用戶移動(dòng)性對(duì)D2D緩存網(wǎng)絡(luò)的定性研究

盧芳

D2D用戶設(shè)備中緩存受歡迎的流行文件，用戶可通過(guò)D2D模式進(jìn)行通信，大大降低了基站的負(fù)載。本文定性地探索了用戶的移動(dòng)性對(duì)D2D緩存網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的影響，通過(guò)常見(jiàn)的緩存策略的研究，我們可發(fā)現(xiàn)用戶的移動(dòng)性在一定程度上能夠提高通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)分流率，減輕基站的負(fù)載，但當(dāng)移動(dòng)速度過(guò)大的情況下，系統(tǒng)分流率也會(huì)降低。

【關(guān)鍵詞】移動(dòng)性 D2D緩存網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)分流率 負(fù)載

1 引言

在過(guò)去的幾年，智能手機(jī)的爆炸式增長(zhǎng)，使得移動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)生了突變式的增長(zhǎng)，并且預(yù)計(jì)在接下來(lái)的幾年，智能手機(jī)依舊會(huì)以每年60%的增長(zhǎng)速率增長(zhǎng)。利用智能手機(jī)的存儲(chǔ)能力，能夠非常有效的減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的壓力。用戶設(shè)備緩存流行的文件，通過(guò)D2D（device-to-device）通信模式將緩存的流行文件發(fā)送給在其通信范圍內(nèi)的請(qǐng)求的用戶，能夠有效緩解蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站的流量壓力。目前絕大多數(shù)的研究，例如文獻(xiàn)[2]等都是基于固定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌秋@然不適合實(shí)際，尤其現(xiàn)在大量的手機(jī)用戶很多時(shí)候都是處于運(yùn)動(dòng)的情況。

本文所研究的內(nèi)容主要從定性的角度考慮，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性對(duì)D2D通信緩存網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的影響，通過(guò)兩種常見(jiàn)的緩存策略，隨機(jī)緩存和確定性緩存，研究節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性對(duì)D2D通信網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的影響。本文的主要貢獻(xiàn)是定性的研究了移動(dòng)性了移動(dòng)性對(duì)D2D緩存網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的影響，節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)能夠給整個(gè)通信系統(tǒng)帶來(lái)優(yōu)點(diǎn)，提升數(shù)據(jù)分流率，而另一方面是移動(dòng)性也會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)缺點(diǎn)，由于節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)使得正在傳輸?shù)奈募蝗恢袛?，無(wú)法完成通信，而造成系統(tǒng)的性能下降。

2 問(wèn)題分析

首先，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，由于節(jié)點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致用戶的位置發(fā)生隨機(jī)性的改變，并且節(jié)點(diǎn)之間的連接過(guò)程服從泊松過(guò)程。速率指數(shù)表示為λij，T之內(nèi)，節(jié)點(diǎn)i和j建立通信的概率表示為：

本文采用的隨機(jī)緩存和確定性緩存策略是常用的緩存方案，我們通過(guò)對(duì)這兩種緩存策略下的D2D通信網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下的研究下，初步研究節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性對(duì)緩存系統(tǒng)的影響。

本文，從兩個(gè)方面來(lái)研究移動(dòng)特性給D2D通信緩存網(wǎng)絡(luò)中帶來(lái)的影響。首先是理想的情況下，請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)文件存在于本地緩存，節(jié)點(diǎn)距離在D2D通信范圍內(nèi)，那么節(jié)點(diǎn)之間的連接成功。另一方面是實(shí)際的情況，數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)文件的大小和節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度，一個(gè)完整的文件不可能一次性就傳完，正在傳輸?shù)奈募捎诠?jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)而突然停止傳輸，那么相當(dāng)于文件從沒(méi)有接收過(guò)，緩存失敗。

3 系統(tǒng)建模

蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)基站BS，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為N，基站BS可以為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有有限不同的緩存能力。在該蜂窩網(wǎng)絡(luò)下有兩種通信方式：一種是傳統(tǒng)的通信方式，從基站BS到節(jié)點(diǎn)之間的蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信，另一種是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間直接進(jìn)行的D2D通信方式，即兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到彼此之間的通信范圍內(nèi)時(shí)，直接進(jìn)行通信而不通過(guò)基站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

該網(wǎng)絡(luò)中，M個(gè)數(shù)據(jù)文件，該數(shù)據(jù)文件集合服從zipf分布，基站和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都能夠相應(yīng)獲得文件，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可作為數(shù)據(jù)請(qǐng)求者和數(shù)據(jù)發(fā)送者。例如，一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在等待時(shí)間T內(nèi)請(qǐng)求文件，若該節(jié)點(diǎn)中沒(méi)有該緩存文件，節(jié)點(diǎn)就會(huì)將這個(gè)請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給與他建立D2D通信的其他節(jié)點(diǎn)，如果在等待時(shí)間T內(nèi)，該請(qǐng)求沒(méi)有做出任何回應(yīng)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將會(huì)通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)獲得請(qǐng)求文件。本文中定義系統(tǒng)流量分流率，借鑒文獻(xiàn)[5]中定義的分流率定義，分流率U定義為等待時(shí)間T過(guò)期之前對(duì)所有數(shù)據(jù)文件的分流率，定義為如下：

其中sd表示文件d的大小，令qd表示文件d的流行度，qd正比于所有節(jié)點(diǎn)對(duì)文件d的請(qǐng)求率，Pi，d表示在請(qǐng)求時(shí)間T之內(nèi)所有請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)i獲得文件d的概率。顯然這個(gè)數(shù)據(jù)分流率問(wèn)題是一個(gè)NP-hard，我們采用背包問(wèn)題進(jìn)行解決，緩存最優(yōu)策略不是本文的重點(diǎn)，我們不進(jìn)行重點(diǎn)描述。

4 仿真試驗(yàn)結(jié)果

這個(gè)部分中，采用隨機(jī)緩存算法和基于流行度的確定性緩存兩個(gè)緩存方案來(lái)研究移動(dòng)性對(duì)D2D緩存網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的影響，研究標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)數(shù)據(jù)分流率來(lái)表示。節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模型服從隨機(jī)游走模型，確定性緩存我們分為了三類：確定性緩存1表示所有的節(jié)點(diǎn)都從最高流行的文件進(jìn)行緩存；確定性緩存2表示節(jié)點(diǎn)分為兩類，一部分緩存奇數(shù)類的文件，另一部分緩存偶數(shù)類的文件；確定性緩存3表示節(jié)點(diǎn)分為三類，每隔兩個(gè)文件進(jìn)行緩存直至緩存滿為止。下面對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

4.1 理想情況下

在節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，只要請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)能夠從臨近節(jié)點(diǎn)獲得請(qǐng)求的數(shù)據(jù)文件，就能夠完整的接收該整個(gè)文件，即數(shù)據(jù)傳輸速率足夠大，而不考慮由于節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，使得節(jié)點(diǎn)移動(dòng)出他們之間的通信范圍而通信中斷。

圖1表明在一定程度上，隨著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的速度越來(lái)越大，兩種緩存方案下的數(shù)據(jù)分流率都有所提高，除了確定性緩存方法中的第一種。但是隨著移動(dòng)速度的逐漸變大，隨機(jī)緩存的數(shù)據(jù)分流率要與基于流行度的確定性緩存方法性能相近，因?yàn)閷?duì)于確定性緩存，每個(gè)節(jié)點(diǎn)緩存文件的差異性相對(duì)于隨機(jī)緩存不大，而隨機(jī)緩存方案中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的緩存內(nèi)容幾乎不太一樣，所以隨著移動(dòng)速度的變大，D2D用戶有更大的機(jī)會(huì)與其他的節(jié)點(diǎn)相接觸，就有更多的機(jī)會(huì)檢索到請(qǐng)求的文件，而隨機(jī)緩存中文件的差異性比較大，因此，就會(huì)滿足更多的請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)分流率就會(huì)相對(duì)較大。

4.2 實(shí)際情況下

在這個(gè)部分我們考慮實(shí)際情況，數(shù)據(jù)傳輸速率不會(huì)在理想的情況下無(wú)限大，而是由于節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，正在傳輸?shù)奈募蝗恢袛?，此時(shí)我們認(rèn)為只要數(shù)據(jù)中斷，那么整個(gè)接收的文件就相當(dāng)于沒(méi)有接收，下次需要重新傳輸；除此之外，由于節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，也會(huì)給請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)帶來(lái)請(qǐng)求的文件，增大系統(tǒng)分流率。

圖2表示隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的變化，隨機(jī)緩存策略和確定性緩存策略下的數(shù)據(jù)分流量的隨著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的速度變化先增加后減小，在該仿真模型中最優(yōu)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)速度是10左右，該變化很好的表明了節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性的優(yōu)缺點(diǎn)，移動(dòng)性在一定程度上確實(shí)能夠給D2D緩存網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)性能上的增益，但是當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的速度過(guò)大時(shí)就會(huì)降低系統(tǒng)的性能。這也充分說(shuō)明了節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性能夠給D2D節(jié)點(diǎn)帶來(lái)請(qǐng)求的其他節(jié)點(diǎn)中緩存的文件，但也能夠隨著速度的變大，緩存節(jié)點(diǎn)由于運(yùn)動(dòng)而走出通信范圍，使得通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分流量反而下降。

圖3表示隨著節(jié)點(diǎn)的數(shù)量的變化情況，數(shù)據(jù)分流量的變化情況，顯然隨著節(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加，隨機(jī)緩存和確定性緩存整體上的數(shù)據(jù)分流率也會(huì)增加。因?yàn)殡S著節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的增多，網(wǎng)絡(luò)密度變大，周圍的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)變多，請(qǐng)求的數(shù)據(jù)文件有更大的機(jī)會(huì)獲得滿足。

通過(guò)上面的多個(gè)仿真圖我，我們不難發(fā)現(xiàn)，確定性緩存整體上要優(yōu)于隨機(jī)緩存，而對(duì)于差異性越大的確定性緩存，對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分流量越大。我們可以得出在緩存流行程度高的數(shù)據(jù)文件的情況下，要盡可能多的緩存不同的文件，尤其是對(duì)于移動(dòng)的通信網(wǎng)絡(luò)，更有利于節(jié)點(diǎn)有更大的機(jī)會(huì)獲得請(qǐng)求的文件。節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性對(duì)于D2D通信緩存網(wǎng)絡(luò)有很大的優(yōu)點(diǎn)，相比于靜止的緩存網(wǎng)絡(luò)，在一定的速度下節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性能夠增大系統(tǒng)數(shù)據(jù)分流量，在一定程度上降低了基站的負(fù)載壓力，緩解了網(wǎng)絡(luò)擁塞，降低了系統(tǒng)延遲，對(duì)未來(lái)的5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)有很大的幫助作用。

5 總結(jié)

在這篇文章中，我們主要定性研究了節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性對(duì)D2D通信緩存網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的影響。本文主要考慮了兩種主要的情況，一種是理想情況下，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的傳輸速率相對(duì)于節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)限大時(shí)，也就是節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)不影響節(jié)點(diǎn)之間的傳輸，另一種是實(shí)際的情況，也就是正在傳輸?shù)奈募捎诠?jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)會(huì)中斷傳輸?shù)奈募?，通過(guò)研究我們也發(fā)現(xiàn)，一定的運(yùn)動(dòng)速度能夠有利于數(shù)據(jù)的傳輸，增大了系統(tǒng)分流量，有效減輕基站的負(fù)載。在本文中，我們發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的速度是10m/s左右時(shí)，能夠最大提升系統(tǒng)分流量和網(wǎng)絡(luò)容量，有效地減輕基站的負(fù)載。因此，我們可以看出，移動(dòng)性雖然能夠?qū)⒄趥鬏數(shù)奈募袛?，但也能夠?yàn)橐苿?dòng)的節(jié)點(diǎn)提供與其他的節(jié)點(diǎn)相接觸的機(jī)會(huì)，適度的提升網(wǎng)絡(luò)容量，緩解網(wǎng)絡(luò)壓力。在未來(lái)，可對(duì)移動(dòng)性對(duì)D2D通信緩存網(wǎng)絡(luò)的影響進(jìn)行更加深入的研究，針對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)和每個(gè)文件的異構(gòu)，針對(duì)不同的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型以及在不同的節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的情況下，如何設(shè)計(jì)出不同的最優(yōu)緩存策略來(lái)提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分流率將會(huì)是一個(gè)具有很大研究?jī)r(jià)值的課題。

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作者單位

北京航空航天大學(xué) 北京市 100191