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关于中基类毕业论文开题报告范文 和蜂窝异构网络中基于隐马尔可夫的内容缓存策略相关参考文献格式范文

主题:中基论文写作 时间:2024-02-08

蜂窝异构网络中基于隐马尔可夫的内容缓存策略,本文是中基方面有关参考文献格式范文与马尔可夫和蜂窝异构网络和内容缓存策略方面硕士学位论文范文.

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【摘 要】 蜂窝异构网络中,将流行度高的内容缓存到用户侧,可以有效的减少小/ 微基站间的共享数据量,提高系统效率,降低系统能耗,同时还降低宏蜂窝基站回程负担.然而由于小/ 微基站的缓存容量有限,如何利用小/ 微基站有限的缓存空间以提高缓存效益是蜂窝异构网络中内容缓存面临的主要挑战之一.本文依据内容流行度与用户请求,考虑基站之间的协作关系,将蜂窝异构网络中内容缓存与共享转化为一个隐马尔可夫模型,依据小/ 微基站间的协作关系以及用户请求,计算流行内容在小/ 微基站中的缓存状态概率,最后依据小/ 微基站的缓存空间以及内容的状态概率优化缓存策略.

【关键词】 蜂窝异构网络 内容缓存 隐马尔可夫模型

一、引言

在蜂窝异构网络中,小/ 微基站不仅可以提高频谱效率,还可以有效的卸载宏蜂窝基站的负担,从而提高网络效用,降低网络能耗[1].因此近年来针对蜂窝异构网络优化研究吸引了大批研究者.

文章[2][3] 指出蜂窝异构网络进行内容缓存可以有效的提高蜂窝异构网络的性能,[3] 在考虑不同基站间的干扰,在满足最小信噪比情况下同时考虑小/ 微基站的缓存空间和带宽限制,以最大化满足用户内容请求为目标,联合优化用户路由以及内容缓存问题.

文章[4] 考虑用户具有多个接入选择的情况,以同时最小化网络时延以及能耗为目标,优化基站内容缓存以及用户接入选择,在满足最小信噪比限制的情况下,最优化内容下发策略.

特别的,本文依据内容流行度与用户请求,考虑基站之间的物理连接状态,将蜂窝异构网络中内容缓存与共享转化为一个隐马尔可夫模型,通过策略估计实现基站最佳的缓存策略.

二、场景及系统模型

2.1 场景

如图1 所示,本文考虑具有两层结构的蜂窝异构网络中的内容缓存策略的优化.为了便于研究,我们考虑一个宏蜂窝基站下多个小/ 微基站共同协助为用户提供服务的情形.为了提高蜂窝网络的服务效率,我们规定宏蜂窝基站只为小/ 微基站服务,不直接服务用户.

宏蜂窝基站会根据小/ 微基站的需求从云服务中心获取内容资源传送到相应的小/ 微基站, 小/ 微基站一方面为用户提供内容服务,另一方面将流行度高的内容缓存下来以为其它基站提供内容共享.

为了评估基站之间的物理链路质量,我们需要知道基站之间的信道信息,由于信道频率的时变性,获取实时信道信息既耗时间又耗计算,也没有必要,因此本文考虑统计信道信息.

假设衰弱的信道功率增益服从负指数分布,gM,n 和gn,m 分别为宏蜂窝基站到小/ 微基站以各小/ 微基站及之间的信道增益,则我们有gM,n ~ Exp(αM,n) 和gn,m ~ Exp(αn,m).

2.2 系统模型

如前所述,小/ 微基站会依据其服务用户的请求缓存流行度高的内容,一方面服务用户,另一方面为其它小/ 微基站提供内容共享.用B等于{b1,b2,…,bN} 和C等于{c1,c2,…,cF} 分别表示宏蜂窝基站下小/ 微基站集合和流行内容集合,其中N 和F分别为小/ 微基站数量和流行内容数量,C 中的内容已经按流行度排序.

假设内容在每一个小/ 微基站的流行度是不一样的,可通过简单的统计手段获得,则可将小/ 微基站bn 上的内容按流行度排序,记为Cn等于{cn,1,cn,2,…,cn,F}.

基于宏蜂窝基站到小/ 微基站的信道状况,小/ 微基站之间的物理连接情况,以及小/ 微基站上内容流行度不同,以减少相同用户内容请求下蜂窝异构网络能耗为目的,可以将我们的目标描述为:

1)最小化宏蜂窝基站到小/ 微基站的数据传输量,2)最小化小/ 微基站之间的数据传输量.

三、数学模型及求解

该部分我们联合考虑宏蜂窝基站到小/ 微基站的信道状况,小/ 微基站之间的物理连接情况,以及小/ 微基站上内容流行度,将系统模型转化为隐马尔可夫模型,然后利用维特比算法估算最佳的文件缓存状态.

至此我们已经将系统模型转换为了一个隐马尔科夫模型.

显然上述问题是一个知道内容整体流行度情况下,估算内容在各个小/ 微基站上的最优缓存策略(状态)问题,可以用维特比算法来解.

四、仿真结果

首先我们给出重要的仿真参数,在仿真场景小/ 微基站的个数为5,流行文件个数为30,高斯白噪声功率为-96dBm,要求满足的最小信比为3dB,基站之间的带宽为100Mbit.将本文提出的缓存策略记为CHMM(Cache Based HMM),针对本文提出的算法,仿真给出两种对比策略,1)依据内容在各个小/ 微基站上的流行度缓存,既,依据小/ 微基站缓存空间保留流行度最高的内容,记为CPO(Cache basedpopularity only),2) 最先请求缓存, 既, 依据小/ 微基站缓存空间保留最先缓存的内容, 记为CLR(Cache based latestrequests).

图2 为三种策略中小/ 微基站之间的数据共享量及共享能耗,由图可得CHMM 策略数据共享量及共享能耗均要小于CPO 和CLR 策略,其中CLR 策略数据共享量最大,共享能耗最高.因此我们可以得出小/ 微基站之间的数据共享量不仅与各个小/ 微基站上的内容流行度有关,还与宏蜂窝基站到小/ 微基站之间的信道状况以及各小/ 微基站之间的信道状况有关,特别的比较CPO 策略和CLR 策略可得,内容流行度对数据共享量的影响要大于实时内容请求序列.

图3 为内容更新时宏蜂窝基站到各小/ 微基站的数据传输量及传输能耗,由图可得三种策略下宏蜂窝基站给各个小/ 微基站传输的数据量从小到大排序为CHMM,CPO,CLR, 然而由于受到各小/ 微基站缓存容量限制,总体相差不大,这说明策略对内容更新时数据从宏蜂窝基站传输到各个小/ 微基站的影响不大,但我们的策略仍然有优势.相比较于传输数据量,传输能耗差异相对明显,这说明信道状况对宏蜂窝基站数据传输的影响要明显小于文件流行度的影响.

五、结论

针对宏蜂窝基站和小/ 微基站共存的蜂窝异构网络中内容缓存问题,本文以最小化宏蜂窝基站到小/ 微基站的数据传输量和最小化小/ 微基站之间的数据共享量为目标,考虑联合文件在各小/ 微基站上的流行度,各小/ 微基站之间的信道状况,以及宏蜂窝基站到各小/ 微基站之间的信道状况,将问题转化为一个隐马尔可夫状态最优化问题,最后用维特比算法来解.通过与CPO 以及CLR 策略比较可得,内容从宏蜂窝基站到各小/ 微基站的传输主要受内容流行度影响以及受各小/ 微基站缓存容量的限制.而内容在各小/ 微基站之间的共享受到文件在各小/ 微基站上的流行度,各小/ 微基站之间的信道状况,以及宏蜂窝基站到各小/ 微基站之间的信道状况的共同影响,因此本文提出的算法具有明显的优势.

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