多中继网络的去中心化编码缓存技术研究

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随着移动数据爆炸式增长,智能移动终端的大量涌现对现有基础网络设施提出了更高要求。在数据链路传输阶段,利用有限网络资源来高效传输请求文件信息,降低峰值阶段链路负载,是编码缓存技术面临的关键问题。为此,本文开展了多中继网络的去中心化编码缓存技术研究,为不同应用场景设计可实现的编码缓存方案,并与现有缓存技术进行了比较。首先,简述了编码缓存背景和研究现状。随后,概述了Maddah-Ali和Niesen提出的中心化和去中心化编码缓存方案。在去中心化编码缓存基础上,针对异构用户缓存容量场景,提出了多子系统嵌套(MSN)编码缓存方案,引入零比特填充和基于分组的编码缓存,优化系统划分参数降低传输时的链路负载;针对多中继传输子文件相互干扰场景,提出了分层加权干扰消除(HWIC)编码缓存方案,在发送和接收端分别获得干扰对准和消除增益;针对非均匀文件流行度场景,提出了分层阈值分割(HTS)编码缓存方案,联合设计最近最少使用(LFU)缓存和单播传输,优化不同参数下的文件流行度阈值。全文研究内容和贡献如下:1.针对异构用户缓存容量场景中传统分组编码缓存和零比特填充方案在传输阶段的链路负载和系统复杂度问题,提出了MSN编码缓存方案。当用户数量大于文件数量时,在去中心化编码缓存基础上,提出全文件传输策略,协调中继节点请求文件索引,减少交付阶段的链路负载和源节点的传输次数。此外,中继节点和用户间的传输采用基于分组的编码缓存方案,根据用户请求进行分组,采用三段式交付,分别对所有用户未被缓存的子文件、单个用户缓存的子文件和剩余子文件编码传输,获得组内和组间潜在的编码多播增益。在其他情况下,采用零比特填充方案,可实现与分组编码缓存相同的链路增益,并降低系统复杂度。仿真表明:在用户大于文件数量情况下,相比于传统缓存和零比特填充方案,MSN编码缓存可分别获得38.5%和26.5%的链路增益;2.针对多中继传输干扰和传统干扰消除方案中用户缓存容量浪费等问题,提出了HWIC编码缓存方案,在发射和接收端分别获得干扰对准和消除增益。所提策略以系统总自由度(Do F)作为评价指标,用于衡量单次传输有效文件大小,在保证干扰消除和交付阶段链路负载前提下,最大化系统Do F。当单次无干扰传输子文件数量大于用户数量时,HWIC编码缓存将中继和用户节点缓存进一步划分,在加权无干扰传输基础上引入正交单播。相比传统缓存和干扰消除策略,中继和用户缓存可得到充分利用,从而获得额外Do F。仿真表明:当单次无干扰传输子文件大于用户数量时,相比未编码缓存和传统干扰消除方案,HWIC编码缓存可分别获得最低约1.3倍和10.6%的Do F增益;3.针对非均匀文件流行度下LFU和传统编码缓存方案在传输阶段的链路负载和缓存未被充分利用问题,提出了HTS编码缓存方案。结合中继和用户缓存容量等系统参数对四种不同情况进行探讨,提出并优化了文件流行度阈值,联合去中心化编码交付、LFU缓存和单播传输为流行和非流行文件设计不同的编码缓存方案。仿真表明:相比于LFU缓存,HTS编码缓存方案在源节点和中继节点的传输链路可实现约15.8%的链路增益,中继节点和用户的传输链路可实现约36%的链路增益,并随用户缓存容量增加而增大。本文主要研究了多中继网络下的去中心化编码缓存技术,针对异构用户缓存容量、多中继传输干扰和非均匀文件流行度等场景,分别提出了MSN、HWIC和HTS编码缓存方案,理论分析与推导了各链路交付阶段传输速率,证明所提缓存方案优于未编码和现有编码缓存方案。故所提缓存方案可应用于车联网和5G小型蜂窝网络等场景。
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