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话音是以往移动通信网的主要业务,移动通信网针对话音进行了深入的架构优化和跨层协议优化。随着数据业务价格的下降和带宽的增加,以视频为主的内容分发将逐渐占据移动通信网络的绝大多数带宽。然而现有移动通信系统的架构和协议并不能高效率地支持移动内容分发。3GPP从2016年开始了相关的CASD(Context Aware Service Delivery)技术研究和标准化,作者作为发起者之一直接参与其中。ETSI于稍早也开始了类似目的MEC(Mobile Edge Computing)研究。5G已经将CASD和MEC作为需求列入标准制定计划。互联网产业界一些主要大公司比如:谷歌,Akamai,蓝讯,爱奇艺也开始了针对无线通信网络的内容分发高层协议(L4-L7:传输层到应用层)优化。但这些高层协议互不兼容而且不能充分解决移动内容分发的问题。本文主要通过优化低层协议(L1-L3)和移动通信网架构提供了一套高效且普遍适用的移动内容分发解决方案。以视频为主的移动内容分发存在的主要问题有:目前的CDN(内容分发网络)虽然可以把内容缓存到移动网的边界网关,但是它将移动通信网当作一个黑盒子,不能将内容缓存到移动通信网真正的边缘节点(基站),因而内容在移动通信网内传输时延较长且存在大量重复传送;现有的LTE广播机制只适用于大区域广播和单小区广播,在最具实用价值的小区域广播上却因为小区间干扰和缺乏链路自适应而效率低下;现有的广播技术都没有找到有效的低层重传方法,只能依赖应用层重传,因而效率很低;TCP的拥塞控制机制不能快速跟踪无线信道的变化,现有系统一般通过增加链路层缓存来吸收信道波动,但这样的机制增加了时延和设备成本;TCP的重传机制和底层链路的ARQ/HARQ重传机制存在相当多的重复,这些冗余重传增加了时延降低了效率。针对上述主要问题,本文系统性地提出了在移动通信网上对以视频为主的内容分发(包括广播形式的内容分发)进行跨层协议优化和网络架构优化的具有现实可行性的技术方案。本文的主要贡献和创新包括如下四个方面,分别对应于第二到五章。一、针对现有CDN在移动网络上的局限性,设计了两种基于基站缓存(Caching)的网络架构:移动CDN和移动ICN(Information Centric Network),并用数学模型分析了其在经济性和用户体验上的增益。其中,移动CDN方案:UE辅助的本地缓存,已被3GPP纳入4G标准。ICN可以看作是CDN在互联网中的深度集成,是计算机学术界正在设计的具有革命性意义的下一代互联网技术。但是互联网的规模过于庞大,使得像ICN,IPv6这样的基础性技术的升级换代十分困难和缓慢。目前的移动App大都基于HTTP协议。本文设计的移动ICN方案:层二直接承载HTTP(HTTPoverL2),试图在移动通信网中以后向兼容的方式提前实现ICN技术思想。二、针对现有 LTE 广播技术 MBMS(Multimedia Broadcast/Multicast Service)在支持小范围广播上的不足,设计了两种新型的广播无线承载(Radio Bearer):SA-PTM(Small Area Point to Multi-point)和 CoMP-PTM(Coordinated Multi-point PTM)分别针对大量用户接收和少量用户接收的场景。已有的蜂窝移动通信网广播技术都没有找到高效且准确的方法提供上行反馈。本文提出一种新颖的上行功率叠加共享信道,类似于将MBSFN(Multimedia Broadcast Same Frequency Network)推广到上行。受上行反馈效率限制,现有的LTE用户数统计方法不能统计空闲态接收用户数量。基于该上行功率叠加共享信道,本文提出一种新颖的物理层计数方法来同时统计连接态和空闲态的用户,并提出了三种用户数量估计算法,分别针对TDD系统,FDD系统和大量用户场景。三、设计 了广播 HARQ(Hybrid ARQ)和 RaptorQ IR-ARQ(Incremental Redundancy ARQ)将HARQ和ARQ(Automatic Repeat reQuest)推广到广播。理论和实践都已证明,ARQ和HARQ在单播传输上非常有效。但是现有的广播技术都不支持HARQ和ARQ,主要是因为没有解决上行反馈效率和重传效率的问题。本文提出的广播HARQ通过上行功率叠加共享信道高效率地提供NACK反馈,RaptorQ IR-ARQ通过递增式地广播重传校验包解决了 ARQ重传效率问题。针对单播传输中重传机制重叠冗余的问题,本文设计了基于MAC层可靠性增强的跨层重传合并方法并分析了其性能增益。四、在对LTE单播链路上TCP性能问题仿真分析的基础上,设计了两种跨层优化的方案:基于无线链路感知的TCP(radio-aware TCP)和层二直接承载HTTP(层二直接承载HTTP)。其中基于无线链路感知的TCP又分为松耦合和紧耦合两种方案。松耦合方案根据无线链路层提供的信息设置拥塞窗口 cwnd。紧耦合方案用请求—响应机制取代了 TCP的拥塞控制,使得时延和吞吐量两个略显矛盾的性能指标同时趋于极致。作为移动ICN方案的组成部分,层二直接承载HTTP在空中接口去掉了 TCP/IP协议层,将HTTP内容块直接承载在无线链路之上。从而彻底解决了 TCP引起的HTTP效率问题。本文通过NS3仿真在LTE上证实了这些方案的性能和价值。