,本论文提出了一种基于启发式贪婪算法的缓存放置算法,通过优化缓存放置来解决这个能量效率优化问题。最后仿真结果表明了该方案的性能。(3)5G边缘网络中计算任务卸载机制研究在5G边缘网络中部署计算资源已经成为5G移动通信网络发展的重要趋势,对于提高网络的计算处理能力和终端用户的体验质量具有重要意义。这种在5G网络边缘中部署计算资源以及信息技术服务环境,并为终端用户提供低时延高带宽服务的网络新范式被称之为边缘计算,也是5G移动通信网络引入的一项新技术。与此同时,考虑到移动终端的电池容量和计算能力的有限性,在移动终端中处理计算密集型任务是十分困难的。因此,有必要将计算任务卸载到边缘计算服务器中,而计算任务卸载也被认为是边缘计算领域的关键问题之一。本论文联合地考虑了边缘计算和D2D(Device-to-Device,设备到设备)通信技术,提出了一种能量高效的计算任务卸载机制。特别地,计算任务执行模型可由本地执行、雾计算设备执行和移动边缘计算服务器执行组成。然后,本论文将计算任务卸载问题建模为随机优化问题,并利用李雅普诺夫优化理论求解该问题。最后,仿真结果验证了所提出方案的有效性。
【图文】：

论文,缓存

？逡逑图１－１：论文组织架构逡逑如图１－１所示。逡逑本论文第二章对５Ｇ移动通信网络中缓存与计算关键技术进行了全面的概述，包逡逑括５Ｇ移动通信网络的应用场景、关键指标、重要使能技术、网络体系架构、以及缓逡逑存与计算关键技术的研宄进展。逡逑本论文第三章详细叙述了邋５Ｇ核心网络中缓存资源高效分配机制，首先介绍了集逡逑成网络切片和缓存资源的５Ｇ核心网架构，然后给出了缓存资源分配问题的系统模逡逑型和问题建模，并提出了基于ＣＲＯ算法的缓存资源分配机制来解决缓存资源分配问逡逑题，最后仿真结果也证明了所提方案的有效性。逡逑本论文第四章详细叙述了邋５Ｇ边缘网络中协作高效的内容缓存与分发机制，首先逡逑描述了邋５Ｇ网络边缘系统模型，包括编码缓存机制、协作缓存和内容分发机制。然后逡逑分析了能耗模型和问题建模。为了求解优化问题

网络体系,架构,数据平面,控制器

网络管理员也就可以通过集中的方式对网络进行配置和管理，而无需单独访问逡逑和配置每个网络硬件设备。逡逑ＳＤＮ架构主要可以分为三大部分：数据平面、控制平面以及应用平面，如图２－１逡逑所示。数据平面主要由数据转发设备构成，其核心设备是交换机，包括物理交换机逡逑以及虚拟交换机，主要负责数据处理、转发以及状态收集等。由于在ＳＤＮ中网络设逡逑备的数据平面与控制平面完全解耦，所有数据包的控制策略以及网络的配置管理都逡逑由控制器通过南向接口协议下发，从而网络的管控变得更加灵活高效。这也极大地逡逑解放了数据平面的交换设备，从而交换设备可以只保留数据平面，专注于数据包的逡逑高速转发。控制平面主要由ＳＤＮ控制器构成，能够获取网络资源的全局信息，，并能逡逑够根据业务需要进行资源的全局调配和优化，例如流量调度、负载均衡等。而且采逡逑用这种集中式的管控模式后
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5

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