无线网络中基于上下文信息感知的边缘缓存策略研究

发布时间：2020-09-29 16:08

　　随着互联网业务的增长以及智能移动终端的普及,全球范围内的移动数据流量正以指数式的速度增长,其中视频流量的占比高达7成。如何在这样的网络压力下保证性能,对运营商而言是巨大的挑战。提高基站的部署密度以及提高频率的复用效率等传统的围绕基站展开的技术手段能一定程度上能缓解移动流量激增问题。但它们却无法决解有限的回程链路容量与持续激增的数据流量之间的矛盾。随着无线通信的发展,演进至5G时代,人在其中将扮演越来越重要的角色。通过挖掘用户的行为规律,如用户申请文件的反复性,无线边缘缓存技术应运而生。将用户反复申请的流行文件缓存至边缘网络,如蜂窝网络、D2D(Device-to-Device)网络,用户下载这些文件时不需要经过回程链路从核心网获取,因而解放了回程链路的压力,进一步提高了网络性能。目前国内外对无线边缘缓存策略虽然已进行了大量的研究,但仍存在两大问题:一方面,大部分的研究工作并没有跳出在传统有线网络中研究缓存策略的思维框架,即无线接入网中的上下文信息,如用户的移动特性,社交关系等并没有被充分考虑以及合理利用;另一方面,在蜂窝网络或在D2D网络下,相关的缓存策略研究虽然很多,但在基站通信与D2D通信共存的异构网络下,很少有研究结果能回答基站缓存与D2D缓存孰优孰劣,以及如何在这样的异构网络下设计缓存策略的问题。针对上述两大问题,本论文从无线边缘网络中上下文信息感知的角度入手,研究如何利用无线网络中的上下文信息来提升边缘网络缓存的性能并回答基站通信与D2D通信共存的异构网络下,如何统筹基站缓存与D2D缓存优势的问题。本论文的主要工作以及主要贡献为以下三方面:一、蜂窝网络中用户移动感知的缓存策略研究:考虑到无线网络中用户具有移动性的特点,并将用户移动快慢的上下文信息以及分布式缓存的思想融入到经典的随机缓存策略中,在微基站网络的场景下我们提出了一种基于用户移动感知的编码随机缓存策略。该策略以最大化微基站的吞吐量为优化目标权衡了用户移动性、文件多样性、信道分集这三方面带来的增益。通过随机几何以及探索式算法,我们从数值上分析了用户移动性,文件流行度以及回程链路容量对所提出的缓存策略的参数和性能的影响。从性能上看,所提出的缓存策略在吞吐量上整体高于经典的随机缓存策略和传统的最流行文件缓存策略。在用户移动快,文件喜好不均匀性较低以及回程链路容量十分有限的情境下,所提出的缓存策略取得的性能优势尤为明显。二、D2D网络中用户移动感知的缓存策略研究:首先研究了在D2D通信的场景下,用户移动感知的缓存策略。利用排队论等数学工具,将用户的移动行为建模成排队行为。通过优化问题构建与相应的求解,得到了以最大化吞吐量为目标的缓存决策以及该决策随着用户移动性强度,文件流行度,用户密度等因素变化而变化的规律。最后,结合微基站网络中移动感知缓存策略的研究结果,统筹用户移动性,文件流行度以及用户密度等诸多因素的影响,回答了基站与D2D通信共存的异构网络下,应采取何种移动感知的缓存策略的问题。三、多维上下文信息感知的缓存策略研究:与上述基于典型用户分析的研究工作不同的是,多维上下文信息感知的缓存策略研究将研究目光从典型用户转而投向网络中的所有用户,利用无线网络中实时的用户信息,如移动路径,文件申请情况,流量使用量以及社交网络信息等,在线学习不同类型用户的行为规律,建立并更新用户类别与用户行为的映射关系。最终利用强化学习算法实现用户行为的预测并以最大化回程链路流量的卸载量为优化目标对网络文件进行预先缓存。相比于只考虑单一上下文信息的移动感知缓存策略,所提出的缓存策略在性能上取得超过30%的提升。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN929.5
【部分图文】：

基站,系统模型,单层,视频文件

Ｐｒｏｇｒｅｓｓ邋ｂａｒ邋ｏｆ邋ａ邋ｄｏｗｎｌｏａｄｅｄ邋ｖｉｄｅｏ逡逑图２－１系统模型逡逑如图２－１所示，本章的研宄是在单层微基站网络的基础上进行的。基于随机逡逑几何理论，我们将微基站的在二维空间上的分布建模成独立齐次的泊松点过程，逡逑并以表示全体微基站集合，其空间密度为毛。每座微基站均连有一台ＭＥＣ服逡逑务器，其存储能力以＜＾表示。由于绝大部分的移动数据流量是由视频点播业务逡逑（Ｖｉｄｅｏ－ｏｎ－Ｄｅｍａｎｄ，ＶｏＤ）引起的［１］，因而我们考虑该无线网络的主要任务是保逡逑证视频文件的传输，且ＭＥＣ服务器所缓存的文件为视频文件。逡逑基于实际情况出发，我们假设连接微基站与核心网的回程链路带宽是受限的，逡逑其大小为％。相比之下，微基站下行链路的带宽％要相对较高，即满足不等式逡逑７逡逑

平均逗留时间,规律

０逡逑图２－２逦随用户平均逗留时间的变化规律逡逑用户移动性对所提缓存策略的影响如图２－２，图２－３以及图２－４所示，其中逡逑回程链路容量系数０均设为０．５，这代表了中等的回程链路容量。由图２－２可知，逡逑随着用户平均逗留时间ｚ■的增加，‘呈单调递增趋势，最终趋近平缓，这表明随逡逑着用户整体移动性变弱，微基站倾向于对中的每个文件缓存更大占比的数据逡逑量。此外，我们还可以发现这种趋势将随着文件流行度的不均性系数／的提高而逡逑１６逡逑

平均逗留时间,规律,行为信息,缓存策略

逦第二章蜂窝网络中用户移动感知的缓存策略研究变得更加显著。以上结果还从侧面说明在我们应用移动感知的无线边缘缓存策的时候，在用户整体处于中等移动性（５０％Ｓｔ／７；Ｓ１５０％）的情景下，ＭＥＣ服器对用户的移动行为信息的精准反馈十分关键，因为由图２－２可见，对７■微小预测偏差会导致的大幅偏移，这在文件流行度不均性高的时候尤为明显。逡逑

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