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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量趨勢(shì)：（1）在過(guò)去五年中，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量增長(zhǎng)了40倍，其中視頻流量超過(guò)一半。（2）移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)超基站增長(zhǎng)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(lái)的影響有哪些？存儲(chǔ)空間－－請(qǐng)求次數(shù)與日俱增給基站和服務(wù)器帶來(lái)巨大負(fù)荷?；爻替溌罚脩舭l(fā)送請(qǐng)求到服務(wù)器，要先經(jīng)過(guò)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(guò)回程鏈路會(huì)造成核心網(wǎng)絡(luò)擁堵。服務(wù)質(zhì)量－－當(dāng)大量請(qǐng)求在隊(duì)列中時(shí)，不僅會(huì)造成排隊(duì)等候的時(shí)延，還會(huì)造成用戶被迫降低分辨率和碼率，以減少請(qǐng)求時(shí)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(guò)直連鏈路的形式向附近UE請(qǐng)求已經(jīng)緩存好的內(nèi)容，而自身也會(huì)緩存相關(guān)數(shù)據(jù)以滿足自身以后的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，或者滿足鄰近用戶的數(shù)據(jù)請(qǐng)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(wú)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(gè)UE的收發(fā)功率、能量效率、存儲(chǔ)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(shì)足以彌補(bǔ)這些缺陷。服務(wù)時(shí)延－－這里的時(shí)延是指發(fā)起請(qǐng)求到結(jié)束任務(wù)的全過(guò)程時(shí)延，考慮到用戶可能在發(fā)起請(qǐng)求后由于時(shí)延較長(zhǎng)、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(shí)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(chǎng)景和性能要求，D2D緩存策略可以分為以下六個(gè)類別。圖6-4緩存策略分類6.3.1主動(dòng)與被動(dòng)緩存6.3緩存策略

主動(dòng)緩存是根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)流量動(dòng)態(tài)，在非高峰時(shí)段，主動(dòng)將熱門內(nèi)容存儲(chǔ)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(dòng)緩存是在用戶請(qǐng)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(jiàn)的主動(dòng)緩存6.3.1主動(dòng)與被動(dòng)緩存6.3緩存策略

LRU緩存的特點(diǎn)：（1）無(wú)法完全預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的請(qǐng)求內(nèi)容，因此存在緩存污染的情況。（2）如果存儲(chǔ)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。可通過(guò)文件預(yù)處理與分級(jí)緩存改進(jìn)該策略6.3.1主動(dòng)與被動(dòng)緩存6.3緩存策略將請(qǐng)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(jí)緩存空間存儲(chǔ)前綴部分各級(jí)空間滿載后將末尾文件淘汰到下一級(jí)6.3.1主動(dòng)與被動(dòng)緩存6.3緩存策略用戶在請(qǐng)求之前會(huì)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(lái)實(shí)現(xiàn)，D2D緩存命中率：

6.3.1主動(dòng)與被動(dòng)緩存6.3緩存策略性能仿真圖6-12平均時(shí)延緩存數(shù)量對(duì)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(duì)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(shí)，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(duì)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(dòng)輔助設(shè)備能夠預(yù)測(cè)周圍的UE在接下來(lái)一段時(shí)間內(nèi)可能訪問(wèn)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(shì)，克服分布式設(shè)備的移動(dòng)性帶來(lái)的不穩(wěn)定性。假設(shè)單位時(shí)間內(nèi)單個(gè)UE的平均內(nèi)容請(qǐng)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(dòng)輔助設(shè)備的移動(dòng)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(dòng)輔助設(shè)備具有恒定的速度，并且能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其移動(dòng)路徑，對(duì)于高密度的移動(dòng)輔助設(shè)備，即使有些移動(dòng)輔助設(shè)備偏離了預(yù)測(cè)路徑，也可能存在其他能夠提供內(nèi)容的移動(dòng)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(duì)存儲(chǔ)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(guò)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(lái)如下優(yōu)勢(shì)：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(shì)。該方式通過(guò)對(duì)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(shí)，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(lái)如下優(yōu)勢(shì)：（2）提升網(wǎng)絡(luò)健壯性

在基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中，編碼操作使得每個(gè)數(shù)據(jù)包之間產(chǎn)生了相關(guān)性和聯(lián)系，即使傳輸過(guò)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(gè)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(wú)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(shí)隙減少，無(wú)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(huì)使得無(wú)線資源需求明顯減少，優(yōu)勢(shì)更加突出。6.4計(jì)算卸載根據(jù)移動(dòng)設(shè)備的任務(wù)卸載進(jìn)行建模時(shí)，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(duì)簡(jiǎn)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(wú)需對(duì)任務(wù)代碼或數(shù)據(jù)塊進(jìn)行額外處理，能夠簡(jiǎn)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(dòng)設(shè)備本地執(zhí)行或者作為一個(gè)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(gè)組件組成，或者會(huì)涉及到數(shù)據(jù)塊的處理（例如視頻中的目標(biāo)檢測(cè)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(gè)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(guò)諸如基站收發(fā)信臺(tái)（BTS，BaseTransceiverStation）、基站控制器（BSC，BaseStationController）和移動(dòng)交換中心（MSC，MobileSwitchingCenter）之類的設(shè)備連接到無(wú)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(guò)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(shí)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