D2D通信關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用 課件 第六章

6D2D緩存與卸載6.1概述6.3緩存策略6.2D2D緩存6.4計(jì)算卸載6.5本章小節(jié)6.1概述移動互聯(lián)網(wǎng)流量趨勢：（1）在過去五年中，移動互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量增長了40倍，其中視頻流量超過一半。（2）移動互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)增長速率遠(yuǎn)超基站增長速率6.1概述龐大的數(shù)據(jù)與計(jì)算任務(wù)給通信網(wǎng)絡(luò)帶來的影響有哪些？存儲空間－－請求次數(shù)與日俱增給基站和服務(wù)器帶來巨大負(fù)荷?；爻替溌罚脩舭l(fā)送請求到服務(wù)器，要先經(jīng)過基站，然后將需要的資源傳送到核心網(wǎng)，大量流行度較高的重復(fù)內(nèi)容經(jīng)過回程鏈路會造成核心網(wǎng)絡(luò)擁堵。服務(wù)質(zhì)量－－當(dāng)大量請求在隊(duì)列中時，不僅會造成排隊(duì)等候的時延，還會造成用戶被迫降低分辨率和碼率，以減少請求時間。D2D緩存的概念6.2D2D緩存D2D緩存是指用戶設(shè)備不直接使用BS數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，與本地緩存、微基站緩存和宏基站緩存不同的是，D2D緩存是通過直連鏈路的形式向附近UE請求已經(jīng)緩存好的內(nèi)容，而自身也會緩存相關(guān)數(shù)據(jù)以滿足自身以后的數(shù)據(jù)請求，或者滿足鄰近用戶的數(shù)據(jù)請求。圖6-2本地緩存、微基站緩存、宏基站緩存和D2D緩存D2D緩存的優(yōu)點(diǎn)6.2D2D緩存提升通信系統(tǒng)整體容量－－UE無論是從數(shù)量還是分布密度上，都遠(yuǎn)大于宏基站和微基站，雖然單個UE的收發(fā)功率、能量效率、存儲能力都落后于BS和邊緣服務(wù)器，但是數(shù)量和分布上的優(yōu)勢足以彌補(bǔ)這些缺陷。服務(wù)時延－－這里的時延是指發(fā)起請求到結(jié)束任務(wù)的全過程時延，考慮到用戶可能在發(fā)起請求后由于時延較長、不可抗因素等原因產(chǎn)生放棄行為，距離發(fā)送端較近的設(shè)備時延更低。緩存策略分類6.3緩存策略

物根據(jù)不同的應(yīng)用場景和性能要求，D2D緩存策略可以分為以下六個類別。圖6-4緩存策略分類6.3.1主動與被動緩存6.3緩存策略

主動緩存是根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)流量動態(tài)，在非高峰時段，主動將熱門內(nèi)容存儲在選定的緩存節(jié)點(diǎn)中，從而緩解網(wǎng)絡(luò)流量壓力。被動緩存是在用戶請求內(nèi)容之后確定是否緩存內(nèi)容。圖6-5LRU（Leastrecentlyused）緩存替換算法常見的主動緩存6.3.1主動與被動緩存6.3緩存策略

LRU緩存的特點(diǎn)：（1）無法完全預(yù)測下一時刻的請求內(nèi)容，因此存在緩存污染的情況。（2）如果存儲空間小于或者稍大于文件體積，則不能完成緩存列表更新。（3）空間利用率較低?？赏ㄟ^文件預(yù)處理與分級緩存改進(jìn)該策略6.3.1主動與被動緩存6.3緩存策略將請求文件分為前綴緩存與后綴緩存，后綴緩存進(jìn)一步平均細(xì)分或者不規(guī)則分段一級緩存空間存儲前綴部分各級空間滿載后將末尾文件淘汰到下一級6.3.1主動與被動緩存6.3緩存策略用戶在請求之前會優(yōu)先考慮本地搜索，自緩存命中率為：除去少量的自我緩存外，絕大部分需要臨近UE緩存來實(shí)現(xiàn)，D2D緩存命中率：

6.3.1主動與被動緩存6.3緩存策略性能仿真圖6-12平均時延緩存數(shù)量對緩存命中率的影響6.3.2集中式與分布式緩存6.3緩存策略集中式與分布式緩存對比：集中式緩存下數(shù)據(jù)交互需要跨越的地理距離較遠(yuǎn)，造成數(shù)據(jù)傳輸延遲較大，網(wǎng)絡(luò)鏈路不夠穩(wěn)定。當(dāng)BS不屬于同一服務(wù)提供商時，集中解決方案很難實(shí)現(xiàn)。分布式解決方案可以更快地響應(yīng)本地更改，并且對其他節(jié)點(diǎn)的緩存決策影響較小。6.3.2集中式與分布式緩存6.3緩存策略分布式緩存網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成6.3.2集中式與分布式緩存6.3緩存策略移動輔助設(shè)備能夠預(yù)測周圍的UE在接下來一段時間內(nèi)可能訪問的內(nèi)容，從而最大程度地利用分布式緩存的多設(shè)備、高密度等優(yōu)勢，克服分布式設(shè)備的移動性帶來的不穩(wěn)定性。假設(shè)單位時間內(nèi)單個UE的平均內(nèi)容請求數(shù)R表示為：

6.3.2集中式與分布式緩存6.3緩存策略性能仿真圖6-17命中率性能圖6-18命中率與移動輔助設(shè)備的移動速度6.3.2集中式與分布式緩存6.3緩存策略性能仿真分析：在分布緩存中，假設(shè)移動輔助設(shè)備具有恒定的速度，并且能夠準(zhǔn)確地預(yù)測其移動路徑，對于高密度的移動輔助設(shè)備，即使有些移動輔助設(shè)備偏離了預(yù)測路徑，也可能存在其他能夠提供內(nèi)容的移動輔助設(shè)備。6.3.3編碼緩存6.3緩存策略編碼緩存是指在緩存數(shù)據(jù)之前處理掉冗余的數(shù)據(jù)或者擴(kuò)充已有的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對存儲量的壓縮和擴(kuò)張，然后再進(jìn)行緩存。圖6-21D2D通信建立及編碼傳輸過程6.3.3編碼緩存6.3緩存策略網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)可為D2D緩存帶來如下優(yōu)勢：圖6-22蝶形網(wǎng)絡(luò)（1）提高緩存吞吐量

能夠提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量是網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)最突出的優(yōu)勢。該方式通過對需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包進(jìn)行有效的線性編碼重組，可以使網(wǎng)絡(luò)用更少的傳輸次數(shù)傳輸更多的數(shù)據(jù)信息，吞吐量隨之提升。節(jié)點(diǎn)S1向節(jié)點(diǎn)S2發(fā)送數(shù)據(jù)包b1，同時，節(jié)點(diǎn)S2向節(jié)點(diǎn)S1發(fā)送數(shù)據(jù)包b26.3.3編碼緩存6.3緩存策略網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)可為D2D緩存帶來如下優(yōu)勢：（2）提升網(wǎng)絡(luò)健壯性

在基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，編碼操作使得每個數(shù)據(jù)包之間產(chǎn)生了相關(guān)性和聯(lián)系，即使傳輸過程中發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，由于采用了網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，接收節(jié)點(diǎn)可以避免在整個傳輸網(wǎng)絡(luò)中尋找新的路由，然后進(jìn)行解碼恢復(fù)。（3）節(jié)約無線資源

在使用網(wǎng)絡(luò)編碼的D2D通信系統(tǒng)之中，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量提升，傳輸時隙減少，無線資源的需求量也隨之降低。終端數(shù)量較多的大型D2D通信網(wǎng)絡(luò)中，引入網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)會使得無線資源需求明顯減少，優(yōu)勢更加突出。6.4計(jì)算卸載根據(jù)移動設(shè)備的任務(wù)卸載進(jìn)行建模時，任務(wù)劃分粒度的不同，定義兩種卸載模型：（1）完全卸載適用于高度集成或相對簡單的任務(wù)，用戶的任務(wù)程序被封裝后卸載至輔助節(jié)點(diǎn)執(zhí)行，這種方式無需對任務(wù)代碼或數(shù)據(jù)塊進(jìn)行額外處理，能夠簡化卸載步驟。在完全卸載中，用戶任務(wù)不能進(jìn)行分割，必須完全在移動設(shè)備本地執(zhí)行或者作為一個整體卸載到輔助節(jié)點(diǎn)執(zhí)行。（2）部分卸載

多應(yīng)用程序或任務(wù)通常由多個組件組成，或者會涉及到數(shù)據(jù)塊的處理（例如視頻中的目標(biāo)檢測涉及到的圖像幀序列處理），這種情況適用于部分卸載。部分卸載允許在計(jì)算任務(wù)被劃分為若干個子任務(wù)后，將這些子任務(wù)卸載至不同的實(shí)體上進(jìn)行計(jì)算。6.4.1系統(tǒng)模型6.4計(jì)算卸載用戶首先通過諸如基站收發(fā)信臺（BTS，BaseTransceiverStation）、基站控制器（BSC，BaseStationController）和移動交換中心（MSC，MobileSwitchingCenter）之類的設(shè)備連接到無線網(wǎng)絡(luò)以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦矓?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。然后，通信數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)匠休d高性能計(jì)算機(jī)的任何本地網(wǎng)絡(luò)。圖6-23卸載架構(gòu)6.4.1系統(tǒng)模型6.4計(jì)算卸載包括數(shù)據(jù)傳輸和代碼卸載的時間

6.4.1系統(tǒng)模型6.4計(jì)算卸載

6.4.2卸載方法6.4計(jì)算卸載（1）強(qiáng)化學(xué)習(xí)（2）社交感知