能效优化D2D-Cellular融合网络视频交付

文摘

无线视频交付用户之间的新范式研究了聚合D2D网络和细胞系统。D2D沟通使附近的用户设备(UE)的直接数据传输通过共享相同的时间和频率资源,从而提高频谱利用率、系统吞吐量和能源效率。然而如果D2D网络不能提供所请求的视频文件的存储容量有限的问题,用户必须访问视频文件在传统的细胞模式。探讨D2D-cellular融合网络,用户是分散在一个细胞的面积根据空间泊松点过程和D2D用户可以存储的一部分视频文件要求其他用户根据文件的受欢迎程度。首先,我们推导出D2D-cellular融合网络的能源效率。然后,最大化的能源效率D2D-cellular融合网络,最优协作距离D2D沟通和缓存文件的数量。最后,通过模拟,我们展示这些系统参数对能量效率的影响,指出最优解的存在性。

1。介绍

随着无线通信技术的快速发展,用户追求视频交付大大增长。目前,越来越受欢迎的智能手机和平板电脑内置支持多媒体内容可能看久了视频在移动设备的高分辨率。最近的研究表明,生成的交通视频请求交付不久将超过其他移动互联网业务(1]。为了提高消费者的满意度,我们必须打开一个新的商业模式来解决手机网络视频交付问题的负担。

细胞中发现大多数用户关注的只有一小部分受欢迎的视频文件(2]。更重要的是,生成的交通邻近用户正变得越来越大。最近,设备间(D2D)通信被认为是适合发展趋势和相关特性,而这种技术也有一定的局限性,如长距离传输。D2D的融合网络通信和传统的蜂窝系统是一种有效的方法来解决这个矛盾视频业务数据流量的快速增长和有限的无线网络传输容量(2]。例如,D2D辅助细胞系统申请公共安全应用程序传输监控录像(3,4]。D2D-cellular融合网络的研究仍处于起步阶段。D2D通信融合网络的能源效率问题研究[5- - - - - -8]。传统的细胞谱系的融合网络共享与多个D2D通信链路提出了(9]。然而,这些文献并没有考虑D2D需求下的实际应用场景和特定的业务需求。简单地提高吞吐量和能源效率的解决和现有D2D链接下当然不会带来性能改进特定业务的融合网络。

怎么安排D2D传输与融合系统中的具体应用场景和业务需求仍然是一个挑战。如今,大多数移动设备已经配备大容量的内存模块。因此,用户可以流行的视频文件存储在他们的设备,并与其他用户共享这些文件。在[10)、移动交换中心引入细胞系统存储受欢迎的文件。然而,它只在细胞有助于减少压力回程,没有避免拥堵“空气”。在共享多媒体数据的观点,作者的11]提出一种基于用户头节点融合方案,用户的头节点将多媒体数据存储和分发到每个用户的多播组D2D链接。视频文件的用户的需求没有考虑在上述文献。考虑到用户的请求,Golrezaei等人提出一个新的范式对无线视频分享,用户可以通过D2D商店流行的视频文件和共享文件传输(2]。然而,重要的功能,用户的请求的不平衡特征是不利用提高系统效率。

总结了本文的主要贡献如下:一方面,考虑具体的应用场景和业务需求,我们建立一个新的范式D2D-cellular无线视频交付用户之间的融合网络,用户存储视频文件根据受欢迎程度和遵循一个空间泊松过程(PPP)。要求,缓存文件传输到用户通过D2D链接或传统的细胞连接。如果所请求的文件存储在附近用户D2D通信范围内,D2D通信用于交付文件。否则,用户访问的废话来获取文件。另一方面,我们推导出融合网络的能源效率,建立两个优化问题寻求最优协作距离和大型虚拟缓存中缓存文件的数量。

2。系统模型

2.1。聚合网络模型

拟议的框架D2D-cellular聚合网络如图1。融合网络包括两个部分:D2D通信网络和蜂窝网络。为简单起见,我们假设细胞是圆的,只考虑一个细胞。多单元的场景是计划在未来的研究工作。因此,注液电池干涉我们的系统是不存在的。我们进一步假设D2D通信不干扰这些废话和用户之间的联系。以满足高效的视频文件传输,我们这里假设D2D通信工作的覆盖模式,D2D链接不会产生干扰细胞的链接。用户在细胞中是随机分布在一个圆形的半径范围和用户根据空间的分布泊松点过程(PPP)平均强度移民/(12]。从邻近的细胞可以请求用户受欢迎的内容用户通过D2D交流,而他们也可以请求内容从传统的b细胞沟通。用户可以从一组请求文件文件,命名为“库。“我们假设每个用户存储一个文件。这种假设收益率清洁配方,可以很容易地扩展到更大的存储容量。用户的设备池缓存资源创建一个大的虚拟缓存来存储视频文件。存储文件的BS意识到和用户的信道状态信息和控制D2D通信(2]。D2D通信采用集中式调度方案和BS为D2D用户可以分配子信道对避免干扰。例如,用户节点当用户节点建立一个与BS“图书馆”的请求一个文件的大小。然后,BS搜索请求的文件在某些领域用户位于中心点。如果找到该文件,BS为D2D分配子信道之间的联系用户和用户存储文件。否则,BS本身和用户之间建立联系。在大多数D2D通信文献,D2D链路的传输范围有限的所谓合作距离。D2D链接可以设置两个用户之间的距离小于合作距离。我们定义的最大允许距离距离D2D协作,这是由D2D通信的传输功率。

2.2。文件缓存模型

聚合网络为用户提供视频文件这些文件的需求,似乎可以作为服务系统。我们假设文件服务体系。考虑到用户请求的冗余,每个用户根据流行的独立文件存储文件。换句话说,这个文件更受欢迎,更大的缓存用户数量。Zipf分布建立了作为一个好的模型来衡量受欢迎的文件(13]。还在这篇文章中,我们使用Zipf分布模型的分布视频文件的人气和用户请求。然后,用户缓存的概率排名文件可以表示为 在哪里是一个参数命名倾斜系数和特征分布通过控制相对受欢迎程度。为,Zipf分布变得均匀分布。为Zipf分布符合80 - 20的原则;也就是说,80%的请求10 - 20的视频文件。在图2,我们将展示Zipf分布。因此,大多数的用户存储一些一流的文件可能是由D2D链接有一个非常高的概率。因此,有效地提高了传输带宽利用率。通过上述假设,用户节点需要满足以下两个条件形成D2D用户组:(的距离内)存在一个激活用户从用户请求。()激活用户缓存所需的文件。

3所示。能源效率分析

为了清晰地描述聚合网络向用户提供文件的进展,我们假设用户请求一个特定文件的引用,如图1。用户首先将请求发送到b,然后BS搜索文件的范围内。如果用户的文件存储在这个圆,假设最近的用户B这个文件;B通道资源块分配给用户A和B形成D2D链接(14]。否则,用户通过传统的蜂窝网络接收文件。

我们不能准确的得到用户由于移动用户的位置。因此,我们使用泊松点过程(PPP)移动用户的分布。我们假设移动用户按照购买力平价平均强度;的概率用户在该地区的存在是 在哪里意味着区域的面积(15]。表示用户存储文件的概率作为。因此,文件和平均强度分布与购买力平价模型吗。让是一个随机变量代表之间的距离参考用户请求文件和最近的用户存储文件。因此,覆盖区域D2D通信是一个圆形的半径。换句话说,当,不存在用户提供文件在该地区;也就是说,。根据(2成功的概率),参考用户建立D2D链接提供所需的文件 因此,D2D两个用户之间的联系被激活(16]。显然,只有用户在没有文件试着发送请求文件。因此,一般,有用户可以请求文件在细胞中。在此,是覆盖范围细胞系统。

不失一般性,我们假设文件与一个较小的指数更大的可能性被一个用户请求。让表示文件的概率由一个用户请求;也就是说,如果。作为流行的文件来自用户请求的统计结果,用户请求概率也遵循Zipf分布。具体来说,我们模型的用户请求Zipf与指数分布,不一定等于。

3.1。D2D链接数量

文件的概率要求用户可以派生的基础上(1)。此外,用户请求文件的数量可以制定 和激活D2D链接的数量交付文件是 从(5),预计数量的活跃D2D链接可以给出的所有文件

3.2。细胞数量的链接

参考用户发送一个请求到BS请求文件。然后,BS选择传统的方式建立一个细胞与参考用户如果建立D2D通信链接失败。这意味着传统蜂窝链路建立如果参考接收机不能找到相应的用户存储所需的文件D2D最大传输范围内的链接。由(3),传统的细胞连接的概率,应该建立传输文件是 在这种情况下,传统的预期数量细胞链接文件是由 因此,预期的用户数量在传统方式获得他们所需的文件

3.3。融合网络的能源效率

无论用户参考选择D2D模式或细胞模式,参考接收机的位置和最近的用户提供所需的文件是很难确定的。在本文中,我们使用的最大通信距离站的距离两个问题。因此,合作的距离的通信距离D2D模式。让手机网络的半径等于;也就是说,,这也被认为是作为细胞模式的通信距离。

让是无线信号传输的路径损耗因子。的平均频谱效率可以由D2D模式 和细胞的平均频谱效率模式 在哪里表示期望算子,和表示D2D链接和BS的传播力量,表示信道增益和遵循复杂的高斯分布,表示加性高斯噪声的力量。很容易知道遵循指数分布与;的概率密度函数是。然后,D2D模式的平均频谱效率可以写的 在哪里。同样的,细胞的平均频谱效率模式

能源效率(EE),绿色无线系统设计的一个重要标准,被定义为可以传输的比特数/能源消耗。然后,我们可以获得用户的平均EE D2D模式和在细胞模式,分别为: 在哪里和是常数电路的力量消耗的相关电子设备用户和BS,分别。因此,D2D-cellular EE的融合网络可以表示为

4所示。优化问题

在本节中,我们试图最大化EE的融合网络。显然,优化在(15)是一种联合优化问题在不同的系统参数。但是很难直接解决这个问题。在此,我们研究两个关键参数,协作的距离和缓存文件的数量,融合网络的能源效率最大化。

4.1。合作的距离

众所周知,最大允许为D2D通信距离为每个传输是由功率决定的。我们假设任何对传播范围可以通过相同的权力相互通信。此外,它是不够的,两个用户之间的距离应小于D2D联系合作的距离。我们假设用户存储文件在虚拟缓存。替代(6),(9)和(14)(15);我们可以得到如下: 很明显,捕获一个基本权衡D2D协作距离和D2D激活链接的数量。对于我们的理论推导,我们定义的,。因此,寻找最优等于寻求最优。所以,我们有条件优化问题:

然后,我们的导数关于,这是表现在以下几点: 在哪里和。为了解决这个问题,我们应该得到方程的解。从(18),发现分析在一个封闭的形式似乎不可行。因此,我们可以应用牛顿法寻求最优D2D协作的距离。

4.2。数量的缓存文件

在本节中,我们假设一流的文件存储在D2D通信网络。用户请求的一个文件通过D2D通信链路或传统的细胞连接,而剩下的文件是通过细胞传播系统。

活跃的平均数D2D链接文件可以表示为 同样,用户的数量BS的获得他们所需的文件文件可以表示为 因为剩下的文件不存储在虚拟缓存,它们可以被交付给用户的手机链接。因此,获得他们所需的文件的用户数量为剩下的细胞模式文件是 此外,细胞数量的链接可以制定的所有文件 因此,情感表达的融合网络在这种情况下可以给出如下:

为了获得最大的能源效率,我们应该找到最优数量的缓存文件在虚拟缓存。优化问题是 然而,大大很难找到最优在一个分析方法。自是一个离散变量,可以代替的吗到这个问题,并执行一个详尽的搜索解决方案。

5。数值结果

在本节中,数值结果提供给系统参数的影响进行调查。细胞的半径m;也就是说,,和用户的购买力平价的平均强度分布在细胞中和所有文件的数量。电路功率设置(9,12]。我们设置传输能量D2D用户和对细胞的发射机。加性高斯白噪声的力量dBm。用户请求文件的Zipf分布参数设置在所有的模拟。

首先,我们想要找到最优合作距离可以最大化的EE融合网络。我们展示的EE融合网络和协作的距离在图3。很明显,存在唯一的最优合作距离对各种。因此,如果我们融合网络的系统参数,我们可以解决优化问题最优协作的距离。更大的是,小是多少。换句话说,最优协作的距离减少,增加。原因是,在一个更大的情况下,有更受欢迎的文件存储在请求用户。因此,在合作的概率距离变大。此外,当,我们可以看到,这三个系统都有几乎相同的情感表达。原因是如果D2D通信范围增加,找到一个文件从D2D用户的概率也增加了。当D2D通信距离是足够大的,事件的概率D2D模式只对1激活收敛。因此,聚合的ee系统不同有相同的结果。在图4的影响,我们将展示在虚拟缓存中缓存文件的数量在融合网络的能源效率。同样的,我们可以看到,存在唯一的最优数量的缓存文件,即从我们的模拟。因此,考虑到系统参数,我们也可以计算出最优数量的缓存文件。对于一个给定的,小会导致低情感表达。这意味着更密集的视频文件的流行,EE融合网络获得越高。

图5显示活动D2D链接的数量协作和标准化的距离。我们可以观察到增加迅速增加。更大的意味着找到所请求的文件的可能性变得更大。所以D2D链接激活。作为进一步增加,活动D2D链接的数量保持稳定。值得指出的是,用户可以找到所有要求的文件在D2D虚拟缓存D2D合作距离大于一定的阈值。此外,我们可以看到,大是,增长率越低D2D链接的数量。此外,当,系统与最D2D链接系统相比。相反,当,系统与最D2D相比其他系统的链接。图6显示了传统手机链接的数量协作和标准化的距离。的趋势与合作的距离是相反的。原因是如果D2D模式并不可行,用户必须在细胞模式下工作。然后,在融合网络D2D链接的数量增加,细胞链接的数量减少。这就是为什么和有互补关系数据吗5和6。

6。结论

在本文中,我们建立一个新范式的无线视频交付用户之间的融合网络D2D沟通和蜂窝网络。提出了融合网络,用户获得其请求的视频文件通过D2D链接或传统的细胞连接。融合网络的能源效率。更重要的是,我们还研究两个关键参数的影响:协作的距离和缓存文件的数量在大型虚拟缓存能源效率。最后,通过模拟,我们表明,确实存在最优协作距离和缓存文件的数量最大化的EE D2D-cellular融合网络。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这部分工作是由中国自然科学基金会(不支持。61302093);国家移动通信研究实验室的开放研究基金,东南大学(没有。2011 d14,没有。2013 d07);中央大学的基础研究基金;陕西省自然科学基础研究计划,中国没有。2015 jq6234。

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