作者/姚自陽，南京市第二十九中學(高中部)

引言

隨著計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益完善，人們不斷在信息革命的路上探索和追尋。目前，我們已經(jīng)經(jīng)歷了四代移動通信技術(shù)，從模擬化到數(shù)字化；從頻分多址到時分多址再到碼分多址，信道越來越穩(wěn)定，消耗越來越少。但仍然存在許多不足，社會的發(fā)展更是給移動通信提出了更高的要求。

隨著互聯(lián)網(wǎng)時代的發(fā)展，移動通信業(yè)務的需求量空前巨大，對現(xiàn)存的移動通信網(wǎng)絡(luò)提出巨大挑戰(zhàn)。據(jù)國際電信聯(lián)盟預測，到 2020 年，移動通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)業(yè)務容量需求將達到 4G 商用網(wǎng)絡(luò)的 1000 倍。并且隨著人們對網(wǎng)絡(luò)服務個性化的要求提升，移動網(wǎng)絡(luò)需要適應高容量熱點、大規(guī)模多連接和低時延高可靠性三大主要應用場景，這就對移動網(wǎng)絡(luò)提出了一個更高的要求。

為滿足上述需求，各個國家都在研究新一代的第五代移動通信系統(tǒng) (5G)在國外歐盟和韓國都開展了相應的5G項目，中國也啟動了 IMT–2020 論壇旨在發(fā)展中國的5G技術(shù)。為了解決未來網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)業(yè)務爆炸式增長的適應能力，科學家們主要想出了從物理層無線傳輸，頻譜資源擴展，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架三個方面解決該問題的方法。在這三個提升網(wǎng)絡(luò)容量性能的因素中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)帶來的增益更值得關(guān)注。

但由于移動網(wǎng)絡(luò)自身的不穩(wěn)定性和復雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得移動網(wǎng)絡(luò)不能直接使用有線網(wǎng)絡(luò)中已有的高效結(jié)構(gòu)來提高數(shù)據(jù)容量。所以，如何設(shè)計更加高效的基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)化思想的網(wǎng)絡(luò)緩存技術(shù)將成為進一步提高數(shù)據(jù)傳輸效率和降低能耗的有效方法。

網(wǎng)絡(luò)緩存核心思想是將頻繁訪問網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容資源（尤其是視頻資源）存放在離用戶較近、業(yè)務響應速度更快的系統(tǒng)中。網(wǎng)絡(luò)中的文件都有著其被用戶請求的受歡迎程度，如何對文件受歡迎程度進行合理的衡量是一個影響網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素。經(jīng)過科學家們的大量統(tǒng)計結(jié)果，最終總結(jié)出來了齊夫定律來對文件的流行度進行衡量。將網(wǎng)絡(luò)緩存技術(shù)應用到移動通信可以滿足5G趨勢下對多數(shù)用戶體驗的快速響應。

因此本文是設(shè)計一種運用于移動通信中的網(wǎng)絡(luò)緩存方法，從實際的角度去解釋適用的范圍和具體的方案。

1.方案介紹

1.1 D2D與緩存技術(shù)相結(jié)合

針對5G高容量熱點場景，許多科學家提出用D2D（device to device）的方法來應對這樣的新要求。D2D,即設(shè)備和設(shè)備之間直接傳輸數(shù)據(jù)的一種方式。它的數(shù)據(jù)平面由設(shè)備之間連接構(gòu)成，其控制平面仍然由基站側(cè)保持[1]。本方案中是移動設(shè)備在基站允許下對網(wǎng)絡(luò)資源進行的用戶之間的直接傳輸。

具體的操作方法如下：

我們首先假設(shè)一個移動設(shè)備a處在一個基站的控制下，其最大D2D傳輸范圍為300m，處于基站X的輻射范圍內(nèi)?，F(xiàn)在用戶需要將一個視屏資料1下載到a設(shè)備上。

這里先說最簡單的情況：①a設(shè)備向以a為圓心半徑為300m內(nèi)的所有設(shè)備發(fā)送資料1的請求，記為“Req1”，收到“Req1”的所有設(shè)備將反饋給a一個信息，如果存在資源1則送回為“1”的信號，不存在就送回為“0”的信號。②a收到反饋信號后，如果存在“1”信號則向基站發(fā)出D2D請求，基站收到請求反饋執(zhí)行信號“Exe”并開始進行計錄，設(shè)備收到信號“Exe”后，開始通過下列公式Ps/（N＊B）來計算信噪比從而判斷信號強度，從而自動選取合適的獲取目標，如設(shè)備b、c、d等，并發(fā)出“Tran”的請求，目標收到“Tran”后將資料1傳輸給a。③當a收到資料1并下載完畢時，向基站發(fā)送“End”的信號，基站收到信號后完成這次記錄并收取相關(guān)的費用。④當基站范圍內(nèi)在一定時間內(nèi)多次接收到同樣的請求，則基站將保留這條資料在收到D2D請求或向核心網(wǎng)的請求時直接進行傳輸。

然而，現(xiàn)實生活中由于移動設(shè)備的高靈活性和公共場所較為復雜的情況，我們經(jīng)常會遇到如下問題：①在最大傳輸邊緣的傳輸方式選擇問題，②跨基站傳輸問題，③斷點重傳的問題。

對此筆者的個人分析：①對于直接訪問基站還是D2D我們需要通過對該小區(qū)的具體情況分析后建立適當模型，由于本篇主要討論的是高容量熱點場景，不對此做過多研究。②在這種情況下可將“End”信號傳輸?shù)交綴，基站Y向相鄰基站發(fā)送相關(guān)信號，此時除X基站外，其余基站均為無效接收，X完成剩余的步驟。③當目標意外消失或出現(xiàn)更加適合的目標，資源未完全下載，則采取在上次“Tran”請求中重選目標，從當前進度開始加載，剩下的不變。

1.2 信息推送與緩存

在第五代移動通信的背景下，人們對熱門信息的需求量不斷增大，這就要求我們?nèi)ネ晟片F(xiàn)有的信息推送技術(shù)，讓移動用戶更加方便、快捷的接觸到最新的量身定做的信息。

信息推送技術(shù)，顧名思義，即將信息主動推送給客戶的傳輸方式。在此我們選取熱門新聞作為例子。首先，我們先要對新聞進行選擇，那么什么新聞值得我們?nèi)ネ扑湍?，我個人認為有以下三點：①在一定時間段內(nèi)點擊量較高的新聞。眾所周知，點擊量意味著人氣，雖說每個人關(guān)注的焦點不同，但符合大眾焦點的新聞的即時推送，可以省去網(wǎng)絡(luò)端的種種步驟，為客戶端提供了極大便利。②在考慮新聞的點擊量的同時要關(guān)注用戶個人的興趣偏好，在此類信息中進一步篩選，做到更精確的推送。③在對用戶進行信息推送時，要充分考慮用戶已經(jīng)點擊的信息，避免重復推送造成資源的浪費。

標題含有某些關(guān)鍵詞的信息更容易受到用戶的的關(guān)注。根據(jù)科學家長期的調(diào)查顯示，人們對一些關(guān)鍵性的語句如“最”、“99%”、“是這樣的”甚至是一些標點符號都對信息的熱度產(chǎn)生影響。除此之外，人們普遍對與自媒體有關(guān)的新聞和一些身邊發(fā)生的重大信息較為感興趣，我們可以有針對性的推送滿足以上條件的信息。

然而，僅僅有合適的信息是不夠的。合適的時間和合適的更新頻率也是進行高效推送的關(guān)鍵。

首先考慮更新頻率，經(jīng)科學研究表明不同類別的內(nèi)容有不同的更新頻率，它的更新頻率與其時效性緊密相關(guān)，若果是新聞類的信息，那么它的更新頻率就比較高，如果是一些影視視頻業(yè)務，其更新頻率就比較低[2]。再有是信息推送的時間，人們一般會在早中餐前后或晚餐到晚上11點的時候頻繁使用網(wǎng)絡(luò)處理信息，因此為提高推送效率，我們最好選在每天0:00到6:00和14:00到18:00的期間將信息推送給用戶，同時也保證了我們一天至少兩次的更新頻率，更好的節(jié)約了用戶的時間。這些推送的信息將會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)流量，將其提前緩存可以大大提高網(wǎng)絡(luò)性能。

1.3 信息安全與緩存

在5G環(huán)境下，我們的用戶體驗是得到了進一步完善。但是，在5G大數(shù)據(jù)的背景下我們的信息也更加暴露。這時，將緩存網(wǎng)絡(luò)引入到移動通信會帶來信息安全的問題：緩存網(wǎng)絡(luò)需要大量的共享信息以達到高效的網(wǎng)絡(luò)性能，然而這種共享性在一定程度上暴露了用戶的隱私，二者存在明顯的矛盾。

由于在理想的內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)模型下信息的泛在化程度高，因此來自外部的攻擊者也更容易獲取我們的信息。而現(xiàn)在使用的應對措施，如隨機時延這類，存在犧牲用戶訪問速度來確保安全的問題；另一類如多重隧道解密等，則因為加密和解密的成本問題，并不適合大規(guī)模的投入使用[3]。那么如何解決這個問題呢？

首先，我們先站在攻擊者的角度看一下這個問題。他們攻擊的目標主要是我們具體的某些信息（如地理位置），如果我們的信息和他人混在一起，那么攻擊者所得到的信息的混亂度也隨之增加，能夠準確得到我們的信息的概率也隨之減小，反之，攻擊者則很容易獲得我們的信息。我們把這種混亂程度稱為“數(shù)據(jù)熵”。當然，攻擊者的攻擊范圍有限，我們將這個范圍叫做“攻擊信息空間”。有了這樣的概念后，我們針對兩種不同情況的網(wǎng)絡(luò)信息提出了如下的應對措施；

針對之前提到過的流行度高的信息，我們將該內(nèi)容緩存到離用戶更近的基站中，讓內(nèi)容與用戶的距離更近，在保證用戶能夠更快的訪問信息的同時，也快速增加了訪問人數(shù)，使攻擊者在其“攻擊信息空間”范圍內(nèi)的“數(shù)據(jù)熵”較大，其破解信息的工作量增大，更加難以從“攻擊信息空間”內(nèi)找到目標信息。從而既保證了網(wǎng)絡(luò)使用的高效性，也保證了用戶個人隱私的安全性。

考慮到流行度相對較低的信息，其“數(shù)據(jù)熵”較低，容易被人所攻擊。因此我們將該緩存節(jié)點的一跳相鄰節(jié)點人為加入到“攻擊信息空間”這樣就使得“攻擊信息空間”變大，攻擊者辨認有效信息的難度也會進一步上升，提高了原來“數(shù)據(jù)熵”的值，自然的提高了用戶個人隱私的安全性。

2.結(jié)論

本文從通信的發(fā)展講起，研究了移動通信的發(fā)展歷程，結(jié)合移動通信的發(fā)展趨勢將緩存技術(shù)和移動通信相結(jié)合。本文重點研究了在D2D模式下的緩存方案、信息推送與緩存以及信息安全方面的具體方案。通過引入緩存技術(shù)，系統(tǒng)在業(yè)務響應時間和業(yè)務服務質(zhì)量方面存在顯著，體現(xiàn)了二者結(jié)合的優(yōu)勢。

* [1]王磊等.D2D中基于社交關(guān)系的按需用戶發(fā)現(xiàn)策略[J].信號處理.2015.

* [2]方婧等.微信公眾號信息傳播熱度的影響因素實證研究.情報雜志[J].2016.

* [3]葛國棟等.內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中面向隱私保護的協(xié)作緩存策略[J].電子與信息學報.2015