文摘

由于移动通信的快速发展,移动网络运营商(MNOs)正在考虑部署移动小细胞(msc)。mSC是一个以用户为中心的网络在移动性提供语音和数据服务。通过无线回程mSC可以接收和转发数据流量和sidehaul链接。此外,由于用户需求的预测性质,msc可以主动缓存off-peak-traffic时期的预测内容。由于这些特点,MNOs考虑msc作为一个有成本效益的解决方案,不仅提高了系统容量,还提供承诺的服务质量(QoS)需求移动用户设备(问题)在交通高峰时期。在这篇文章中,我们进行广泛的系统级仿真分析msc具有不同性能的缓存大小和内容的声望和影响无线回程负载。绩效评估确认移动小细胞的QoS问题(mSUE)明显提高利用msc一起主动缓存。我们还表明,主动的有效使用缓存显著地降低了无线回程负载和增加整体网络容量。

1。介绍

由于越来越多的智能手机设备和数据服务,用户对移动数据流量的需求也增加了。全球移动通信将几乎增长10倍,到2018年(1]。为了适应这一新兴的数据流量需求,移动网络运营商(MNOs)已经采用先进的通信技术,如正交频分多址(OFDMA),多输入多输出(MIMO)和载波聚合(CA)。可以使频谱效率达到理论限制4 g移动网络通过使用这些技术。然而,网络只是实现这些先进的无线接入和传输技术将无法适应移动流量和可能的巨大增量排气可用4 g移动网络的系统容量。因此,MNOs已经考虑异构网络(HetNets)为了不断提高系统容量通过添加更多的基站(2,3]。

HetNet术语表明,各种类型的固定小细胞(fsc)如pico -宏单元和毫微微蜂窝共存。fsc可以分享宏单元,提供移动服务的流量过载等人口密集地区热点[4]。然而,fsc使用有线回程有缺点就听到信号而言,基础设施成本和流动性(5]。在蜂窝网络存在许多fsc人口时,频繁的宏单元间发生的交接和fsc (6]。成功交接,基站的宏单元和fsc应该交换控制信息通过有线回程由几位网络实体7]。因此,fsc的密集部署增加信号有线回程的负荷。其次,现有的fsc要求光纤或同轴电缆等有线回程,为了将它们连接到核心网络。铺设这些连线回程MNOs不是一个非常具有成本效益的解决方案。此外,fsc使用有线回程不能始终为用户提供无线宽带服务,乘坐公共交通工具(8]。最近,3 gpp标准化工作组(WG)已经调查了移动细胞利用无线回程解决克服的局限性fsc (9]。

在这篇文章中,我们介绍移动小细胞(mSC)的概念与不同的传输路径,即无线回程,sidehaul,缓存传输。msc自动以用户为中心的网络,建立用户之间的联系,并提供语音和数据服务移动时(10]。通过无线回程msc与各自的mbs链接。msc还可以通过无线sidehaul交换数据链路在邻近msc。由于可预见的特性的用户,网络中的节点跟踪可以学习和构建用户需求的资料为了有效地预测他们未来的请求。因此,在提出的mSC网络,每个mSC缓存存储能力预测内容。提出的缓存机制是主动的原理和它的目标是预测用户的需求。它可以减少回程负载通过节约稀缺的频率资源。由于这些独特的特点,比其他fsc mSC有几个优点。通过支持组交接,msc可以减少信令开销和切换失败概率(11]。由于无线回程和sidehaul链接不需要任何额外的部署成本,msc可以成为一个有成本效益的解决方案来提高系统容量(12]。此外,提出主动缓存机制中使用msc不仅可以减少交通负荷的无线回程链路也保证的服务质量(QoS)的性能在高峰流量小时(13,14]。

msc可以增强系统的部署能力和适应移动交通与合理的成本增加。而不是部署新的fsc, msc可以利用作为一个具有成本效益的解决方案来解决临时的热点问题。虽然msc有很多优势的交通分布和系统能力,他们的表现是有限的由于科蒂干扰邻近msc。由于mSC容纳所有无线回程链路的数据流量,无线sidehaul链接,和积极的内容缓存,很明显,mSC的性能影响比率数据流量通过这些不同的链接。因此,我们已经开发出并进行了广泛的系统级仿真分析的影响msc在多层HetNet环境中启用了主动缓存。

贡献。系统级仿真是最有用的方法之一来分析各种网络场景的性能(15]。本文的初步版本出现在第八届ACM国际会议上无处不在的信息管理和沟通(IMCOM), 201416]。在这项研究中,我们首先突出的挑战与msc在多层HetNets部署场景。然后,为了利用msc的优势和主动缓存,我们评估和比较msc的性能在不同的多层HetNet场景。我们展示内容的关系受欢迎,缓存大小,操作模式及其积极影响网络的整体性能。

剩下的纸是组织如下。部分2介绍了msc和主动缓存相关的先前的研究。节3介绍该mSC网络,其体系结构,使用主动缓存机制。部分4包含详细的绩效评估提出了mSC网络和部分5提供了本文的结论。

2。相关的工作

由于前所未有的移动数据流量的增长,网络致密化和修改当前的体系结构是不可避免的。为了最大化的重用可用频谱,引入HetNets是一个关键的解决方案。HetNets可以容纳数据流量的不断增长的需求派遣更多的小细胞在一个给定的区域(2,17,18]。在[19),Dhillon等人提出了一个容易处理的模型K-tiers下行HetNet。它显示在一个理想的HetNet场景中,旁边的严重干扰,网络致密化还可以显著提高整体网络容量。为了提供更好的和可靠的网络服务,移动用户,使用msc已经提出,研究和评估(20.- - - - - -24]。

作者在20.)表明,在覆盖范围有限的情况下协调和合作在公共汽车继电器的使用可以显著提高车载移动用户的网络体验。在[8,21- - - - - -23)、隋等研究了移动中继节点的性能(MRN),这是一个类型的msc,在蜂窝网络。MRNs部署在公共交通工具如火车、有轨电车和公共汽车以提供无线宽带服务移动的问题。由于MRN使用无线回程链路连接到MBS,它可以减少回程链路连接的成本。此外,通过支持集团的所有车载交接问题,MRN可以显著减少信令开销和交接失败的概率。MBS相比,MRN非常接近它的问题;因此它能增强各自的信号质量问题获得链接。然而,MRN的性能主要取决于无线回程链路的容量(21,22]。自无线回程链路的容量通常是有限的,很难提高整体网络容量通过部署大批MRNs显著。

的能力来预测用户需求和最近的上下文感知和数据存储的发展使未来网络主动提前缓存流行的内容(25- - - - - -28]。小细胞的主动缓存技术将不仅减少回程的负载,也保证QoS需求在交通高峰时期。在[25),Tadrous等人研究了积极的资源分配的概念,利用用户行为的可预测性进行负载平衡。作者在26在fsc)提出的想法femtocaching回程带宽、大存储容量非常有限。作者在27]研究了缓存的渐近缩放法律D2D通信。在他们提出的分布式缓存方案,用户存储流行的内容和转发给其他用户通过使用D2D通信。Bastug和其他人在28)研究了两种情况下的主动缓存。首先,为了减少负载回程,他们提出了一种机制,主动缓存非高峰时段流行的文件(例如,在夜间)主动。在第二个案例中,基于网络的社会结构,该方案预测的潜在用户可以主动缓存和分发流行的内容利用D2D通信。

尽管如此,这些研究主动缓存只考虑fsc (pico -和家庭基站)通常有有线回程和没有回程的带宽限制。此外,他们也很少考虑的移动小细胞(微微细胞和家庭基站)或用户(D2D)。这些关键方面是本文的动机和目的是研究主动缓存的作用在msc。

3所示。提出移动小细胞网络主动缓存

3.1。网络体系结构

拟议的mSC网络由四个网络实体,MBS,宏单元问题(MUE), mSC,移动小细胞问题(mSUE)如图1。MBS在mSC网络提供无线访问链接和回程链路连接服务MUE和mSC,分别。每个mSC是一个感人的小细胞,提供无线宽带服务的服务mSUE访问链接。之间的沟通直接msc, msc还可以建立无线sidehaul连接相邻的msc。根据测量信息,MBS还负责无线电资源管理无线回程和sidehaul msc的链接。此外,我们提出了mSC网络,每个mSC流行缓存内容的能力。如果mSUE请求内容已经在缓存中存储的连接mSC, mSUE mSC直接发送内容。更多细节主动缓存在下一节中给出。

正如前面所讨论的,由于无线回程和sidehaul连接性,mpc可以部署在移动车辆提供增强的网络服务移动的问题。很明显,,而不是部署大量的fSC, msc是移动服务的有成本效益的技术问题,提高整体网络容量。MUE之间为了避免严重的干扰和mSUE mbs和msc在该方案使用不同频段的2.0 GHz和3.5 GHz访问链接,分别。图2显示了建议的渠道和频率分配方案无线回程/ sidehaul msc和访问链接,MUE和mSUE分别。在mSC网络,带内全双工传输可以用于无线回程链接。因此,对于无线回程传输,msc共享相同的无线电资源的上行和下行与MUE 2 GHz频段。此外,mSC还执行带内半双工传输无线sidehaul链接,他们重用mSC回程的上行无线资源和MUE 2 GHz频段。不像MUE mSUE非常接近msc服务;因此,传输mSC相对低于MBS的力量。

3.2。提出了mSC网络主动缓存方案

本文前面提到的,预压和主动缓存可以显著减少对无线回程交通负荷和节约稀缺的无线电资源的链接。主动缓存的关键问题是决定缓存数据的方法和一种有效的机制来传递所选数据(预压)29日]。本文的第二个关键问题缓存预加载。我们假设,基于协同过滤(CF)工具(30.],MBS可以有效地决定等内容的流行视频内容(例如,电视剧和广告),web内容(例如,每日新闻、博客和消化),和软件更新文件(例如,软件驱动和补丁)31日]。这些内容通常time-insensitive和可用之前他们的计划发布时间。影响时间敏感内容摘要尚未评估;这是因为我们认为mbs传输所选内容各自msc在非高峰时期(例如,晚上时间)。换句话说,msc的缓存方案时只更新在低流量小时流量负载回程链路很低(28]。以不断更新缓存时间敏感受欢迎的内容,一个全职的专用回程连接是必需的。然而,由于稀缺的无线电资源的可用性,这不是可行的完全奉献某些回程资源只对缓存的管理。

为了使预压方案更有效,msc的MBS传播流行的内容两种模式:广播和多播。如果内容文件同样是受欢迎的在所有msc网络,MBS将所选内容需要广播到所有网络中msc。同样,如果不同的内容文件是受欢迎的在不同msc、MBS将msc与相同的利益,它将多播组每个特定组所需的内容。此外,在多播模式mSC的一组可以交换他们的缓存内容与其他组的最近的邻国mSC通过sidehaul链接。换句话说,如果请求的内容可在邻近的mSC、MBS将提供必要的信息(mSC ID、sidehaul无线电资源等等)的特定mSC为了建立sidehaul链接。在我们提出的网络,msc只能建立sidehaul连接与周边msc位于200米的半径。以来,sidehaul链接重用msc和MUE的上行频率,可以显著减少回程交通负荷。注意,我们的方案的目的是评估的性能满载MSC网络活跃sidehaul链接和主动缓存,有限的约束下无线回程能力。因此,在我们提出的网络模型,我们认为mSC在每一个宏单元的数量和每个mSC mSUE碎片的数量统一和固定。这样的网络模型的目的是寻找网络容量的上界。 Consequently, due to these considerations the traffic conditions of an mSC in our proposed network do not vary over time and the resource allocation is static. Figure3显示了提出预压方案,在非高峰期间,回程带宽分为两个部分,一个用于活性回程交通和第二主动广播/多播流量缓存。

在我们提出mSC网络,网络性能取决于三个因素:内容流行分布,mSC的缓存大小,多播组的数量。本文从ZipF获得流行分布()分布32]。它已被证明在33,34),全球内容流行通常遵循ZipF分布。这也是所示(34),一个简单的模型为一个独立的请求流后ZipF分布足以捕捉观察到某些渐近性质主动缓存(如web代理)。使用ZipF分布的另一个原因是它的简单性;我们相信其他机器学习算法的复杂性成本将表土的MSC网络有限的计算能力。在ZipF分布,是范围从0到1的特征指数。此外,很明显,mSC网络的性能明显依赖于缓存大小()。巨大的缓存大小可以显著减少回程的负载,提高mSC网络的QoS。此外,与广播模式,正交无线电资源为每个多播组传输是必需的。因此,多播组的数量可以显著影响整体网络的性能。

4所示。绩效评估

4.1。模拟环境

为了评估我们的表现提出了mSC网络主动缓存,我们进行了系统级模拟。我们认为seven-macrocell网络,每个单元格包含三个六边形的行业。mbs位于每一个宏单元的中心和注液电池距离是500米。MUE和msc是随机部署然后宏单元内移动。同样,mSUE块是随机和覆盖范围内的统一部署和移动服务msc。为了捕获msc的实时迁移模式,我们使用随机游走迁移模式35]。根据我们考虑随机游走模型运动细胞(这可能是一个公共交通工具)旅行在一个随机的方向随机的速度和飞行时间。更详细的仿真参数表1。

在我们的系统级仿真器中,我们采用了ITU乌玛赢家为宏单元路径损耗模型和msc,分别。ITU乌玛模型认为城市宏单元环境(36,37]。Pathloss ITU乌玛模型方程如下: 在哪里发射机和接收机之间的距离。是载波频率范围的2到6 GHz。和天线高度的BS和问题,分别在哪里断点距离定义为

赢家模型提供pathloss模型小细胞低功耗和小覆盖区(38,39)及其pathloss方程 在哪里和平均自由空间pathloss pathloss小细胞,分别。

在本文中,我们使用了整体网络容量()作为性能指标,大电池容量的总额()和mSC能力(在下行。每个单元的能力取决于频谱效率和带宽分配问题。频谱效率的问题可以获得之间的关系的信号干扰噪声比(SINR)和调制和编码方案(MCS)表(36]。

让和表示MUE碎片的数量和msc部署在每个宏单元,分别。表示的数量mSUE mSC的报道。总的可用带宽在2 GHz 3.5 GHz频段和,分别。我们定义的宏单元容量()作为MUE的能力的总和。因此,它可以作为计算 在哪里意味着MUE附着在MBS指数。()描述了无线资源的比率为广播/多播整体资源2 GHz下行。

同样,mSC的能力()也定义为连接mSUE能力的总和。然而,mSC的能力取决于它的传输模式,也就是说,中继模式中,缓存模式,mSC-to-mSC (sidehaul)模式。如果mSUE请求内容缓存文件未在其各自的或邻近的mSC、mSC执行中继传输。在这种情况下,mSUE接收数据通过无线回程mSUE链接和访问链接。因此,mSC的能力()在中继模式被定义为能力的无线回程链路之间的最小值(mSUE)和容量的访问链接(),它可以表示为

同样,如果mSUE请求一个内容文件中可用的缓存服务mSC, mSC执行缓存传输。在缓存传输模式下,mSUE直接接收请求的数据从其服务通过访问链接mSC。因此,mSC的能力操作在缓存模式可以由mSUE访问链接的能力()。另一方面,mSC在sidehaul传输模式下操作,如果内容要求mSUE不可用的服务mSC但可用的缓存邻近mSC。邻近的mSC提供这样的数据通过无线服务mSC sidehaul链接。服务mSC将接收的数据转发给各自mSUE通过访问链接。在这种情况下,mSC的能力()之间的最小值是决定能力的无线sidehaul链接()和访问链接(),它可以表示为

4.2。仿真结果

图4显示了整体网络容量与不同数量的msc在广播运营模式。它描述了整体网络容量是高度依赖于msc在细胞的数量。它还表明,mSC与no - cache缓存情况下优于场景,因为大部分的内容要求mSUE已经可用的缓存mSC。此外,随着文件的流行增加(提高整体网络容量也增加。因为更mSUE片段请求已经缓存文件。

同样,图5描述了ZipF分布的影响()对整体网络容量、回程负载和满足请求的数量。两个不同的mSC部署场景(稀疏和密度)。图5(一个)表明,在inter-mSC干扰,密集的部署场景的整体网络容量(100 msc /宏单元)明显高于稀疏部署场景(20 msc /宏单元)。原因是每个mSC使用相同的2 GHz频段获得链接。在密集部署,msc重用相同的频带在他们访问链接。同样,图5 (b)描述了回程的负荷显著减少随着文件的声望的增加。此外,它也表明,在这两种部署场景,文件流行没有重大影响回程负载。在这项工作中,我们回程负载定义为msc使用回程链路数量的比值超过总数的msc。同样,图5 (c)说明了流行之间的关系满足请求和文件。这表明在这两种部署场景满足请求的数量增加的流行文件增加。这里满足请求的术语意味着满足请求的数量比率超过总数的请求。如果用户成功接收文件大小为1 MB后1秒内他的请求,我们称之为满足一个请求。

缓存大小的影响()对整体网络容量、回程负载和数量满足请求如图6。这是显示在图6(一),固定数量的msc(在本例中20),整体网络容量显著增加缓存大小增加。由于大型缓存大小可以主动存储受欢迎的内容,他们也可以大大降低回程交通负载(图6 (b))和增加的数量满足用户请求(图6 (c)在mSC网络。

图7显示多播组对整体网络容量的影响。它可以观察到从数据7(一)和7 (b)两个不同的邮政分布参数,(和),广播模式优于多播模式。因为MBS在多播模式使用正交通道传输不同的内容不同的mSC组(在本例中2组),因此回程带宽消耗比广播模式。图7 (c)描述的比较不同的资源利用msc在广播和多播模式。它可以观察到,在广播和多播模式ZipF分布因素起着至关重要的作用,回程负荷降低到61%和59%时方法1,分别。此外,利用sidehaul链接在多播模式增加了14%方法1。

5。结论

在本文中,我们讨论将来mSC HetNets的作用,提出了一个新颖的基于主动缓存mSC网络。我们表明,通过预测用户的本质需求,下一代网络可以有效地预加载缓存与流行的内容和减少高峰时间的交通数据的需求。我们广泛的系统级仿真结果表明,该mSC网络可以显著提高网络的QoS整体性能和系统容量。我们还表明,整个网络性能高度依赖数量的msc部署,缓存大小和内容的声望。对于未来的研究,我们针对模拟器将传输功率控制方案,从而有效地减轻跨和科蒂干涉mSC网络。另一个有趣的调查是研究各种资源分区和调度方案,可以静态或动态宏单元之间分配无线资源,msc,减少干扰,提高网络的整体性能。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持的信息与通信技术研究所由韩国政府推广(IITP)拨款(MSIP)(没有。r0101 - 15 - 244;5 g移动通信技术的发展为超级智能服务)。