终端直通蜂窝系统中的边缘缓存技术

摘要

随着蜂窝数据业务和流量迅速增长，蜂窝网络面临的数据流量压力越来越大。受网络资源的限制，传统的增加蜂窝系统容量的方法如缩小小区范围、增加可用频谱等，越发难以为继。如何对蜂窝网络系统进行流量卸载成为学界和业界关注的重点。D2D通信技术支持两个终端用户直接进行通信，相比于传统的蜂窝通信，D2D通信可以减轻蜂窝基站的负担。此外，边缘缓存是实现流量本地化、进行流量卸载的有效方法。将D2D通信与缓存相结合，使得蜂窝网络中缓存在终端的数据不仅可以满足终端自身需求，也可以通过D2D通信与邻近终端共享，这样将大大减轻网络流量负载。因此研究蜂窝系统中基于D2D通信的终端缓存策略以最大化系统流量卸载性能具有重要的理论意义和实用价值。
　　本研究主要内容包括：⑴对蜂窝系统中基于D2D通信的终端被动缓存的流量卸载性能进行了分析。当终端缓存有文件时，终端的文件请求可通过自身缓存或者基于终端间D2D通信的文件共享满足。本论文对两种不同的终端移动场景下终端缓存的流量卸载性能进行了研究。在静态网络中，终端间的拓扑关系可视作是稳定的，因此可以对各D2D链路的通信进行调度，但D2D链路的传输需求在不同时刻是变化的，本论文基于最大加权独立集模型提出了一个启发式算法来获得系统流量卸载比率。在高移动性网络中，终端间不存在稳定的拓扑关系，本论文将移动终端位置建模为泊松点过程，并通过随机几何分析得到系统流量卸载比率。⑵研究了蜂窝系统中基于D2D通信的终端主动缓存策略。终端可调整自身缓存内容以最大化系统流量卸载量。考虑到移动终端有不同的移动性和缓存空间、需要缓存的文件有不同的大小和流行程度这些因素，问题建模为一个组合优化问题并被证明是NP难题。由于终端和文件的数目较大，通过指数级复杂度获得最优解并不实际。本论文提出了一个低复杂度分布式终端间缓存调整算法来实现移动终端相遇时的缓存内容调整，并理论上推导了该算法能达到的性能界。基于终端间缓存调整算法，提出了需要基站提供辅助信息的基站辅助流量卸载算法，为了减少基站辅助带来的控制信息负荷，进一步提出了由终端进行参数估计的完全分布式流量卸载算法。⑶对基于D2D协作传输的传输策略和终端缓存策略进行了联合优化设计。多个终端可以以D2D协作传输的方式向同一终端传输同一文件以提高通信质量，对抗衰落，结合终端缓存策略进一步系统提升流量卸载性能。本论文将协作传输策略和终端缓存策略的联合优化问题分解为求解传输策略的子问题和求解缓存策略的主问题。本论文将传输策略子问题转化为有限步MDP问题，给出了该MDP问题贝尔曼最优性方程，通过求解贝尔曼方程提出了系统传输策略进行链路选择；得到系统传输策略后，以梯度投影法为工具，对缓存策略主问题进行求解，得到了系统缓存策略。

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致谢

缩写、符号清单、术语表

第1章 绪论

1.1 背景介绍

1.2 相关领域研究现状

1.3 本文的主要工作

1.4 本文的结构安排

第2章 基于D2D通信的终端被动缓存流量卸载性能分析

2.1 系统模型

2.2 静态网络中的流量卸载比率

2.3 高移动性网络中的流量卸载比率

2.4 仿真结果

2.5 本章小结

第3章 基于D2D通信的终端主动缓存策略

3.1 系统模型

3.2 终端间缓存调整算法

3.3 基站辅助流量卸载算法

3.4 完全分布式流量卸载算法

3.5 仿真结果

3.6 本章小结

第4章 基于D2D协作传输的终端缓存策略和传输策略的联合优化

4.1 系统模型

4.2 传输与缓存联合优化问题描述

4.3 传输策略设计

4.4 缓存策略设计

4.5 仿真结果

4.6 本章小结

第5章 总结与展望

参考文献

作者简历

攻读学位期间的学术论文及研究成果