用戶移動性對D2D緩存網絡的定性研究

盧芳

D2D用戶設備中緩存受歡迎的流行文件，用戶可通過D2D模式進行通信，大大降低了基站的負載。本文定性地探索了用戶的移動性對D2D緩存網絡帶來的影響，通過常見的緩存策略的研究，我們可發現用戶的移動性在一定程度上能夠提高通信網絡的系統分流率，減輕基站的負載，但當移動速度過大的情況下，系統分流率也會降低。

【關鍵詞】移動性 D2D緩存網絡 系統分流率 負載

1 引言

在過去的幾年，智能手機的爆炸式增長，使得移動數據發生了突變式的增長，并且預計在接下來的幾年，智能手機依舊會以每年60%的增長速率增長。利用智能手機的存儲能力，能夠非常有效的減輕網絡負載的壓力。用戶設備緩存流行的文件，通過D2D（device-to-device）通信模式將緩存的流行文件發送給在其通信范圍內的請求的用戶，能夠有效緩解蜂窩網絡基站的流量壓力。目前絕大多數的研究，例如文獻[2]等都是基于固定的網絡拓撲，但是顯然不適合實際，尤其現在大量的手機用戶很多時候都是處于運動的情況。

本文所研究的內容主要從定性的角度考慮，節點的移動性對D2D通信緩存網絡帶來的影響，通過兩種常見的緩存策略，隨機緩存和確定性緩存，研究節點的移動性對D2D通信網絡帶來的影響。本文的主要貢獻是定性的研究了移動性了移動性對D2D緩存網絡帶來的影響，節點的運動能夠給整個通信系統帶來優點，提升數據分流率，而另一方面是移動性也會給系統帶來缺點，由于節點的運動使得正在傳輸的文件突然中斷，無法完成通信，而造成系統的性能下降。

2 問題分析

首先，在蜂窩網絡系統中，由于節點之間的運動，會導致用戶的位置發生隨機性的改變，并且節點之間的連接過程服從泊松過程。速率指數表示為λij，T之內，節點i和j建立通信的概率表示為：

本文采用的隨機緩存和確定性緩存策略是常用的緩存方案，我們通過對這兩種緩存策略下的D2D通信網絡的環境下的研究下，初步研究節點的移動性對緩存系統的影響。

本文，從兩個方面來研究移動特性給D2D通信緩存網絡中帶來的影響。首先是理想的情況下，請求節點請求的數據文件存在于本地緩存，節點距離在D2D通信范圍內，那么節點之間的連接成功。另一方面是實際的情況，數據傳輸速率相對文件的大小和節點的移動速度，一個完整的文件不可能一次性就傳完，正在傳輸的文件由于節點的運動而突然停止傳輸，那么相當于文件從沒有接收過，緩存失敗。

3 系統建模

蜂窩網絡中，一個基站BS，節點個數為N，基站BS可以為移動節點提供服務，每個節點都有有限不同的緩存能力。在該蜂窩網絡下有兩種通信方式：一種是傳統的通信方式，從基站BS到節點之間的蜂窩網絡通信，另一種是兩個節點之間直接進行的D2D通信方式，即兩個移動節點移動到彼此之間的通信范圍內時，直接進行通信而不通過基站進行轉發。

該網絡中，M個數據文件，該數據文件集合服從zipf分布，基站和移動節點都能夠相應獲得文件，任意一個節點都可作為數據請求者和數據發送者。例如，一個移動節點在等待時間T內請求文件，若該節點中沒有該緩存文件，節點就會將這個請求轉發給與他建立D2D通信的其他節點，如果在等待時間T內，該請求沒有做出任何回應，移動節點將會通過蜂窩網絡獲得請求文件。本文中定義系統流量分流率，借鑒文獻[5]中定義的分流率定義，分流率U定義為等待時間T過期之前對所有數據文件的分流率，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正比于所有節點對文件d的請求率，Pi，d表示在請求時間T之內所有請求節點i獲得文件d的概率。顯然這個數據分流率問題是一個NP-hard，我們采用背包問題進行解決，緩存最優策略不是本文的重點，我們不進行重點描述。

4 仿真試驗結果

這個部分中，采用隨機緩存算法和基于流行度的確定性緩存兩個緩存方案來研究移動性對D2D緩存網絡帶來的影響，研究標準通過數據分流率來表示。節點的移動模型服從隨機游走模型，確定性緩存我們分為了三類：確定性緩存1表示所有的節點都從最高流行的文件進行緩存；確定性緩存2表示節點分為兩類，一部分緩存奇數類的文件，另一部分緩存偶數類的文件；確定性緩存3表示節點分為三類，每隔兩個文件進行緩存直至緩存滿為止。下面對仿真結果進行詳細的介紹。

4.1 理想情況下

在節點的運動過程中，只要請求節點能夠從臨近節點獲得請求的數據文件，就能夠完整的接收該整個文件，即數據傳輸速率足夠大，而不考慮由于節點的運動，使得節點移動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，隨著移動節點的速度越來越大，兩種緩存方案下的數據分流率都有所提高，除了確定性緩存方法中的第一種。但是隨著移動速度的逐漸變大，隨機緩存的數據分流率要與基于流行度的確定性緩存方法性能相近，因為對于確定性緩存，每個節點緩存文件的差異性相對于隨機緩存不大，而隨機緩存方案中每個節點的緩存內容幾乎不太一樣，所以隨著移動速度的變大，D2D用戶有更大的機會與其他的節點相接觸，就有更多的機會檢索到請求的文件，而隨機緩存中文件的差異性比較大，因此，就會滿足更多的請求節點，數據分流率就會相對較大。

4.2 實際情況下

在這個部分我們考慮實際情況，數據傳輸速率不會在理想的情況下無限大，而是由于節點的運動，正在傳輸的文件突然中斷，此時我們認為只要數據中斷，那么整個接收的文件就相當于沒有接收，下次需要重新傳輸；除此之外，由于節點的運動，也會給請求節點帶來請求的文件，增大系統分流率。

圖2表示隨著節點移動速度的變化，隨機緩存策略和確定性緩存策略下的數據分流量的隨著移動節點的速度變化先增加后減小，在該仿真模型中最優的移動節點速度是10左右，該變化很好的表明了節點的移動性的優缺點，移動性在一定程度上確實能夠給D2D緩存網絡帶來性能上的增益，但是當移動節點的速度過大時就會降低系統的性能。這也充分說明了節點的移動性能夠給D2D節點帶來請求的其他節點中緩存的文件，但也能夠隨著速度的變大，緩存節點由于運動而走出通信范圍，使得通信網絡的數據分流量反而下降。

圖3表示隨著節點的數量的變化情況，數據分流量的變化情況，顯然隨著節點的數量增加，隨機緩存和確定性緩存整體上的數據分流率也會增加。因為隨著節點數據的增多，網絡密度變大，周圍的移動節點變多，請求的數據文件有更大的機會獲得滿足。

通過上面的多個仿真圖我，我們不難發現，確定性緩存整體上要優于隨機緩存，而對于差異性越大的確定性緩存，對網絡系統分流量越大。我們可以得出在緩存流行程度高的數據文件的情況下，要盡可能多的緩存不同的文件，尤其是對于移動的通信網絡，更有利于節點有更大的機會獲得請求的文件。節點的移動性對于D2D通信緩存網絡有很大的優點，相比于靜止的緩存網絡，在一定的速度下節點的移動性能夠增大系統數據分流量，在一定程度上降低了基站的負載壓力，緩解了網絡擁塞，降低了系統延遲，對未來的5G蜂窩網絡有很大的幫助作用。

5 總結

在這篇文章中，我們主要定性研究了節點的移動性對D2D通信緩存網絡帶來的影響。本文主要考慮了兩種主要的情況，一種是理想情況下，當節點的傳輸速率相對于節點的運動速度無限大時，也就是節點的運動不影響節點之間的傳輸，另一種是實際的情況，也就是正在傳輸的文件由于節點的運動會中斷傳輸的文件，通過研究我們也發現，一定的運動速度能夠有利于數據的傳輸，增大了系統分流量，有效減輕基站的負載。在本文中，我們發現節點的速度是10m/s左右時，能夠最大提升系統分流量和網絡容量，有效地減輕基站的負載。因此，我們可以看出，移動性雖然能夠將正在傳輸的文件中斷，但也能夠為移動的節點提供與其他的節點相接觸的機會，適度的提升網絡容量，緩解網絡壓力。在未來，可對移動性對D2D通信緩存網絡的影響進行更加深入的研究，針對每個節點和每個文件的異構，針對不同的移動網絡模型以及在不同的節點運動的情況下，如何設計出不同的最優緩存策略來提升系統的數據分流率將會是一個具有很大研究價值的課題。

參考文獻

[1]榮濤.D2D通信技術研究[D].南京：南京郵電大學，2013.

[2]K.Shanmugam，N.Golrezaei，A. Dimakis，A.Molisch，and G.Caire，“Femtocaching： Wireless content delivery through distributed cachinghelpers，”IEEE Trans.Information Theory，vol.59，no. 12，pp.8402-8413，Dec.2013.

[3]朱欣娟等.一種VANET信息查詢模式及分析[J].電子科技大學學報2013：911-915.

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[5]Lan，Ruining，et al."Device-to-Device Offloading with Proactive Caching in Mobile Cellular Networks."GLOBECOM 2015-2015 IEEE Global Communications Conference，2014.

作者單位

北京航空航天大學 北京市 100191