5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中緩存與計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)研究

徐傳通

（吉林吉大通信設(shè)計(jì)院股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

在5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，優(yōu)化緩存與計(jì)算資源被人們認(rèn)為是能夠有效降低網(wǎng)絡(luò)傳輸冗余與延時(shí)的重要途徑，是提升發(fā)布率與網(wǎng)絡(luò)計(jì)算處理能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。結(jié)合現(xiàn)階段的5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信緩存與計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)，思考如何優(yōu)化緩存配置，提高計(jì)算效率，實(shí)現(xiàn)計(jì)算任務(wù)卸載。這一過程中建議搭建移動(dòng)模型與緩存?zhèn)鬏斈Ｐ?，以此擴(kuò)展緩存容量，優(yōu)化傳輸通道，提高移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)整體水平。此外，需要準(zhǔn)確分析緩存命中率，將邊緣計(jì)算運(yùn)用于卸載，建立移動(dòng)自主微云，從而有效降低能量消耗，充分發(fā)揮計(jì)算技術(shù)優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)5G通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與發(fā)展，為人們營(yíng)造一個(gè)良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境[1]。

1 5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的緩存與計(jì)算

1.1 5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)緩存

5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)緩存是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶從終端設(shè)備獲得請(qǐng)求的內(nèi)容，將內(nèi)容保留在移動(dòng)終端設(shè)備上，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)本次信息資源的利用，不需要從核心網(wǎng)絡(luò)或者外部網(wǎng)絡(luò)中獲取內(nèi)容，以此減少對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)容量的需求，緩解當(dāng)前可用容量與需求容量之間的矛盾。一般情況下，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)緩存主要分為內(nèi)容放置與傳輸兩個(gè)步驟。其中，內(nèi)容放置主要為緩存內(nèi)容與緩存位置，如何將緩存內(nèi)容下載到節(jié)點(diǎn)中；而內(nèi)容傳輸則是如何將內(nèi)容傳遞給發(fā)出請(qǐng)求的用戶。一般情況下，在網(wǎng)絡(luò)流量較低的時(shí)期有利于內(nèi)容放置，在網(wǎng)絡(luò)流量較高的時(shí)期有利于執(zhí)行內(nèi)容傳遞需求[2]。

緩存的形式可以分為兩種：一種是非編碼緩存，另一種是編碼緩存。前者需要假設(shè)文件完全緩存在終端設(shè)備上或者是不緩存在設(shè)備上，后者可以分為多個(gè)不同的文件或者分為幾個(gè)不同的相互不重疊的編碼段，確保每個(gè)設(shè)備可以緩存不同的編碼段，最后通過這些編碼段實(shí)現(xiàn)源文件的恢復(fù)。一般情況下，使用編碼緩存需要假設(shè)僅存編碼文件的一部分，通過收集這一文件的編碼段獲取整體文件。關(guān)于緩存內(nèi)容，結(jié)合5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)用戶的緩存軌跡可以發(fā)現(xiàn)，一般情經(jīng)常被申請(qǐng)緩存的是較為流行的視頻或者其他流行內(nèi)容。因此，建議關(guān)注緩存文件內(nèi)容的流行程度，即關(guān)注這一區(qū)域文件庫中各個(gè)文件被用戶申請(qǐng)的概率，通過設(shè)置文件庫中文件的大小與流程程度參數(shù)進(jìn)行表示。此外，用戶對(duì)內(nèi)容的喜好程度也會(huì)直接影響到緩存內(nèi)容，這主要是由于一些用戶對(duì)某一類的內(nèi)容具有偏好，若緩存此類內(nèi)容能夠在一定程度上提高請(qǐng)求命中率。因此，建議結(jié)合用戶的緩存請(qǐng)求歷史數(shù)據(jù)，利用協(xié)同過濾法進(jìn)行計(jì)算，以預(yù)測(cè)用戶可能緩存的內(nèi)容類型[3]。

在5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，緩存位置主要為用戶的移動(dòng)終端設(shè)備和移動(dòng)基站。緩存過程中，需要考慮位置的特殊性，如用戶所在小區(qū)信號(hào)情況、所在位置是否存在干擾等。關(guān)于基站緩存可以分為宏基站與small cell，其中small cell又可以細(xì)化分為有回傳連接和沒有回傳連接。通過調(diào)整優(yōu)化small cell的部署，能夠進(jìn)一步減少宏基站的流量傳輸，提高用戶的延時(shí)保障。

1.2 5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)計(jì)算技術(shù)

我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用水平不斷提升，云計(jì)算已經(jīng)成為現(xiàn)階段最先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)。在虛擬技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用云計(jì)算能夠在數(shù)據(jù)中心平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)系統(tǒng)與應(yīng)用的同步運(yùn)行，且能夠保證系統(tǒng)之間相對(duì)獨(dú)立、互不干擾，保護(hù)云端運(yùn)行的數(shù)據(jù)資料。因此，利用移動(dòng)終端設(shè)備的計(jì)算密集任務(wù)卸載到云端，能夠有效提高終端設(shè)備的計(jì)算能力。實(shí)際中需要云計(jì)算克服多種外界干擾，如環(huán)境因素影響、網(wǎng)絡(luò)安全情況以及移動(dòng)設(shè)備性能等。一般情況下，在移動(dòng)終端之間的數(shù)據(jù)傳輸存在大量的延時(shí)情況，且頻譜資源會(huì)影響無線網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)對(duì)接之間的吞吐量，需要卸載任務(wù)，以提高終端設(shè)備的計(jì)算能力[4]。

關(guān)于“基于遠(yuǎn)端云”的任務(wù)卸載計(jì)算，建議結(jié)合傳統(tǒng)的云計(jì)算方式在云端完成計(jì)算，之后將計(jì)算結(jié)果反饋給用戶；用戶可以通過兩種方式將任務(wù)卸載到終端后進(jìn)行計(jì)算，一種是通過無線可用的方式，另一種是無線網(wǎng)絡(luò)不可用時(shí)的方法。例如，用戶可以通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)如4G、5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行卸載，也可以利用WiFi網(wǎng)絡(luò)卸載，此時(shí)需要移動(dòng)設(shè)備感知所在環(huán)境，計(jì)算任務(wù)卸載策略，判斷能夠卸載。

關(guān)于“移動(dòng)微云”的卸載，是將服務(wù)器放置在網(wǎng)絡(luò)邊緣的架構(gòu)上，如公眾場(chǎng)所、人群密集地區(qū)等，保證計(jì)算資源豐富。這一方法雖然具有較強(qiáng)的應(yīng)用性，但是部署費(fèi)用較高，微云維護(hù)價(jià)格昂貴，可行性較低。在計(jì)算技術(shù)應(yīng)用的過程中，建議分別從減少延時(shí)、提高系統(tǒng)能耗效率以及降低終端能耗3方面入手，優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算任務(wù)卸載方案，提高運(yùn)行效率，從而為用戶提供優(yōu)質(zhì)的5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[5]。

2 5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中緩存與計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

2.1 搭建移動(dòng)模型，擴(kuò)展緩存容量

要想應(yīng)用緩存關(guān)鍵技術(shù)，建議結(jié)合現(xiàn)階段5G網(wǎng)絡(luò)用戶移動(dòng)終端的實(shí)際情況搭建移動(dòng)模型，以此實(shí)現(xiàn)“成對(duì)碰面”。“成對(duì)碰面”是現(xiàn)階段應(yīng)用較廣泛的一種模式，是一種較為獨(dú)立的泊松過程。結(jié)合small cell網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，假設(shè)用戶Di與small cell Sk之間能夠?qū)崿F(xiàn)通信，且通信條件是Di在Sk的覆蓋區(qū)域中可以得到覆蓋區(qū)域的半徑為Rs，得到用戶設(shè)備在small cell Sk覆蓋區(qū)域內(nèi)的接觸隔離時(shí)間為。此外，需要結(jié)合具體的文件數(shù)量m搭建用戶請(qǐng)求模型，以此形成文件請(qǐng)求幾何，按照流行度將文件進(jìn)行排序，保證每個(gè)文件的大小相同。得到內(nèi)容流行度的參數(shù)后，用戶的請(qǐng)求內(nèi)容能夠在最大程度上得到延時(shí)，并且可以分別通過本地緩存、D2D緩存以及宏基站緩存的形式得到[6]。

2.2 分析緩存命中率，減少基站流量消耗

要想應(yīng)用緩存關(guān)鍵技術(shù)，就要有目的地分析現(xiàn)有緩存命中率，以此調(diào)整緩存技術(shù)部署，從而提高命中率，減少基站的流量消耗，提高消耗的效率。此過程需要考慮用戶的移動(dòng)特點(diǎn)，結(jié)合small cell與用戶終端設(shè)備，綜合考慮緩存策略，將最大程度提高緩存命中率作為主要目的。在實(shí)際分析過程中，分析small cell的緩存命中率需要定義緩存矩陣X，確定X=(χf)t×m。當(dāng)Ff為緩存的small cell Sk時(shí)，則可以確定χf=1。因此，可以計(jì)算出small cell的緩存命中率。之后，需要結(jié)合緩存矩陣分析用戶的命中率，最終得到命中率為：

此外，若不考慮small cell緩存的問題，在用戶請(qǐng)求緩存時(shí)可以先檢查自身是否已經(jīng)緩存內(nèi)容，若沒有緩存，則可以通過D2D通信的方式獲取，以此提高緩存命中率[7]。

2.2.1 搭建緩存?zhèn)鬏斈Ｐ?，?yōu)化傳輸通道

要想應(yīng)用緩存關(guān)鍵技術(shù)，建議優(yōu)化緩存內(nèi)容的傳輸通道，構(gòu)建緩存?zhèn)鬏斈Ｐ?，以此提高能耗效率，營(yíng)造良好的通信環(huán)境。若將移動(dòng)設(shè)備中的緩存內(nèi)容傳輸給發(fā)出請(qǐng)求的移動(dòng)設(shè)備，則需要考慮這一過程中消耗的能量。要想在最大程度上縮小能量消耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)編碼段的傳輸，需要計(jì)算最優(yōu)發(fā)射功率，且假設(shè)移動(dòng)設(shè)備之間的通信是D2D，可以得到minimDizeED，subject，且計(jì)算緩存編碼段發(fā)送給請(qǐng)求用戶時(shí)的功率情況，以此節(jié)省用戶設(shè)備發(fā)送過程中消耗的能量，得到為移動(dòng)設(shè)備的最大發(fā)射功率。此外，可以優(yōu)化small cell的基站發(fā)射功率，以此得到minimBizeEB，，其中目標(biāo)函數(shù)是對(duì)緩存了編碼段的限制性功率，且為small cell的最大發(fā)射功率[8]。

2.2.2 邊緣計(jì)算運(yùn)用于卸載，降低卸載能耗

要想應(yīng)用計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)，要考慮D2D原有計(jì)算模式的不可靠性，提出新的計(jì)算任務(wù)卸載模式。建議結(jié)合機(jī)會(huì)主義理論構(gòu)建移動(dòng)自主微云的計(jì)算卸載模式，分析這一模式下的能量消耗與延時(shí)情況，以確定計(jì)算任務(wù)在移動(dòng)微云的卸載策略，體現(xiàn)其優(yōu)越性。考慮到近年來移動(dòng)設(shè)備流量不斷增長(zhǎng)且移動(dòng)設(shè)備智能化發(fā)展趨勢(shì)，需要將大量的計(jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)移到云端進(jìn)行處理，以此拓展設(shè)備的計(jì)算資源，增加設(shè)備儲(chǔ)存量，降低設(shè)備能耗。面對(duì)繁重的計(jì)算任務(wù)，可以利用蜂窩網(wǎng)卸載進(jìn)行處理，以提高數(shù)據(jù)傳輸率[9]。

2.2.3 建立移動(dòng)自主微云，充分發(fā)揮計(jì)算優(yōu)勢(shì)

要想應(yīng)用計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)，建議建立移動(dòng)自主微云平臺(tái)，充分發(fā)揮計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。實(shí)際中，建議結(jié)合不同的計(jì)算任務(wù)種類，明確分配不同的計(jì)算任務(wù)方案，結(jié)合機(jī)會(huì)主義，假設(shè)移動(dòng)微云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)確定任務(wù)數(shù)據(jù)，計(jì)算在單位時(shí)間內(nèi)沒有碰面的概率，且概率為P{t＞Δt}=e-λΔt。此時(shí)，假設(shè)任務(wù)量為n，每個(gè)任務(wù)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算總量為Q，控制n個(gè)子任務(wù)，子任務(wù)量為χi，則可以得到

3 結(jié) 論

綜上所述，在5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，產(chǎn)生的邊緣緩存與計(jì)算能夠有效克服回傳鏈路容量的局限性，同時(shí)能夠在一定程度上降低核心網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。本文中建議對(duì)移動(dòng)性、緩存分配技術(shù)、計(jì)算卸載方式等進(jìn)行研究，提出多種新穎的網(wǎng)絡(luò)緩存與計(jì)算卸載策略，解決原本的問題，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模式。文章提出了一種較為新穎的計(jì)算任務(wù)卸載模式，結(jié)合機(jī)會(huì)主義提出了移動(dòng)自主微云計(jì)算模式，從而降低任務(wù)計(jì)算能力，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體能效，為人們提供更加快速、高效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。