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

2017-03-06 20:19:28盧芳
電子技術(shù)與軟件工程 2017年1期
關(guān)鍵詞:移動(dòng)性

盧芳

D2D用戶(hù)設(shè)備中緩存受歡迎的流行文件,用戶(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù),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)?,但是顯然不適合實(shí)際,尤其現(xiàn)在大量的手機(jī)用戶(hù)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(hù)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(lèi):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(lèi),一部分緩存奇數(shù)類(lèi)的文件,另一部分緩存偶數(shù)類(lèi)的文件;確定性緩存3表示節(jié)點(diǎn)分為三類(lèi),每隔兩個(gè)文件進(jìn)行緩存直至緩存滿(mǎn)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(hù)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(mǎn)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?chē)囊苿?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(mǎn)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ㄟ^(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

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