用户移动性对D2D缓存网络的定性研究

卢芳

D2D用户设备中缓存受欢迎的流行文件，用户可通过D2D模式进行通信，大大降低了基站的负载。本文定性地探索了用户的移动性对D2D缓存网络带来的影响，通过常见的缓存策略的研究，我们可发现用户的移动性在一定程度上能够提高通信网络的系统分流率，减轻基站的负载，但当移动速度过大的情况下，系统分流率也会降低。

【关键词】移动性 D2D缓存网络 系统分流率 负载

1 引言

在过去的几年，智能手机的爆炸式增长，使得移动数据发生了突变式的增长，并且预计在接下来的几年，智能手机依旧会以每年60%的增长速率增长。利用智能手机的存储能力，能够非常有效的减轻网络负载的压力。用户设备缓存流行的文件，通过D2D（device-to-device）通信模式将缓存的流行文件发送给在其通信范围内的请求的用户，能够有效缓解蜂窝网络基站的流量压力。目前绝大多数的研究，例如文献[2]等都是基于固定的网络拓扑，但是显然不适合实际，尤其现在大量的手机用户很多时候都是处于运动的情况。

本文所研究的内容主要从定性的角度考虑，节点的移动性对D2D通信缓存网络带来的影响，通过两种常见的缓存策略，随机缓存和确定性缓存，研究节点的移动性对D2D通信网络带来的影响。本文的主要贡献是定性的研究了移动性了移动性对D2D缓存网络带来的影响，节点的运动能够给整个通信系统带来优点，提升数据分流率，而另一方面是移动性也会给系统带来缺点，由于节点的运动使得正在传输的文件突然中断，无法完成通信，而造成系统的性能下降。

2 问题分析

首先，在蜂窝网络系统中，由于节点之间的运动，会导致用户的位置发生随机性的改变，并且节点之间的连接过程服从泊松过程。速率指数表示为λij，T之内，节点i和j建立通信的概率表示为：

本文采用的随机缓存和确定性缓存策略是常用的缓存方案，我们通过对这两种缓存策略下的D2D通信网络的环境下的研究下，初步研究节点的移动性对缓存系统的影响。

本文，从两个方面来研究移动特性给D2D通信缓存网络中带来的影响。首先是理想的情况下，请求节点请求的数据文件存在于本地缓存，节点距离在D2D通信范围内，那么节点之间的连接成功。另一方面是实际的情况，数据传输速率相对文件的大小和节点的移动速度，一个完整的文件不可能一次性就传完，正在传输的文件由于节点的运动而突然停止传输，那么相当于文件从没有接收过，缓存失败。

3 系统建模

蜂窝网络中，一个基站BS，节点个数为N，基站BS可以为移动节点提供服务，每个节点都有有限不同的缓存能力。在该蜂窝网络下有两种通信方式：一种是传统的通信方式，从基站BS到节点之间的蜂窝网络通信，另一种是两个节点之间直接进行的D2D通信方式，即两个移动节点移动到彼此之间的通信范围内时，直接进行通信而不通过基站进行转发。

该网络中，M个数据文件，该数据文件集合服从zipf分布，基站和移动节点都能够相应获得文件，任意一个节点都可作为数据请求者和数据发送者。例如，一个移动节点在等待时间T内请求文件，若该节点中没有该缓存文件，节点就会将这个请求转发给与他建立D2D通信的其他节点，如果在等待时间T内，该请求没有做出任何回应，移动节点将会通过蜂窝网络获得请求文件。本文中定义系统流量分流率，借鉴文献[5]中定义的分流率定义，分流率U定义为等待时间T过期之前对所有数据文件的分流率，定义为如下：

其中sd表示文件d的大小，令qd表示文件d的流行度，qd正比于所有节点对文件d的请求率，Pi，d表示在请求时间T之内所有请求节点i获得文件d的概率。显然这个数据分流率问题是一个NP-hard，我们采用背包问题进行解决，缓存最优策略不是本文的重点，我们不进行重点描述。

4 仿真试验结果

这个部分中，采用随机缓存算法和基于流行度的确定性缓存两个缓存方案来研究移动性对D2D缓存网络带来的影响，研究标准通过数据分流率来表示。节点的移动模型服从随机游走模型，确定性缓存我们分为了三类：确定性缓存1表示所有的节点都从最高流行的文件进行缓存；确定性缓存2表示节点分为两类，一部分缓存奇数类的文件，另一部分缓存偶数类的文件；确定性缓存3表示节点分为三类，每隔两个文件进行缓存直至缓存满为止。下面对仿真结果进行详细的介绍。

4.1 理想情况下

在节点的运动过程中，只要请求节点能够从临近节点获得请求的数据文件，就能够完整的接收该整个文件，即数据传输速率足够大，而不考虑由于节点的运动，使得节点移动出他们之间的通信范围而通信中断。

图1表明在一定程度上，随着移动节点的速度越来越大，两种缓存方案下的数据分流率都有所提高，除了确定性缓存方法中的第一种。但是随着移动速度的逐渐变大，随机缓存的数据分流率要与基于流行度的确定性缓存方法性能相近，因为对于确定性缓存，每个节点缓存文件的差异性相对于随机缓存不大，而随机缓存方案中每个节点的缓存内容几乎不太一样，所以随着移动速度的变大，D2D用户有更大的机会与其他的节点相接触，就有更多的机会检索到请求的文件，而随机缓存中文件的差异性比较大，因此，就会满足更多的请求节点，数据分流率就会相对较大。

4.2 实际情况下

在这个部分我们考虑实际情况，数据传输速率不会在理想的情况下无限大，而是由于节点的运动，正在传输的文件突然中断，此时我们认为只要数据中断，那么整个接收的文件就相当于没有接收，下次需要重新传输；除此之外，由于节点的运动，也会给请求节点带来请求的文件，增大系统分流率。

图2表示随着节点移动速度的变化，随机缓存策略和确定性缓存策略下的数据分流量的随着移动节点的速度变化先增加后减小，在该仿真模型中最优的移动节点速度是10左右，该变化很好的表明了节点的移动性的优缺点，移动性在一定程度上确实能够给D2D缓存网络带来性能上的增益，但是当移动节点的速度过大时就会降低系统的性能。这也充分说明了節点的移动性能够给D2D节点带来请求的其他节点中缓存的文件，但也能够随着速度的变大，缓存节点由于运动而走出通信范围，使得通信网络的数据分流量反而下降。

图3表示随着节点的数量的变化情况，数据分流量的变化情况，显然随着节点的数量增加，随机缓存和确定性缓存整体上的数据分流率也会增加。因为随着节点数据的增多，网络密度变大，周围的移动节点变多，请求的数据文件有更大的机会获得满足。

通过上面的多个仿真图我，我们不难发现，确定性缓存整体上要优于随机缓存，而对于差异性越大的确定性缓存，对网络系统分流量越大。我们可以得出在缓存流行程度高的数据文件的情况下，要尽可能多的缓存不同的文件，尤其是对于移动的通信网络，更有利于节点有更大的机会获得请求的文件。节点的移动性对于D2D通信缓存网络有很大的优点，相比于静止的缓存网络，在一定的速度下节点的移动性能够增大系统数据分流量，在一定程度上降低了基站的负载压力，缓解了网络拥塞，降低了系统延迟，对未来的5G蜂窝网络有很大的帮助作用。

5 总结

在这篇文章中，我们主要定性研究了节点的移动性对D2D通信缓存网络带来的影响。本文主要考虑了两种主要的情况，一种是理想情况下，当节点的传输速率相对于节点的运动速度无限大时，也就是节点的运动不影响节点之间的传输，另一种是实际的情况，也就是正在传输的文件由于节点的运动会中断传输的文件，通过研究我们也发现，一定的运动速度能够有利于数据的传输，增大了系统分流量，有效减轻基站的负载。在本文中，我们发现节点的速度是10m/s左右时，能够最大提升系统分流量和网络容量，有效地减轻基站的负载。因此，我们可以看出，移动性虽然能够将正在传输的文件中断，但也能够为移动的节点提供与其他的节点相接触的机会，适度的提升网络容量，缓解网络压力。在未来，可对移动性对D2D通信缓存网络的影响进行更加深入的研究，针对每个节点和每个文件的异构，针对不同的移动网络模型以及在不同的节点运动的情况下，如何设计出不同的最优缓存策略来提升系统的数据分流率将会是一个具有很大研究价值的课题。

参考文献

[1]荣涛.D2D通信技术研究[D].南京：南京邮电大学，2013.

[2]K.Shanmugam，N.Golrezaei，A. Dimakis，A.Molisch，and G.Caire，“Femtocaching： Wireless content delivery through distributed cachinghelpers，”IEEE Trans.Information Theory，vol.59，no. 12，pp.8402-8413，Dec.2013.

[3]朱欣娟等.一种VANET信息查询模式及分析[J].电子科技大学学报2013：911-915.

[4]杨菲菲.“基于代理服务器的高效流媒体缓存技术研究[D].华东师范大学，2009.

[5]Lan，Ruining，et al."Device-to-Device Offloading with Proactive Caching in Mobile Cellular Networks."GLOBECOM 2015-2015 IEEE Global Communications Conference，2014.

作者單位

北京航空航天大学 北京市 100191