信息中心网络绿色节能机制研究

发布时间：2017-10-16 04:35

  本文关键词：信息中心网络绿色节能机制研究

  更多相关文章： 信息中心网络 能效 能量有效的缓存放置 能量有效的内容放置 休眠技术

【摘要】：目前,互联网已成为现代社会最重要的基础设施之一,被广泛应用于社会经济、文化、政治、军事和生活的各个领域,是推动经济发展和社会进步的重要因素。随着互联网流量的爆炸式增长,互联网缺少对网络内容的关注。为了更好应对互联网使用从发送者驱动的端到端通信模式向接受者驱动的内容获取模式,创新性的信息中心网络(Information-Centric Networking, ICN)架构应运而生。目前国内外已对ICN领域进行了一些研究工作,绝大多数工作集中在架构问题,包括命名与寻址、缓存、流量控制与移动性,但是能效问题被忽视。然而,随着网络流量的爆炸式增长,ICN能效问题越来越引人关注。此外,日益严格的环保标准和快速增长的能源成本使得互联网能效问题日益严重。本论文针对ICN中的休眠技术与能量有效的缓存策略进行了相关研究,提出了相应的创新性解决方案,并通过理论分析和计算机仿真证明了所提算法的性能。本论文的主要贡献以及成果主要概括为如下三个方面：(1)提出关闭网络空闲的内容路由器与链路来提高CCN能效。首先,首次系统地从关闭内容路由器与网络链路的角度分析了CCN能效问题。第二,将能耗问题抽象为一个混合整数线性规划(Mixed Integer Linear Programming, MILP)模型,并提出一个基于生成树的集中式解决方案来求解该问题,实现内容中心网络能耗的最小化。第三,为了分布式求解能耗最优化问题,方案采用对偶分解(Dual Decomposition, DD)的方法提出了一种分布式能耗最优算法,该算法可以将集中式的能耗最优化问题转化成路由节点状态、链路状态、链路流量这三个子问题,进而实现分布式求解。第四,为了提高基于DD的求解算法收敛速度,方案提出一种基于交替方向乘子算法(Alternating Direction Method of Multipliers, ADMM)的分布式一致最优化算法,该算法为一般的DD方法引入一种交替方法。具体来说,该算法首先将能耗最优化问题抽象为带有局部变量的一致化问题,然后使用ADMM方法来快速求解,提高网络的收敛速度。通过复制流变量,能耗问题分解为特定节点带局部变量的子问题,这些变量使用ADMM算法迭代趋于一致。最后,通过仿真验证对比设计的两种分布式方案以及现有方案的性能。(2)在CCN背景下提出一种能量有效的分布式网络缓存机制。首先,在设计的能量有效的分布式缓存机制中,每个内容路由器只需要知道局部的信息来做缓存决定,该过程同时考虑了网络缓存能耗与传输能耗。第二,本方案将能量有效的分布式网络缓存问题抽象为一个非合作博弈,通过严格的数学分析与推导,证明了即使每个内容路由器缓存行为本质上是利己,该分布式策略存在纯纳什均衡解,并且解集合中一直存在一个最优解。最后,通过仿真验证对比所提方案以及现有方案的性能。(3)在带缓存的单基站背景下提出一个能耗与时延均衡的模型。首先,在带缓存的单基站背景下分析了能耗与时延均衡问题,并对该问题进行了建模分析。虽然部署的缓存会引入额外的缓存能耗,但是缓存能够显著降低基站负载与网络时延,最终实现能耗与时延的均衡。其次,在仿真中将提出的带缓存单基站能量与时延均衡模型方案与相比传统的蜂窝网模型进行比较,验证了方案的有效性。同时,我们也发现一个更大的缓存容量并不意味着一直能够实现更好的系统性能。
【关键词】：信息中心网络 能效 能量有效的缓存放置 能量有效的内容放置 休眠技术
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP393.02
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-28
• 1.1 论文研究背景12-21
• 1.1.1 互联网发展及面临的挑战12-16
• 1.1.2 信息中心网络16-20
• 1.1.3 信息中心网络应用前景20-21
• 1.2 研究现状及意义21-23
• 1.3 论文主要工作与组织结构23-28
• 1.3.1 论文主要工作23-25
• 1.3.2 论文组织结构25-28
• 第二章 信息中心网络及节能技术概述28-38
• 2.1 引言28-38
• 2.1.1 信息中心网络概述28-30
• 2.1.2 信息中心网络节能技术概述30-38
• 第三章 基于休眠技术的分布式能耗最优化算法38-70
• 3.1 引言38-40
• 3.2 系统模型40-42
• 3.2.1 网络拓扑模型40
• 3.2.2 多商品流模型40-41
• 3.2.3 问题描述41-42
• 3.3 基于生成树启发的集中式算法42-43
• 3.4 基于对偶分解的分布式算法43-48
• 3.4.1 对偶分解43-46
• 3.4.2 链路状态子问题46-47
• 3.4.3 节点状态子问题47
• 3.4.4 链路流量子问题47
• 3.4.5 算法实现47-48
• 3.5 基于交替方向乘子的分布式算法48-55
• 3.5.1 一致最优问题49-51
• 3.5.2 分布式算法实现51-53
• 3.5.3 算法实现与可扩展性53-55
• 3.6 仿真结果55-68
• 3.6.1 仿真设置55-56
• 3.6.2 性能评估结果56-68
• 3.7 本章小结68-70
• 第四章 能量有效的分布式网络缓存机制70-88
• 4.1 引言70-71
• 4.2 系统模型71-73
• 4.2.1 网络模型71
• 4.2.2 能量消耗模型71-73
• 4.2.3 问题描述73
• 4.3 基于非合作博弈的能量有效的缓存问题求解73-79
• 4.3.1 效用模型建立74-75
• 4.3.2 效用模型分析75-79
• 4.4 仿真结果79-86
• 4.4.1 仿真设置79
• 4.4.2 性能评估结果79-86
• 4.5 本章小结86-88
• 第五章 能量与时延均衡的带缓存单基站部署方案88-96
• 5.1 引言88-89
• 5.2 系统模型89-91
• 5.2.1 网络模型89-91
• 5.2.2 问题描述91
• 5.3 仿真结果91-92
• 5.3.1 仿真设置91-92
• 5.3.2 性能评估结果92
• 5.4 本章小结92-96
• 第六章 全文总结及展望96-100
• 6.1 论文的工作总结96-97
• 6.2 下一步研究计划97-100
• 参考文献100-110
• 致谢110-112
• 攻读学位期间发表的学术论文目录112

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本文编号：1040650