论文题目：基于网络编码的D2D缓存内容分发技术研究
摘要：随着网络智能移动设备的快速增长,各种新型移动应用服务的不断涌现,移动数据流量呈现海量化剧增趋势,传统的集中式网络体系架构中的服务器承载着沉重的通信压力。移动边缘缓存（Mobile Edge Caching）通过部署在网络边缘的智能设备并缓存流行性内容已经成为一项有效缓解服务器负载的核心技术。编码缓存利用无线边缘缓存信息,通过多播传输同时满足多个用户的内容需求,能有效增加网络吞吐量。设备到设备（Device-to-Device,D2D）缓存系统不仅将流行文件存储在基站,同时利用智能设备（节点）存储容量,将文件缓存在边缘智能设备中,与将文件直接存储在基站相比,可以有效增大单位时间吞吐量、减轻基站的负载、降低回程链路和通信能源消耗。本文采用喷泉码作为主要的数据编码方案,但是编码缓存与边缘缓存网络为达到最佳的网络适配性,要面临系统参数,如文件大小、缓存大小、不同边缘基站覆盖内的用户对文件偏好程度、以及用户数量异构的问题,海量数据与边缘设备缓存容量难以匹配融合。同时,智能设备缓存容量有限,节点无法缓存用户所需的全部文件,单个节点只能缓存当前部分流行文件,降低单位时间内系统吞吐量;并且节点的能量有限,无法持续以最大发射功率进行D2D链路传输。因此,如何设计合理的缓存策略和功率分配以提高系统的吞吐量是当前急需解决的问题。针对上述问题,本文讨论编码缓存与未编码缓存对于回程负载、服务时间、网络吞吐量的影响,以提升网络系统的最大吞吐量为目标,研究基于网络编码的缓存技术在D2D边缘缓存网络中的适应性问题。主要的研究内容归纳如下:针对网络编码与编码缓存相关基础理论进行详细介绍,为实际应用场景中具体方案设计与性能分析奠定基础。详细分析基站-用户联合缓存系统模型、内存-速率折衷上下界,并通过仿真对比编码缓存方案与未编码缓存方案,发现编码缓存相比未编码缓存能有效减少服务器的回程负载。进一步将喷泉码作为编码缓存方案引入基站-用户联合缓存系统模型中,在用户端采用喷泉码进行内容放置,通过仿真证明了喷泉码作为内容放置方案比未编码的内容放置方案所需回程负载更小,取得更高的性能增益。建立了D2D-基站协作编码缓存网络模型,构建了以基站和D2D联合缓存的边缘缓存网络,推导了随机缓存网络和基于喷泉码缓存网络下的多集群下数学上易于处理的吞吐量表达式。并在缓存容量和网络功率受限的情况下,建立了最大化吞吐量的优化问题。在随机缓存方案中通过将优化问题转化为凹问题得到最优解,并在喷泉码缓存方案中设计了缓存策略和功率分配的优化算法得到了近似最优解。相比于随机缓存方案,仿真证明了喷泉码方案吞吐量更高,采用缓存策略和功率分配的优化算法能进一步提高系统吞吐量。进一步讨论在不同缓存方式对系统平均服务时间的影响。建立了D2D集群缓存的网络和缓存模型,推导了此模型的平均服务时间表达式。最后,先通过仿真分析传输参数不同取值对系统平均服务时间的影响,再将编码缓存同其他未编码缓存的传统内容放置方案对比,证明了编码缓存应用在D2D集群缓存网络在减少传输时延上带来了好处。
关键词：网络编码;D2D缓存网络;内容分发;优化算法
学科专业：电子与通信工程（专业学位）
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景
1.2 研究目的及意义
1.3 相关技术研究现状
1.3.1 内容分发网络
1.3.2 网络编码技术
1.3.3 D2D边缘缓存
1.4 主要内容及结构安排
第2章 网络编码与编码缓存基础理论
2.1 引言
2.2 网络编码原理
2.2.1 蝶形网络
2.2.2 随机线性网络编码
2.2.3 喷泉码
2.3 编码缓存原理
2.4 基站-用户缓存模型及性能仿真
2.5 本章小结
第3章 D2D-基站协作编码内容分发
3.1 引言
3.2 D2D-基站缓存系统模型
3.3 随机缓存
3.3.1 吞吐量分析
3.3.2 优化问题建立及求解
3.4 喷泉码缓存
3.4.1 吞吐量分析
3.4.2 优化问题建立及求解
3.5 仿真结果及性能分析
3.6 本章小结
第4章 D2D集群缓存系统的编码内容分发
4.1 引言
4.2 D2D集群缓存系统模型
4.3 随机响应机制
4.3.1 性能指标描述
4.3.2 喷泉码缓存方案的性能
4.3.3 无编码缓存方案的性能
4.4 仿真结果及性能分析
4.5 本章小结
结论
参考文献
致谢