馬帥帥 張一治 張柏林

（1.航天科工防御技術(shù)研究試驗中心 北京 100854）（2.北京百度網(wǎng)訊科技有限公司 北京 100000）

1 引言

針對移動蜂窩通信系統(tǒng)中頻帶資源利用效率低，信道帶寬不足的問題，學(xué)術(shù)界已有廣泛的研究［1］。D2D技術(shù)提供了一種新的通信渠道與數(shù)據(jù)傳輸方式，其優(yōu)勢有：信道帶寬更大、工作能耗更低；通信距離較近，可以實現(xiàn)頻譜資源的復(fù)用；數(shù)據(jù)傳輸率更高、時延更低，實現(xiàn)多終端間的自組網(wǎng)；具有很強的擴展性，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍大，邊緣用戶的數(shù)據(jù)傳輸率得到加強［2］。為此，3GPP提出在下一代的IMT-A系統(tǒng)中引入終端直通通信技術(shù)——D2D（Device-to-Device），對移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)進行增強［3］。

針對D2D通信的移動中斷問題，有大量學(xué)者開展了基于多節(jié)點協(xié)作分配緩存資源的協(xié)作緩存機制的研究［4］。COCA［5］是一種基于移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)和終端直通技術(shù)的協(xié)作緩存機制。在此機制中，節(jié)點可以通過點對點通信從鄰居節(jié)點處獲取所需的緩存數(shù)據(jù)，將這種從鄰居節(jié)點處獲取緩存資源的機制稱為GlobalCache。網(wǎng)絡(luò)中的基站會定期向處于其通信范圍內(nèi)的節(jié)點發(fā)送訪問率較高的資源，以提升GlobalCache的緩存質(zhì)量［6］。Grococa［7］是一種基于分組的協(xié)作緩存機制，它在COCA的基礎(chǔ)上進行了擴展，根據(jù)節(jié)點的移動屬性和對資源的不同興趣將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點劃分至不同的組中，并通過節(jié)點分組來統(tǒng)籌管理本地和全局的緩存資源分布［8］。

本文分別提出了面向移動內(nèi)容分發(fā)的區(qū)域協(xié)作緩存資源規(guī)劃機制和基于區(qū)域協(xié)作緩存的移動內(nèi)容分發(fā)機制。在某個節(jié)點發(fā)起請求時，首先利用資源規(guī)劃機制確定緩存區(qū)域的數(shù)量、位置及緩存任務(wù)，再利用內(nèi)容分發(fā)機制完成緩存區(qū)域向請求節(jié)點的內(nèi)容分發(fā)。利用omnet++搭建了系統(tǒng)仿真模型，將ACC技術(shù)與基于地理位置的隨機轉(zhuǎn)發(fā)路由技術(shù)［9］（GeRaF，Geograpic Random Forwarding）進行對比，得出ACC技術(shù)在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下均有更高的內(nèi)容分發(fā)效率與可靠性，并且在節(jié)點移動較快、請求距離較遠的情況下優(yōu)勢更為明顯。

2 移動D2D網(wǎng)絡(luò)模型

移動D2D網(wǎng)絡(luò)環(huán)境如圖1，在區(qū)域范圍內(nèi)，有一座基站B，其余均為移動節(jié)點M。基站可與其覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點通信，而節(jié)點之間也可通過D2D技術(shù)通信［10］。

圖1 移動D2D網(wǎng)絡(luò)模型

在移動D2D網(wǎng)絡(luò)中，同時存在蜂窩通信和D2D通信兩種方式，因此在數(shù)據(jù)源節(jié)點S向請求節(jié)點D分發(fā)內(nèi)容時［11］，可能存在三種數(shù)據(jù)傳輸方式：基站直傳方式［12］、基站協(xié)傳方式［13］和節(jié)點協(xié)傳方式［14］。本文重點研究節(jié)點協(xié)傳方式可靠性差的問題［15］。

3 面向移動內(nèi)容分發(fā)的區(qū)域協(xié)作機制研究

3.1 面向移動內(nèi)容分發(fā)的區(qū)域協(xié)作緩存資源規(guī)劃機制

在D2D網(wǎng)絡(luò)中，移動節(jié)點通過緩存數(shù)據(jù)獲取資源，會出現(xiàn)請求與數(shù)據(jù)源節(jié)點遠距離多跳傳輸?shù)那闆r。合理部署D2D網(wǎng)絡(luò)中的資源，使得源更多、易獲取，會提升移動內(nèi)容分發(fā)的效率［14］。移動D2D網(wǎng)絡(luò)的資源規(guī)劃問題即選擇何種資源部署到哪個節(jié)點上的問題［16］。

本文提出的區(qū)域協(xié)作緩存資源規(guī)劃機制，如圖2，根據(jù)請求的數(shù)據(jù)信息，將所需的資源規(guī)劃到請求節(jié)點未來移動路徑上的多個緩存區(qū)域內(nèi)，每個區(qū)域保存其中一部分資源，并通過協(xié)作完成全部內(nèi)容的部署。

圖2 區(qū)域協(xié)作緩存資源規(guī)劃機制示意圖

區(qū)域協(xié)作緩存資源規(guī)劃機制的基本工作流程如下：

1）獲取全網(wǎng)節(jié)點地理位置信息并預(yù)測請求節(jié)點移動趨勢；

2）根據(jù)D2D通信帶寬與請求數(shù)據(jù)量大小計算出所需的緩存區(qū)域個數(shù)；

3）根據(jù)請求節(jié)點移動趨勢和數(shù)據(jù)源節(jié)點地理位置計算出緩存區(qū)域的潛在選擇范圍；

4）確定各緩存區(qū)域的具體位置；

5）根據(jù)緩存區(qū)域數(shù)量及請求數(shù)據(jù)信息為各區(qū)域分配緩存任務(wù)。

3.2 基于停留時間分析的緩存區(qū)域數(shù)量規(guī)劃策略

在本文所述機制中，根據(jù)請求數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)量的不同，規(guī)劃不同數(shù)量的緩存區(qū)域。在確定緩存區(qū)域的數(shù)量時，要保證請求節(jié)點在區(qū)域內(nèi)的停留時間大于數(shù)據(jù)包傳輸所需時間。記數(shù)據(jù)包所需傳輸總時間為t，請求節(jié)點在每個區(qū)域中的期望停留時間為 ti，則，其中na為所需區(qū)域總數(shù)。在滿足上述條件時，可盡量減少區(qū)域的冗余面積，使用較少的緩存節(jié)點完成同樣的任務(wù)，記每個區(qū)域內(nèi)期望緩存節(jié)點數(shù)為mi，則可使得緩存節(jié)點最少。同時還要保證區(qū)域內(nèi)至少有兩個緩存節(jié)點，即mi應(yīng)有一個最小值mimin。綜上可得約束條件：

由于本機制根據(jù)請求來決定緩存區(qū)域，計算量不宜過大，可令每個區(qū)域擁有相同的期望緩存節(jié)點數(shù)mp，期望傳輸時間也相同，記為tse。同時，當(dāng)各區(qū)域期望傳輸時間之和剛好等于數(shù)據(jù)包所需傳輸時間t時，緩存節(jié)點的冗余最小，則式（1）可簡化為

式（2）的求解如下：當(dāng)有節(jié)點請求數(shù)據(jù)時，節(jié)點所需數(shù)據(jù)傳輸總時間 t［11］，則

上式中m為請求數(shù)據(jù)包大小，B為通信帶寬。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點密度p（每平方米中的節(jié)點數(shù)量）可算出圓形緩存區(qū)域半徑r：由于不同緩存區(qū)域的大小相同且面積固定不變，而網(wǎng)絡(luò)中各處的節(jié)點密度相同，因此每個緩存區(qū)域中所停留的期望節(jié)點數(shù)mp相同，可據(jù)此來計算緩存區(qū)域的半徑，即

根據(jù)緩存區(qū)域半徑r與請求節(jié)點移動速度vd可計算出請求節(jié)點在區(qū)域內(nèi)的最大停留時間tsm，即請求節(jié)點由緩存區(qū)域直徑穿越區(qū)域時，所需要的時間：

由于請求節(jié)點可能不是沿直徑穿越區(qū)域，但在大多數(shù)情況下穿越區(qū)域的路程不會小于直徑的，因此期望停留時間不會小于最大停留時間的，取tse=作為請求節(jié)點在緩存區(qū)域中的期望停留時間，即

根據(jù)傳輸總時間與請求節(jié)點在每個區(qū)域的期望停留時間可計算出所需區(qū)域總數(shù)，即

由式（2）和（7）可知：

式（8）與 mp成正比，要使其最小，則要使mp取最小值。由式（2）可知，mp最小可取3，因此某次請求緩存區(qū)域的數(shù)量應(yīng)不小于。若網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對于資源利用率的要求不高，而對內(nèi)容分發(fā)可靠性的要求較高，可適當(dāng)提升mp的取值。

在確定緩存區(qū)域的數(shù)量后，可以進一步確定每個區(qū)域大致所需緩存的數(shù)據(jù)量。由于每個緩存區(qū)域的大小相同，因此可給每個區(qū)域規(guī)劃同等數(shù)量的緩存，將總數(shù)據(jù)量按照區(qū)域數(shù)量等分可計算出每個區(qū)域所需部署的緩存數(shù)據(jù)量mn，即

將數(shù)據(jù)包按此數(shù)據(jù)量分塊，每塊數(shù)據(jù)任務(wù)對應(yīng)其中一個緩存區(qū)域。

3.3 基于移動趨勢分析的緩存區(qū)域位置規(guī)劃策略

在請求節(jié)點移動路線上，最早能接收到全部緩存資源的位置，將所述位置作為圓心的緩存區(qū)域記為“最快到達緩存區(qū)域”。每次確定緩存區(qū)域位置時，都要首先計算“最快到達緩存區(qū)域”的位置。

在無阻擋的地理環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點按照直線移動，此時“最快到達緩存區(qū)域”位置的計算方法如下：

圖3 無阻擋環(huán)境下計算最快到達緩存區(qū)域位置

由圖3，在T0時刻請求節(jié)點d與數(shù)據(jù)源節(jié)點s之間距離為l。請求節(jié)點d有一近似直線傳輸方向，在t時刻后與最快到達的中繼節(jié)點相遇，此相遇位置為dt。請求節(jié)點d有一平均速度v1，因此d與dt之間距離為v1t。請求節(jié)點s通過一次或多次中繼節(jié)點攜帶數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)包從s位置傳輸?shù)絛t位置。假設(shè)各中繼節(jié)點m有相同的移動方向，均向dt直線移動，此時攜帶緩存的中繼節(jié)點將會以最快的速度與請求節(jié)點相遇，因此dt是請求節(jié)點最早可以獲得數(shù)據(jù)的地點。在dt之前的位置，請求節(jié)點不可能與帶有緩存的中繼節(jié)點相遇，在dt之后的位置均有可能相遇。ds與ddt之間夾角為θ，根據(jù)余弦定理：

由上式可解得：

取上式中的正值作為t的取值。由此可確定請求節(jié)點在t時刻后的潛在位置dt。以dt為圓心，請求節(jié)點通信范圍為半徑做圓，則該圓形區(qū)域為“最快到達緩存區(qū)域”。

3.4 基于區(qū)域協(xié)作的緩存資源分配策略

在本文所述的區(qū)域協(xié)作緩存資源規(guī)劃機制中，緩存區(qū)域的數(shù)量很可能不止一個，因此需要給不同的區(qū)域分配不同的緩存數(shù)據(jù)。基本思路就是按照區(qū)域的數(shù)量，將原有數(shù)據(jù)包分為區(qū)域數(shù)量對應(yīng)的塊數(shù)，給每個區(qū)域都分配獨有的緩存資源。如果用戶請求的資源是流媒體，則需要按照時間序列將數(shù)據(jù)按順序分配給離請求節(jié)點最近到最遠的區(qū)域。同時，需要在分配緩存資源時，提前考慮可能出現(xiàn)的問題，設(shè)置一部分區(qū)域間的冗余緩存，兼顧可靠性。由于只有在請求節(jié)點到達某個區(qū)域時，才能判斷其在前一區(qū)域是否獲得了足夠的數(shù)據(jù)，因此可在每個區(qū)域設(shè)置一部分前一區(qū)域的緩存任務(wù)，以彌補可能出現(xiàn)的緩存故障。

資源分配策略如下：

1）判斷請求節(jié)點與數(shù)據(jù)源節(jié)點的相對位置與移動趨勢，如果兩者位置很近，不僅已經(jīng)處于D2D通信范圍內(nèi)，而且在斷開連接前可以傳輸全部的數(shù)據(jù)，則無需對數(shù)據(jù)包進行處理，直接發(fā)送即可；

2）判斷緩存區(qū)域的數(shù)量，若區(qū)域個數(shù)僅為1個，則該資源數(shù)據(jù)量較小，無需對其進行分塊處理，直接尋找中繼節(jié)點發(fā)往緩存區(qū)域即可；

3）若緩存區(qū)域的個數(shù)大于1，則將其分為區(qū)域個數(shù)對應(yīng)的塊數(shù)。其中，如果該數(shù)據(jù)包是流媒體資源，則對其按照時間序列的順序進行分塊，保證每一塊數(shù)據(jù)都是可以連續(xù)的，可以直接觀看其內(nèi)容；

4）在未分配的數(shù)據(jù)塊中挑選時間序列最靠前的，分配給沒有數(shù)據(jù)塊任務(wù)的區(qū)域中離請求節(jié)點最近的區(qū)域；

5）重復(fù)步驟4），直至所有區(qū)域都分配好緩存數(shù)據(jù)任務(wù)；

6）如圖4，在基本緩存任務(wù)分配好后，為增強可靠性，增設(shè)前向協(xié)作緩存，內(nèi)容為每個區(qū)域所承擔(dān)數(shù)據(jù)任務(wù)在時間序列上的前向延伸，具體數(shù)據(jù)量視網(wǎng)絡(luò)情況而定（若請求節(jié)點移動方向改變的幾率較大，則設(shè)置較多的前向協(xié)作緩存；若請求節(jié)點移動方向改變幾率較小，則設(shè)定較少的前向協(xié)作緩存）。

圖4 緩存區(qū)域所承擔(dān)的緩存任務(wù)

3.5 區(qū)域協(xié)作內(nèi)容分發(fā)策略

由于各區(qū)域所分配的緩存任務(wù)各不相同，因此需要各區(qū)域協(xié)作將內(nèi)容分發(fā)給請求節(jié)點。若某個區(qū)域中的緩存節(jié)點與請求節(jié)點的通信時間不足以完成該區(qū)域的既定內(nèi)容分發(fā)任務(wù)，則由與其相鄰的區(qū)域完成剩余數(shù)據(jù)的分發(fā)。而當(dāng)某個區(qū)域內(nèi)容分發(fā)任務(wù)完成后，請求節(jié)點仍未離開，則由當(dāng)前區(qū)域繼續(xù)向請求節(jié)點分發(fā)下一區(qū)域的內(nèi)容。具體實現(xiàn)步驟如下：

1）在相鄰兩區(qū)域緩存資源充足，而請求節(jié)點尚未到達時，由后一區(qū)域的節(jié)點將該區(qū)域數(shù)據(jù)傳輸給前一區(qū)域的節(jié)點，此部分?jǐn)?shù)據(jù)記為后向協(xié)作緩存數(shù)據(jù)。兩相鄰區(qū)域是緊密相聯(lián)的，它們之間必然有節(jié)點處于通信范圍內(nèi)，可以在請求節(jié)點到達前持續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量最多不超過后一區(qū)域既定任務(wù)的1/3；

2）在請求節(jié)點到達某個緩存區(qū)域后，判斷其在前一區(qū)域是否完全獲取了既定內(nèi)容數(shù)據(jù)。若完全，則由本區(qū)域節(jié)點直接向其分發(fā)既定的任務(wù)數(shù)據(jù)；若不完全，則本區(qū)域節(jié)點先向請求節(jié)點補充發(fā)送前一區(qū)域內(nèi)容，完成后再分發(fā)本區(qū)域既定的任務(wù)內(nèi)容；

3）若請求節(jié)點在某區(qū)域時，本區(qū)域任務(wù)提前完成，則由本區(qū)域內(nèi)的節(jié)點繼續(xù)向請求節(jié)點發(fā)送后向協(xié)作數(shù)據(jù)，直至離開；

4）重復(fù)步驟3）、4），直至請求節(jié)點經(jīng)過所有緩存區(qū)域，若收集到足夠數(shù)據(jù)則內(nèi)容分發(fā)完成。

4 性能仿真與分析

4.1 實驗環(huán)境和參數(shù)設(shè)定

本次性能仿真實驗使用omnet++平臺來搭建仿真系統(tǒng)。仿真實驗在500m*500m的方形區(qū)域范圍內(nèi)進行，區(qū)域正中有一基站，其不直接參與內(nèi)容分發(fā)，其余節(jié)點均為移動節(jié)點并隨機分布在實驗區(qū)域內(nèi)。

表1 仿真實驗參數(shù)

4.2 針對內(nèi)容分發(fā)效率的仿真實驗

實驗內(nèi)容為，將本文的ACC（Area Cooperative Caching）技術(shù)與前述的GeRaF技術(shù)，在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行對比，評價標(biāo)準(zhǔn)為限時內(nèi)容分發(fā)成功率。限時內(nèi)容分發(fā)成功率的定義為單次請求內(nèi)容分發(fā)時間小于某一閾值的次數(shù)與總請求次數(shù)的比值。

4.2.1 不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下兩種技術(shù)的性能對比

圖5對比了在不同節(jié)點移動速度的情況下，ACC技術(shù)與GeRaF技術(shù)的限時內(nèi)容分發(fā)成功率。由圖中知：在節(jié)點不移動時，兩種技術(shù)的限時內(nèi)容分發(fā)成功率相近；而在節(jié)點移動的情況下，不論速度如何變化，本文技術(shù)的限時內(nèi)容分發(fā)成功率均大于GeRaF技術(shù)。

圖5 限時內(nèi)容分發(fā)成功率與節(jié)點移動速度的關(guān)系（D2D通信范圍175m，節(jié)點規(guī)模40個）

圖6 對比了在不同D2D通信范圍下，ACC技術(shù)與GeRaF技術(shù)的限時內(nèi)容分發(fā)成功率。由圖可知：隨著通信范圍的增大，兩種技術(shù)的限時內(nèi)容分發(fā)成功率都隨之增大。

圖7對比了在不同節(jié)點規(guī)模下，ACC技術(shù)與GeRaF的限時內(nèi)容分發(fā)成功率。由圖中數(shù)據(jù)可知：隨著節(jié)點規(guī)模的增大，兩種技術(shù)的限時內(nèi)容分發(fā)成功率都有所提高，但本文技術(shù)的限時內(nèi)容分發(fā)成功率始終高于GeRaF。

圖6 限時內(nèi)容分發(fā)成功率與D2D通信范圍的關(guān)系（節(jié)點移動速度為10m/s，節(jié)點規(guī)模為40個）

綜合可見：不論節(jié)點規(guī)模、節(jié)點移動速度、D2D通信范圍如何變化，ACC技術(shù)的限時內(nèi)容分發(fā)成功率對比GeRaF均有較大優(yōu)勢，且在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點移動速度更快時，ACC技術(shù)的內(nèi)容分發(fā)效率優(yōu)勢也更大。

4.2.2 不同請求距離下兩種技術(shù)的性能對比

圖8對比了在請求節(jié)點發(fā)起請求時刻，其與數(shù)據(jù)源節(jié)點的相對距離處于不同范圍時，ACC技術(shù)與GeRaF技術(shù)的限時內(nèi)容分發(fā)成功率。由圖可知：隨著請求距離的增大，二者的限時內(nèi)容分發(fā)成功率均呈下降趨勢，但ACC的下降幅度更小，且成功率始終大于GeRaF。由此可見，ACC在請求距離更遠時，有更高的內(nèi)容分發(fā)效率與可靠性。

圖9對比了在請求節(jié)點發(fā)起請求時刻，其與數(shù)據(jù)源節(jié)點的相對距離處于不同范圍時，ACC技術(shù)與GeRaF技術(shù)的平均成功內(nèi)容分發(fā)時間。其中，平均成功內(nèi)容分發(fā)時間的定義為成功完成一次請求內(nèi)容分發(fā)所需的平均時間。由圖可知：隨著請求距離的增大，二者的平均成功內(nèi)容分發(fā)時間均呈增大趨勢，但ACC的增長幅度相比GeRaF要更小。同時，在請求距離較小時，GeRaF的平均成功內(nèi)容分發(fā)時間較少；而請求距離較遠時，ACC的平均成功內(nèi)容分發(fā)時間較少。由此可見，ACC在請求距離更遠時的內(nèi)容分發(fā)效率更高，而在請求距離較近時的內(nèi)容分發(fā)效率不如GeRaF。

圖8 限時內(nèi)容分發(fā)成功率與請求距離的關(guān)系

圖9 平均成功內(nèi)容分發(fā)時間與請求距離的關(guān)系

5 結(jié)語

本文提出了一種更適合移動D2D網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的基于區(qū)域協(xié)作緩存的移動內(nèi)容分發(fā)技術(shù)。從移動D2D網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中節(jié)點移動頻繁、通信范圍受限等特點出發(fā)，提出了區(qū)域協(xié)作緩存資源規(guī)劃機制；在此基礎(chǔ)上又提出了一種移動D2D網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下基于區(qū)域協(xié)作緩存的內(nèi)容分發(fā)技術(shù)，通過仿真證明，該技術(shù)比現(xiàn)有GeRaF技術(shù)在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下均對移動內(nèi)容分發(fā)效率有較大提升。