能源效率分析有限的缓存支持蜂窝网络回程

文摘

在蜂窝网络缓存已被建议作为一种很有前途的技术降低成本内容交付延迟和回程。自从回程容量是有限的在实际场景中,基站(BS)的网络性能分析缓存应该解决回程的影响有限。探讨缓存支持蜂窝网络的能源效率与回程基于随机有限几何方法。首先,成功的概率内容交付(SCDP),这取决于成功访问交付概率,回程交付成功概率,和缓存命中率,分析了有限的回程。基于SCDP获得的结果,我们得出吞吐量的解析表达式,功耗,和能源效率等各种场景一般情况下,interference-limited情况下,近似和平均负载情况。验证了理论分析的准确性的蒙特卡罗模拟。仿真结果表明,BS缓存可以大大提高能源效率,当内容流行是扭曲的,内容库规模很小,回程容量相对较小。此外,它是确认存在一个最优的BS密度最大化缓存支持蜂窝网络的能源效率。

1。介绍

第五代移动网络(5克)面临爆炸式增长的数据流量和多元化的服务1]。为了处理日益增长的交通和满足高的服务质量(QoS)需求的各种应用中,大量的新技术,如密集的蜂窝网络,全双工通信,和大规模的多输入多输出(MIMO),部署提高电台访问的数据率在5克2]。然而,有限的回程不应对所产生的巨大的数据流量复制下载一些流行的内容从核心网络,成为网络性能的瓶颈。此外,存储单元的容量成本大幅增加,而近年来持续下降。因此,缓存支持蜂窝网络,基站的受欢迎的内容是主动缓存(BSs)或用户设备(UE),提出了内容访问延迟减少和回程交通释放最近[3]。

BSs保存在缓存支持蜂窝网络,在缓存中存储内容根据特定的缓存策略,这使得访问协议,用户协会,内容传播和传统蜂窝网络的资源分配不同于这些。为了得到深入观察BS的缓存,广泛的研究已在网络性能分析(4- - - - - -9]。通过对网络拓扑建模正六边形网格或泊松过程(PPP),各种性能指标在不同的场景中被描述。的工作(4)派生的命中率随机几何模式与有限的回程。在[5),作者分析了成功下载两个场景的概率不间断的结构和动态开关结构。的工作(6)提出了一种协作内容缓存方案在BSs和比较每个请求的平均延迟与非合作的场景使用排队论。遍历率和平均一个三层的异构网络的中断概率(HetNet)进行了研究[7]。的工作(8)调查了缓存和多播在大型缓存支持HetNet和驯良的表达式的成功传输概率。至于问题的内容缓存和共享内容由设备间(D2D)通信,(9]介绍了主动缓存方案和量化的流量卸载缓存D2D蜂窝网络效用最大化。

在缓存支持蜂窝网络,内容被放置在BSs广播在非高峰期。BSs缓存请求的文件时,用户获取所需内容直接从当地的BSs和交货速度不再是回程能力有限。在这种情况下,可以大大提高系统吞吐量和BS的功耗缓存应该考虑除了传输功耗。当请求的文件不缓存BSs,用户需要获取内容的核心网络通过回程链路。在这种情况下,有限的回程能力不仅影响吞吐量也网络的能耗。因此,有必要分析缓存支持蜂窝网络的能效性能有限的回程。

1.1。相关的工作

能源效率(EE)是一种常用的性能指标在蜂窝网络10]。缓存支持BSs被证明能够显著提高能源效率与传统的BSs (11]。的工作(12)的能源效率进行了探讨合作缓存茂密的蜂窝网络。多媒体设计的继电器缓存机制(13在蜂窝网络提高能源效率。的工作(14)提出了一个social-aware缓存信息处理方法,社会关系因素(31)的建模与实际数据和网络性能包括吞吐量、延迟,和能源效率是基于算法派生而来。的工作(15)将两个场景的节能性能与宏观BS或多个noncoordinated pico-BSs和确认内容流行度和请求到达率的影响。

异构网络性能分析也扩展到缓存支持。的工作(16]分析了能源效率的缓存支持双重HetNet cochannel /正交通道部署。缓存支持的能源效率合作HetNets密度进行了分析(17]。的工作(18)解决了节能环境敏感资源分配问题匹配算法在缓存支持HetNets。在[19),缓存策略和异构网络的基站激活政策共同设计的整体能源消耗降到最低。的工作(20.)提出了一个最大距离可分(MDS)编码HetNets缓存策略,最大限度地提高能源效率。的工作(21)提出了一个缓存支持软件定义HetNet组成的控制平面(C-plane)和user-plane (U-plane),分析了能源效率性能假设宏观BSs和小BSs配合不同的缓存能力。内容相关的能源效率的缓存支持D2D网络分析(22]。

1.2。我们的贡献

现有的贡献忽视回程链路的影响能源效率的缓存支持蜂窝网络。在现实的网络中,BSs相比是有限的缓存容量巨大的内容目录。BSs,因为并不是所有的内容都是缓存在回程链路需要作为补充获取内容的核心网络,目的是满足所有用户的需求,严重影响系统吞吐量并生成额外的功耗。在本文中,我们调查缓存支持蜂窝网络的能源效率考虑有限的回程。总结了主要贡献如下。

考虑到有限的回程,缓存支持蜂窝网络与随机几何理论模型。网络模型包括细胞网络模型、信道模型、缓存模型,回程模型。回程模型假设每个BS的回程容量是有限的。在这一过程中,有限的回程内容交付的性能有很大的影响在蜂窝网络中,如吞吐量和能源效率。

基于系统模型,从理论上分析了能源效率。因为在缓存支持蜂窝网络内容交付成功概率(SCDP)是一个基本的表达式通过随机几何分析,我们得到SCDP综合考虑无线信道,BS缓存,内容流行分布和有限的回程。然后我们得到确切的能源效率的约束下的封闭表达式SCDP为一个一般情况下和两个特定情况下的噪声和平均负荷近似。

能源效率的仿真结果缓存支持蜂窝网络有限的回程。理论分析的准确性,通过蒙特卡罗模拟首先验证。网络参数,包括BS密度、缓存容量,内容流行分布,和回程能力,模拟。仿真结果表明,BS缓存可以有效提高能源效率。性能更加明显的条件下,内容流行是扭曲的,内容库规模很小,回程容量相对较小。对于一个固定的缓存容量,存在一个最优的废话密度最大化缓存支持蜂窝网络的能源效率。

本文的其余部分组织如下。部分2描述了系统模型。部分3获取和分析的EE缓存支持蜂窝网络。部分4验证理论结果与仿真分析。最后,部分5总结了纸。

2。系统模型

本节描述系统模型;特别是手机网络模型、信道模型、缓存模型,和回程模型详细。

2.1。蜂窝网络模型

本文考虑一个下行蜂窝网络。表示 , 的位置th BS和问题,BSs和问题的空间分布服从两个独立的公私合伙制 , 在二维欧几里得平面和强度 , 相应的行动。每个问题被认为是与衣橱BS最强的意思是收到了信号强度,导致覆盖区域,构成一个典型的泊松泰森多边形法镶嵌(PVT) [27]。每个BS配置缓存和存储一定量的内容根据存储容量。BSs都连接到核心网络通过有限的回程。网络拓扑结构如图的插图1。根据棕榈理论,在任何位置配合问题的统计特性的一个典型的问题在一个固定的位置。不失一般性,是在一个典型的问题上进行分析在原点,即标记问题在标记的废话 。

2.2。通道模型

无线信道增益包含两种类型的传播效果,也就是说,路径损耗和瑞利衰落。标记的路径损耗问题的距离从标记BS计算幂律模型 ,在哪里 路径损耗指数。瑞利衰落指数分布的意思是1, 。设置BSs的传动功率 ,因此,接收功率可以表示为在标记问题 。

普遍采用频率复用。所有BSs除了标记BS对标记问题造成干扰,和收到的总干扰功率表示为 。因此,信号干扰加噪声比(SINR)标记的问题可以表示为 在哪里 表明累积干扰;是加性高斯白噪声(AWGN)。

系统带宽 。温顺,BSs平等的频谱资源分配给相关的问题。根据香农理论,标记的下行速度计算问题 在哪里表示问题的总量由标记BS,即细胞负荷。

2.3。缓存模式

目录包含的内容内容,所有这些都有相同的大小 。场景不同内容的大小,同样的分析仍然是适用的,把内容分成相同大小的块(28]。本文的内容目录是已知的先验和遵循Zipf分布(29日]。我们假设的统计内容流行分布变化慢慢地随着时间的推移而在蜂窝网络内容分发。降序排序的内容的流行,流行的排名可以被描述为内容 在哪里 是形状参数,反映出流行的偏态分布。更大的价值是,内容流行分布越不均匀。

由于有限的缓存空间大小,BSs选择最受欢迎的内容缓存;缓存容量 。用户制作内容请求根据内容的声望。如果所请求的内容缓存BS有关,使用可以直接获得本地缓存的内容。缓存命中率可以计算

否则,如果没有缓存请求的内容,用户需要的废话来获取内容的核心网络通过回程链路。缓存错过比率可以计算

2.4。回程模型

回程容量/ BS,表示 ,可以建模为(4] 在哪里 , 是任意的系数。

3所示。EE的缓存支持蜂窝网络

本节首先源于一些辅助结果包含内容交付成功概率,吞吐量和功耗。然后根据获得的结果,我们进一步分析了能源效率的backhaul-constrained缓存支持网络的一般情况和两个特殊情况。

3.1。成功的概率内容交付(SCDP)

内容交付成功概率的概率(SCDP)被定义为实现交付率标记的用户超过需求所需的要求内容: 。SCDP测量用户的满意度提供的利率对需求率是一个度量的服务质量(QoS)。

在缓存支持蜂窝网络,如果缓存命中时,用户直接从服务b被请求的内容和交付率等于访问交付率。SCDP访问的概率是交付率高于需求率。如果缓存错过时,用户需要提供BS获取所请求的内容从核心网络通过回程链路和用户通过访问链接。交付率由访问交付率和回程交付率。的概率是SCDP访问交付率和回程交付率满足率的需求。总之,SCDP派生

方程有意义因为访问链接和回程链路是相互独立的。所示(7),SCDP主要是由三个因素决定的,也就是说,成功访问交付概率(SADP) 回程交付成功概率(SBDP) ,缓存比例 。

定理1。标记的内容交付成功概率问题在缓存支持蜂窝网络是由表达式 在哪里 , ,是超几何函数。

证明。根据SCDP的定义,我们可以进一步推导出的公式 在哪里标记表示的分布加载服务的BS (30.),是由 SADP SBDP进行了讨论,分别基于负载标记的废话。
(1)成功访问交付概率(SADP)。的概率是SADP访问交付率实现标记问题高于的速度需求并且可以计算的 定义 等效SINR阈值, 表示覆盖概率。的证明(31日),覆盖概率可以表示为 SADP是派生 (2)成功的回程交付概率(SBDP)。由于回程能力有限,同时支持的最大用户数量的回程链路是固定的 。表示缓存错过用户的数量 ;如果 ,所有的缓存用户可以预定回程小姐联系。相反,如果 ,不能支持所有的回程链接缓存用户和小姐将随机选择用户。回程为每个用户交付的概率都是一样的,等于 。
假设标记用户没有缓存的请求的内容还有另一个缓存用户与标记相关b小姐,回程交付成功概率的问题是由标记 用(4),(13)和(14)(7),定理1是证明。

定理1表明SCDP主要取决于三个网络参数集:第一组包含BS的访问链接密度有关,传输功率,和路径损耗参数;第二组是回程能力,这与回程联系;第三集是关心缓存内容包括流行和缓存容量。

一般情况下SCDP表达式(8)包含一个反常积分的距离 ,一个无限总和负载 ,和最小的一个判断,特别使用查找表较高的计算复杂度。为了分析SCDP更方便和有效,特殊情况是派生的两个近似结果下面的推论。

推论2。成功的概率内容交付interference-limited场景是简化为

证明。在interference-limited场景中,噪声功率很小的干扰能力。让 在(12)和计算的积分 ,覆盖概率忽略噪声可以表示为 替换 到(16),我们得到的SADP interference-limited场景 噪声功率只有SADP影响。乘(17)不变SBDP表达式(14),推论2是证明。

推论3。内容交付成功概率的近似平均负载interference-limited场景中给出 在哪里 。

证明。的证明(30.),平均负载标记废话可以计算的 替换 在(17)和(14),SADP和SBDP interference-limited场景中平均负荷近似推导,分别 用一个近似 和消除总和 ,简化表达式(18)。

3.2。能源效率

本文中定义的吞吐量是成功交付吞吐量,可以派生 在哪里是典型的问题的平均交货率的前提下成功的内容交付。

在backhaul-constrained缓存支持蜂窝网络,如果请求的内容被缓存在本地BS,等于平均访问成功交付率。如果没有缓存请求的内容,需要从核心网络,获取相当于平均回程成功交付率定义为所需的最低利率条件是提供访问链接和回程链接成功。根据全概率法,平均成功交付率可以推导出

引理4。平均成功访问缓存支持蜂窝网络中的交付率是由 在哪里 和是负载分布(10)。

证明。请参考附录。

结合平均成功访问交付率(24),成功访问交付概率(13),回程交付成功概率(14),我们可以得到平均成功交付率一般的场景。

定理5。平均成功交付率的缓存支持蜂窝网络 在哪里 和是负载分布(10)。

派生出两个特殊情况进一步简化平均成功交付率。

推论6。在interference-limited场景中 ,平均成功交付率表示为 在哪里是SADP忽视噪音(17)。

推论7。平均成功交付率的近似的意思是负载在interference-limited场景中表示为 在哪里 ;和表示SADP, SBDP平均负荷近似,分别在(20.)和(21)。

消耗的总功率在缓存支持BS细胞网络由三部分组成,即BSs功耗,缓存功耗和回程功耗(24]

BS功耗包含传输功耗和电路功耗,是由 在哪里是功率放大器的效率。

Energy-proportional模型是用来描述缓存功耗。在这个模型中,缓存功耗缓存容量成正比,可以计算的 在哪里表示缓存硬件的功率系数。

回程功耗取决于成功的回程交付吞吐量在BS回程的回程使用比例相乘计算能力,可以表达的 在哪里回程的功率系数。

与平均负荷近似,可以简化为回程功耗 总之,总能耗和相应的近似使用负载是派生的

根据定义,我们可以得到的能源效率,缓存支持蜂窝网络的吞吐量除以总功耗各种场景的续集。

一般情况下的能源效率可以计算(22),(25)和(33)。 interference-limited场景中的能源效率可以派生(22),(26)和(33)。 能源效率与近似的平均负载interference-limited场景可以计算(22),(27)和(34)。

4所示。仿真分析

本节提出了数值和蒙特卡罗模拟结果。均匀的场景移动网络被认为是,BSs分布问题和根据购买力平价在一个圆形的区域半径200公里。仿真参数表中列出1和结果是平均超过10000蒙特卡罗试验。我们在前一节中通过验证分析蒙特卡罗模拟和研究各种参数对系统性能的影响包含SCDP和情感表达。

4.1。SCDP性能

数据2- - - - - -5显示SCDP的性能在不同的系统参数,具体包括BSs密度、缓存容量,回程能力。有四个不同的曲线在每个图。从数据我们可以看到,与数值模拟曲线匹配曲线,从而验证上面的数值结果。普遍的结果和没有噪声结果,分别从定理1和推论2几乎重叠,这证实了噪音不是interference-limited蜂窝网络的一个非常重要的因素。一般情况下的曲线形状和平均负荷近似得到推论3相对一致的,但仍然存在小的差距在某些参数设置。近似误差的原因在于,平均负载加重与求和的操作(14)。

图2显示的演变SCDP对BS密度不同的缓存容量值。SCDP增加的增量BS密度和逐渐收敛于一个稳定值。主要原因是BSs部署密度降低了负载BS和提高了访问服务交付的速度。然而,增加的废话密度加剧ICI和阻碍了进一步改善访问交付率,最终导致SCDP的饱和度。比较曲线显示为不同的缓存容量,BS缓存是证明了SCDP能够增加。缓存容量越大,越大的性能收益。最大SCDP增益可以达到225% 对没有缓存。

数据3和4调查内容的影响流行分布缓存启用蜂窝网络。图3显示了SCDP和缓存容量不同的流行分布参数 。随着缓存容量增加,内容存储在BS数量的增加和提高缓存命中率。因为大多数用户获取请求的内容从本地BSs和交付率影响较小的极限回程链接,SCDP得到了改进。每个曲线最终收敛于一个点的BSs缓存和回程链路合作确保每个问题的内容可用性和SADP SCDP相当于。此外,大量的参数 ,站更集中的内容流行,导致较高的缓存命中率SCDP固定缓存容量和进一步增加。

图4描述了进化SCDP对与不同的内容库缓存容量的大小 。如图所示,SCDP随内容库大小的增加而减小。如果有大量的内容,内容流行张成的空间分布是大型和每个内容的流行是一个固定相对较小 。因此,缓存命中率下降,并相应地SCDP减少对于一个给定的缓存容量。

回程的影响能力SCDP如图5不同的缓存容量。它可以观察到,回程运力的增加可以有效提高缓存的SCDP由于增加SBDP问题小姐。所有曲线饱和,和缓存容量越大,曲线越快变得饱和,导致回程的左移能力SCDP达到上限。

总之,BSs密度的增加,缓存容量,回程可以有效改善SCDP能力。此外,性能大幅增加,当内容流行度不均匀,内容库规模很小。

4.2。EE性能

数据6- - - - - -9显示性能的EE对不同的系统参数包含BSs密度、缓存容量,回程能力。从数据我们可以看到,EE的模拟曲线和数值曲线所得定理5和推论6匹配,使一个有效的数值结果的验证。结果和平均负荷近似得到推论7是一致的,但由于仍然存在差异这一事实的总和(14)和积分(24)加剧近似误差。

在图6的EE BSs密度变化对不同的缓存容量。随着BSs密度增加,EE首先增加受益于提高网络吞吐量,然后减少的功耗大。存在一个最优的BSs密度最大化EE。缓存BSs有助于提高EE由于增量交付率的一边,回程的降低功耗的另一边。

图7显示缓存容量的影响在情感表达不同的内容流行分布参数 。与缓存容量的增加,EE的性能改进相应的增量由于缓存命中率,直到所有内容缓存。此外,正如参数增加,EE急剧增加。原因是大量的问题请求一些受欢迎的内容;缓存容量增大可以更有效地改善EE。

图8描述了EE和与不同的内容库缓存容量的大小 。内容库收缩,BS固定缓存容量可以储存的大部分内容和增加缓存命中率。EE改善由于增加的吞吐量。

在图9、情感表达之间的关系和回程能力描述不同的缓存容量。回程容量增加了吞吐量的增加缓存问题,改善EE小姐。EE最终趋于定值,表明回程能力足以支持缓存问题小姐。BSs缓存进一步增强情感表达。缓存容量越大,越小回程能力需要达到最大范围的情感表达。

总之,存在一个最优的废话密度最大化EE为给定的缓存容量。EE可以提高通过增加缓存容量和回程的能力。性能获得很大的内容流行度不均匀,内容库规模很小。

5。结论

在本文中,我们分析了能源效率的缓存支持蜂窝网络有限的回程。使用随机几何模型,SCDP调查。基于辅助SCDP的结果,我们得到能源效率的具体表达式。模拟研究各种因素对系统性能的影响并确认可以显著提高能源效率如果内容流行是扭曲的,内容库规模很小,回程容量相对较小。此外,存在一个最优的废话密度最大化能源效率对于一个给定的缓存容量。

附录

让 表示距离的概率密度函数(PDF)标记用户和服务之间的废话。平均访问交付率推导如下: 让 和 。 在平等是由于 ;的证明类似于定理在[31日]。证明已经完成。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本文由国家科技支撑重大项目(没有。2016年zx03001009 - 003),中国NSF(没有。61502046),111年的项目(没有。B17007),北京重点实验室主任基金网络系统架构和收敛(2017 bkl-nsac-zj-07)。