雾无线接入网编码缓存方法研究

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随着视频等高费流量的应用已经成为当下文件请求的主流,这给传统的无线网络带来了前所未有的压力。由于前传容量和集中式处理单元的限制,传统的云无线接入网(Cloud Radio Access Networks,C-RANs)已经很难在网络的高峰时段满足高质量和高实时性的请求。为了满足日益增长的通信需求,雾无线接入网(Fog Radio Access Networks,F-RANs)在边缘缓存和边缘计算的应用前景引起了广泛关注。雾无线接入网中的雾接入点(Fog Access Point,F-AP)靠近用户,能够使用边缘缓存资源来改善网络拥塞和服务质量。然而,由于缓存资源的有限性以及用户请求的随机性,导致缓存资源往往不能得到有效的利用。通过精心设计缓存布置和内容传输的编码缓存技术可以有效缓解上述矛盾。但是,不同的编码方案、布置方案以及传输方案都将造成前传性能的巨大不同。本文将就上述问题展开对编码缓存技术中的编码方案、缓存布置方案、内容传输方案的系统研究。首先,研究了联合冗余最大距离可分(Maximum Distance Seperable,MDS)码与集群协作的编码缓存策略。首先,采用MDS码作为编码子文件的选择。MDS码在编码的冗余性和可信赖性方面的折衷可以简化布置方案与传输方案。其次,采用以用户为中心的服务模式,提出基于冗余MDS码的缓存布置方案。该方案降低了布置阶段的复杂度,也为传输阶段的多播提供了可能。再次,提出基于集群协作的编码传输方案,该方案利用一对集群内F-AP的缓存内容来创建多播消息。接着,提出联合冗余MDS码与集群协作的编码缓存策略,该策略可以使用冗余编码数据包为一致请求创建多播消息,同时利用基于集群协作的编码传输方案为一致请求和非一致请求创建多播消息。最后,从理论上分析了策略的性能,推导出前传负载的表达式,探究出前传负载与冗余编码数据包数目以及子文件数目等相关参数的关系。其次,研究了联合MDS码与基于有权图的编码缓存策略。在所提出的基于集群协作的编码传输方案的基础之上,提出了基于有权图的编码传输方案。该方案可以利用集群集合内多个集群中的缓存内容创建多播消息。首先,通过将集群视为顶点,将集群之间的多播机会视为边,并将集群中创建的多播消息的数目视为边的权重,把编码传输方案的设计问题转化为图论中最小化特定图的权重和问题。对于给定的图和权重范围,分析该问题是一个整数规划问题。然后,提出基于有权图的编码传输方案,该方案可以进一步挖掘集群中创建多播消息的机会。接着,通过理论推导证明了该方案的最优性。进一步地,提出联合MDS码与基于有权图的编码缓存策略,通过给出建议策略前传性能的上界与下界对该策略进行了性能分析。最后,仿真结果表明所建议策略前传性能的上界已经优于现有方案,且所建议策略的实际性能与其下界之间的性能差距极小。最后,研究了基于超图强着色的缓存布置方案与基于集群匹配的编码传输方案。将系统模型拓展至更一般的情形,允许不同集群之间复用一定数目的F-AP,且允许不同集群内不同的F-AP缓存相同的编码数据包,以此来降低系统的编码损耗并提高系统F-AP的利用率。通过将F-AP视为顶点,集群视为超边,在给定缓存子文件数目的情形下,将缓存布置问题等效为一个超图强着色的问题,并给出一种启发式算法来进行缓存布置。此外,在给定编码布置方案的基础上,提出了一种基于集群匹配的编码传输方案,并通过仿真验证了该方案在降低前传负载上的优越性能。
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