多點協(xié)作通信研究

曹玉潔　寧遠翔　施恩惠　崔甜甜　林積昶

摘 要：未來無線移動網(wǎng)絡(luò)中，多點協(xié)作通信將會成為解決網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量爆炸式增長的關(guān)鍵技術(shù)，而內(nèi)容在多節(jié)點之間的主動緩存則是實現(xiàn)協(xié)作通信的基礎(chǔ)。文章建立獨立空間泊松分布模型描述通信范圍內(nèi)的節(jié)點分布與進入強度之間的關(guān)系，通過隨機函數(shù)畫出對應(yīng)散點圖來描述不同節(jié)點在不同進入強度下在宏小區(qū)內(nèi)的分布情況。引入Zipf函數(shù)模型，根據(jù)文件的流行度排名得到每個文件的存儲概率。隨機生成文件存入節(jié)點中，統(tǒng)計節(jié)點中的文件產(chǎn)生頻數(shù)，并畫出對應(yīng)的三維散點圖描述不同節(jié)點在不同的內(nèi)容緩存容量下的緩存情況。通過實驗表明：移動節(jié)點和固定節(jié)點都呈現(xiàn)在中心區(qū)域密集分布，在邊緣區(qū)域稀疏分布，文件的存儲頻數(shù)分布是隨著文件的排名序號的增大而降低。

關(guān)鍵詞：多點協(xié)作通信；Zipf模型；獨立空間泊松分布；隨機數(shù)

多點協(xié)作通信技術(shù)是提高小區(qū)邊界用戶數(shù)據(jù)速率、網(wǎng)絡(luò)整體數(shù)據(jù)速率的核心技術(shù)。在未來網(wǎng)絡(luò)中多點協(xié)作通信技術(shù)將會成為解決網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量爆炸式增長的關(guān)鍵技術(shù)，而內(nèi)容在多節(jié)點之間的主動緩存則是實現(xiàn)協(xié)作通信的基礎(chǔ)[1]。

1 多點協(xié)作通信問題的概述

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中通信半徑為R=500 m的宏小區(qū)內(nèi)存在兩類節(jié)點：移動節(jié)點和固定節(jié)點，同時，假設(shè)這兩類節(jié)點在宏小區(qū)內(nèi)分別服從進入強度為λ和λ1的獨立空間泊松點分布，且緩存容量分別為m和m1。所有的移動節(jié)點可以隨機產(chǎn)生內(nèi)容請求，網(wǎng)絡(luò)中總文件數(shù)量M=1 000，則在節(jié)點通信半徑為r=50 m時，通過研究不同節(jié)點進入強度和容量對文件命中率的影響，從而求出不同類型節(jié)點在不同進入強度下在宏小區(qū)內(nèi)的分布情況以及求出不同節(jié)點在不同的文件緩存容量下的內(nèi)容緩存情況。

2 模型建立和求解

2.1 節(jié)點分布與進入強度關(guān)系的獨立空間泊松分布模型

不同節(jié)點在不同進入強度下的宏小區(qū)分布服從獨立空間泊松點分布[2]。因此，單位面積內(nèi)節(jié)點數(shù)量為k的概率為：

假設(shè)移動節(jié)點的進入強度為λ，固定節(jié)點的進入強度為λ1，因此由泊松分布公式并結(jié)合隨機數(shù)可以生成m×2階均值為λπR2的泊松分布的隨機矩陣：poissrnd（λ，m，2），將每行中的第一列作為節(jié)點的橫坐標(biāo)，第二列作為節(jié)點的縱坐標(biāo)，從而找到服從泊松分布的m個節(jié)點坐標(biāo)。根據(jù)生成的節(jié)點坐標(biāo)從而在宏小區(qū)內(nèi)畫出散點圖，如圖1所示，從而得出移動節(jié)點在宏小區(qū)內(nèi)隨機分布，覆蓋范圍較廣，而固定節(jié)點在宏小區(qū)的中心而且分布在移動節(jié)點的密集區(qū)。我們通過對λ以及λ1進行不同的賦值，得到在不同的進入強度下，節(jié)點的分布概率情況，如圖1所示。

2.2 隨機緩存文件概率模型

盡管網(wǎng)絡(luò)中存在海量的數(shù)據(jù)，但不同的內(nèi)容被用戶訪問的概率并不相同。少量的熱點內(nèi)容會被用戶重復(fù)請求，造成了網(wǎng)絡(luò)中大部分的數(shù)據(jù)流量。因此我們建立Zipf函數(shù)模型：

網(wǎng)絡(luò)中不同內(nèi)容的平均流行度分布與網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點進行主動緩存時每個文件的存儲概率均可以用該函數(shù)表示。在表示不同內(nèi)容的平均流行度分布時，pi為第i個文件被用戶請求的概率，它與其內(nèi)容流行度服從相同分布，且與文件排列序號即內(nèi)容流行度排名i成反比。在表示文件的存儲概率時，用pi表示第i個文件的存儲概率，存儲概率表達式中γc反映了緩存方案，在這里我們?nèi)≈禐?.8。

通過隨機函數(shù)按照內(nèi)容的平均流行度賦權(quán)值隨機生成的文件序號，統(tǒng)計他們出現(xiàn)的次數(shù)，作為不同節(jié)點在不同的內(nèi)容緩存容量下的內(nèi)容緩存情況的衡量指標(biāo)（見圖2和圖3）。

由不同節(jié)點的容量緩存情況散點圖可知，文件的頻數(shù)分布是隨著文件的排名序號的增大而降低，序號數(shù)越大，被存儲的頻數(shù)就越小。因此，不論是移動節(jié)點還是固定節(jié)點，在不同內(nèi)容緩存容量下，文件的流行度越大，在文件中存儲的頻數(shù)就越大，被用戶訪問的概率就越高[3]。研究的文件對象個數(shù)越多，結(jié)論越明顯。

3 結(jié)語

該模型可以用于未來網(wǎng)絡(luò)中的多點協(xié)作通信的一個內(nèi)容緩存優(yōu)化問題，即如何在有限的節(jié)點范圍內(nèi)更好地緩存無限的文件，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中更快更好的通信問題，也能在存儲中避免網(wǎng)絡(luò)繁忙問題。在蜂窩通信中，我們也可以嘗試應(yīng)用此項模型。我們在隨后可以考慮文件在節(jié)點中的緩存的替換問題，可以考慮以文件的流行度排名對文件進行采用替換，使得每個節(jié)點中緩存的內(nèi)容都是當(dāng)下最熱最流行的文件。

[參考文獻]

[1]莊翔.多點協(xié)作通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（12）：87.

[2]劉曉寧.多點協(xié)作通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)探討[J].中國新通信，2016（9）：25-26.

[3]張召雙.多點協(xié)作通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析[J].中國新通信，2016（21）：37.