异构D2D网络中基于可修复喷泉码的分布式存储方案

发布时间：2020-08-12 03:07

【摘要】：随着全球移动数据量的迅猛增长,移动通信的频谱资源以及基站的负载面临着极大的压力和挑战。终端直通技术(Device-to-device communication,D2D)允许用户终端复用蜂窝系统的频谱资源,移动设备不需要经过基站的转发而直接进行相互通信,缓解了基站的负载并提高了蜂窝系统的频谱效率。与此同时,针对海量数据的可靠存储问题,利用现有移动设备强大的存储、计算的能力,将文件内容缓存到多个移动设备中,可以满足网络内节点对数据的频繁下载,实现了快速获取重要业务数据的目标,提升了数据传输效率。在D2D网络中,当存储数据的移动设备不可用时,需要及时对丢失的数据进行修复,以保证存储系统的稳定性。因此,分布式存储系统的冗余容错技术在D2D存储网络中具有潜在的实用价值。传统冗余容错技术,例如复制策略、纠删码策略、再生码策略等,虽然在一定程度上保证了系统的可靠性,但仍然无法避免存储资源浪费、带宽开销过大和帮助节点数目较大的问题。此外,D2D网络的异构性已成为未来5G通信网络的必然发展趋势,由于实际应用中不同区域的设备传输能力迥异,将给D2D分布式存储网络带来通信开销不均衡以及能源浪费等问题,亟待解决。针对上述D2D分布式存储网络中数据容错技术的应用问题,本论文以降低数据下载和修复的通信开销为目标,将可修复喷泉码(Repairable Fountain Codes,RFC)技术引入D2D分布式存储网络,以解决异构D2D网络中的数据可靠存储和及时修复问题。主要的研究内容及贡献如下:可修复喷泉码是在传统信道编码的基础上,近几年提出的一种具有分布式存储性质的新型喷泉码。论文详细阐述了可修复喷泉码的编码和译码过程,分析了可修复喷泉码的特点。对可修复喷泉码的分布式存储性能进行了详细分析,并与传统的复制、纠删码和再生码方案进行对比仿真,为异构网络中的D2D分布式存储技术的研究做铺垫。针对在一个基站覆盖范围下,两组具有不同传输能力的移动设备组成的异构D2D数据存储场景。根据可修复喷泉码的无码率性质和O(logk)的修复局部性,设计了具有非等局部性的可修复喷泉码(Unequal Repair locality Based on RFC,URL-RFC)。阐述了编码、译码、修复等过程,对等局部性和非等局部性可修复喷泉码在该系统模型下的通信开销进行了性能分析和对比。通过仿真验证了URL-RFC方案在异构D2D数据存储网络中通信开销的优越性。针对未来基站小型化的特点,提出了一种在分层异构D2D分布式存储网络中应用可修复喷泉码的系统模型。通过对该模型工作过程的假设与分析,推导了在有一定的修复间隔的情况的数据下载和修复开销的性能公式,并设计了分层异构网络模型下的非等局部性喷泉码及其修复策略。比较了URL-RFC方案与其他编码方案的通信开销,并通过仿真验证了在移动设备和小基站均具有通信能力差异时,URL-RFC可以更好地适应分层异构D2D分布式存储网络,实现低能耗的数据下载和修复。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5

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