緩存與MIMO回程聯合的內容傳遞方法

徐文娟,賈向東,2,陳玉宛

(1.西北師范大學 計算機科學與工程學院,蘭州 730070; 2.南京郵電大學 江蘇省無線通信重點實驗室,南京 210003)

0 概述

大量移動設備接入引起通信容量需求的大幅增長,為滿足該需求,以第五代移動通信技術(the 5th Generation Wireless Systems,5G)為主的下一代移動通信系統將實現毫米波小蜂窩網絡小基站(Small Base Station,SBS)的超密集部署。SBS的存儲和計算資源能為移動應用提供全面的計算支持[1],但是該方案會加重系統回程鏈路的負載,且會造成巨大的能量消耗[2]。此外,研究者發現少量重復下載的高質量多媒體視頻流占據了較多數據流量傳輸請求,而且該部分請求內容可以緩存,因而提出移動邊緣緩存與計算方案。邊緣緩存是將一部分流行內容預存儲在SBS的高速緩存器中,其不需通過移動核心網絡獲取內容,從而緩解了5G異構網絡(Heterogeneous Network,HetNet)回程鏈路負載過重的瓶頸問題[3]。流行內容通過使用緩存在非高峰期(如清晨)存儲在網絡內,如果用戶設備(User Equipment,UE)請求文件預存至本地緩存中,則該流行內容由某一鄰近SBS直接傳遞給用戶而無需占用回程鏈路傳輸。

基于SBS的緩存能有效減少高峰期回程鏈路的移動流量。文獻[3]提出將最流行內容和最大內容通過多樣性緩存相結合的策略。為提高無線多跳中繼系統的頻譜效率,文獻[4]提出一種優化傳輸方案,在信號協同增益和緩存多樣性增益之間實現了良好的平衡。文獻[5]提出最優隨機內容放置策略以最大化緩存命中率(緩存內容存儲在緩存服務器上),并發現遵循在任何地方緩存最受歡迎的內容這一策略并非總是最佳。文獻[6]研究了緩存容量不同的多種類型基站HetNet中最優地理緩存。從頻帶部署的角度來看,多項研究集中在傳統μ波頻段。文獻[7]通過使用綠色網絡緩存部署預算,分別實現了對微基站(Micro Base Station,MBS) 和 SBS 緩存容量的優化。為最大限度減少回程鏈路負載,文獻[8]研究了緩存容量約束下內容放置的優化問題。文獻[9]側重于μ波頻段上工作的緩存協助 HetNet 的能量效率(Energy Efficiency,EE),同時發現SBS更大的緩存能力、較小的內容庫和較低的用戶設備(User Equipment,UE) 密度可以提高系統性能。文獻[10]通過部署同通道和正交信道,將緩存與多輸入多輸出(Multi-Input and Multi-Output,MIMO)天線陣列相結合,研究了雙層 HetNet上行鏈路的EE。

為減少小區負載和命中概率對成功內容傳遞的影響,文獻[11]研究了密集HetNet的邊緣緩存,在SBS需要非緩存內容時采用大規模MIMO的MBS提供無線自回程傳輸,但沒有探究大規模MIMO無線回程對系統的影響。盡管MIMO減少了回程延遲并提高了回程速度,但其采用的高分辨率模數轉換器 (Analog-to-Digital Converters,ADC)會產生巨大的電路功耗[12],這與綠色通信的理念相違背。此外,對于寬帶毫米波 MIMO 系統,當采樣率高于1 000 MHz時,各轉換步驟的功耗顯著增加[13]。因此,在改進MIMO 部署 MBS 中EE的同時保持系統的傳輸性能至關重要。文獻[14]研究了具有無線內容傳輸的緩存HetNet的EE,但是對多天線陣列電路功耗未做進一步探索。

本文提出一種緩存與回程聯合(Cache and Self-backhaul Jointly,CSJ)的內容傳遞方案,在整個毫米波范圍內,配備大規模MIMO的MBS為無緩存SBS提供無線回程。采用實際精確的毫米波天線模式,并利用視距(Line-of-Sight,LoS)球和Nakagami信道衰落建模,對緩存與MIMO回程聯合HetNet的覆蓋概率、平均區域速率(Average Area Rate,AAR)和EE進行分析。

1 系統模型

1.1 網絡模型

圖1 緩存與回程聯合內容傳遞的毫米波HetNet模型

1.2 阻塞模型

毫米波信號和微波信號相比,衍射減弱,反射傳播增強,因而更容易受到阻塞。引入視距球對阻塞建模[15]。在該阻塞模型中,定義了一個LoS半徑來表示UE與附近阻塞之間的平均距離。LoS和NLoS鏈路的路徑損耗公式如下[15]:

LL(d)=CLd-αL

(1)

LN(d)=CNd-αN

(2)

其中,LL(d)為LoS鏈路的路徑損耗,LN(d)為NLoS鏈路的路徑損耗,CL和CN為截距,αL為LoS鏈路對應的路徑損耗指數,αN為NLoS鏈路對應的路徑損耗指數,取值范圍分別為αL∈[1.9,2.5]和αN∈[2.5,4.7][16]。

1.3 緩存安置策略

對于具備緩存器的SBS考慮設置一個有限內容庫F={f1,fj,…,fJ},其中fj為第j個最受歡迎的內容,J為庫F的基數,每個內容大小為E字節。緩存SBS中的內容放置基于內容流行度設計,其通常被建模為Zipf分布[18],用如下公式表示:

(3)

1.4 天線部署及定向波束賦形

大部分研究采用簡化天線方向圖,其中半功率波束寬度內的陣列增益被視為最大功率增益,并且陣列增益對應的其余方向被近似視為實際天線方向圖的第一最小最大增益。這種簡單的近似雖然容易處理,但在評估網絡性能時會引入巨大的差異。為了精準評估網絡性能,使用一種更實際的MBS均勻線性陣列模式,且假設位于k的給定回程協助SBS級聯至位于z的MBS。給定回程協助SBS k對準最佳波束成型的有效信道增益為:

(4)

其中,hzk為給定回程協助SBS k與其級聯的MBS z之間的信道向量,Wzk為MBS z到回程協助SBS k的波束成型向量,|gzk|為獨立Nakagami-Kξ(ξ=(L,N))小規模衰落信道系數,其參數KN和KL分別對應NLoS和LoS傳輸。

(5)

(6)

(7)

2 內容傳遞方案

2.1 下行鏈路內容傳遞

(8)

在回程輔助SBS內容傳遞中,當給定UE級聯至回程輔助SBS k并通過無線回程從位于z點的MBS獲得請求內容時,假定SBS工作在時分雙工模式,在內容傳遞的第一階段,MBS將請求內容傳遞給回程輔助SBS k,其接收SINR可表示為:

(9)

在內容傳遞的第二階段,回程輔助SBS k以功率PS將獲取的內容發送至UE,其接收SINR表示為:

(10)

2.2 干擾分布

(11)

其中,yi=cos((2i-1)π/2n),i=1,2,…,n為[-1,1]范圍內的高斯-切比雪夫節點,n為精度和復雜度間的權衡參數。當n→∞時,等式成立。

(12)

且分別定義:

2F1(NL,NL+2/αL;NL+2/αL+1;(-NL/sPNMG(ω)CL)DαL)

(13)

WN(P,Nm,G(ω),Y)=(Y2/2)×

2F1(-2/αN,NN;1-2/αN;(sPNmG(ω)CN/NN)Y-αN)

(14)

WL(PS,1,1,D)-‖xkO‖2/2+WN(PS,1,1,D))

(15)

(16)

(17)

(18)

(WL(PS,1,1,‖xkO‖)-WL(PS,1,1,D)+

WN(PS,1,1,D)-‖xkO‖2/2))

(19)

3 性能分析

3.1 SINR的覆蓋概率

(20)

其中,f‖xkO‖(x)=2π(qjλSη)xexp(-π(qjλSη)x2)為給定UE與其接入緩存SBS k之間接入距離‖xkO‖的概率密度函數。

(21)

其中,ξ∈{L,N},ξ=L為LoS分量,ξ=N為NLoS分量且ηξ=(Nξ)(Nξ!)-1/Nξ。

當給定UE級聯至回程輔助SBS時,其SINR覆蓋性能由式(9)和式(10)共同決定,SINR覆蓋概率表示為:

(22)

(23)

(24)

(25)

3.2 DL內容傳遞的平均區域速率

平均區域速率(Average Area Rate,AAR)是給定帶寬B內可傳輸的平均面積傳輸速率。在獲得DL的SINR覆蓋概率后,根據回程輔助SBS內容傳遞受到回程鏈路約束可推導出DL平均區域速率。因而在緩存與回程聯合內容傳遞系統中,一個給定UE可獲得的DL平均面積吞吐量可表示為:

(26)

在單一回程輔助SBS內容傳遞系統中,一個給定UE的DL平均面積吞吐量表示為:

(27)

3.3 平均區域能量效率

為了解MBS采用MIMO對緩存與回程聯合內容傳遞毫米波HetNet性能的影響,需要對其平均區域能量效率進行評估。這是因為在多天線部署的MBS中,電路功耗隨著天線數量的增加而增大。通常將平均區域能量效率定義為總傳輸速率與總功耗之比。通過上述推導可得到內容傳遞的總傳輸速率,對總功耗進行評估后,即可得到平均區域的能量效率。系統總功耗包括輻射功耗、電路功耗和信號處理功耗。在普通天線陣列中,每個天線都需要一個ADC或數模轉換器,從而產生較多的電路功耗,因而將部署多天線的MBS功耗建模表示為:

(28)

(29)

其中,N0為常量,b為ADC的分辨率(量化比特數)。

(30)

一個緩存SBS傳遞第j個內容的功耗表示為:

(31)

當系統運行在CSJ內容傳遞模式時,給定SINR閾值τ和系統頻譜帶寬B,由式(30)和式(31)可以得到平均區域能量效率為:

(32)

4 仿真及數值分析

對上述方案進行仿真實驗,實驗參數以表1所示參數為準。

表1 實驗參數

圖2 不同η下MBS天線數對AAR的影響

圖3 不同η下MBS所服務SBS數量對AAR的影響

圖4 MBS天線數對能源效率的影響

圖5 不同分辨率的MBS天線數對能源效率的影響

5 結束語

本文提出一種緩存與回程聯合的內容傳遞方法。MBS配備了均勻天線陣列以改善無線回程傳輸,且MBS被無緩存和緩存SBS所覆蓋,整個網絡通過緩存SBS或回程輔助SBS的混合模式來運行以傳遞內容。在所有具有均勻線性陣列的MBS上采用實際天線方向圖,并將 LoS和NLoS基站的位置建模為兩個獨立的PPP。實驗結果表明,在MBS上采用MIMO能有效提高網絡AAR和EE。在支持MIMO的MBS中采用低分辨率天線陣列使得EE得到顯著提升。下一步將對無線多跳中繼系統使用緩存,以提高協作中繼的性能。