【摘要】：多媒體內(nèi)容的高效傳播將是解決海量數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵途徑之一。不同于語音業(yè)務,多媒體內(nèi)容具備獨特的分集特性,即大部分請求集中于少數(shù)熱點內(nèi)容。同時,請求大部分異步到達。而另一方面,移動邊緣存儲能力保持穩(wěn)定增長的態(tài)勢。為構(gòu)建異步請求下多媒體內(nèi)容的高效傳播,本文利用內(nèi)容分集特性和用戶緩存空間,立足于以下三個關(guān)鍵技術(shù)進行研究:a)請求到達前,通過廣播推送與用戶預緩存,從而一次推送傳輸預先滿足已緩存熱點內(nèi)容的未來所有異步請求;b)請求到達時,通過高效多播傳輸與用戶預緩沖,以進一步利用熱點內(nèi)容鄰近請求間的多播機會;c)用戶相鄰時,通過設備到設備(D2D,Device-to-Device)通信與用戶協(xié)作緩存,以進一步利用鄰近用戶緩存分集形成的D2D分流機會。采用層層遞進思路,本論文選取了基于內(nèi)容推送的廣播與蜂窩融合網(wǎng)絡、基于用戶預存與高效多播的視頻點播業(yè)務、基于D2D分流與基站多播的視頻點播業(yè)務三個場景,從緩存分配優(yōu)化與傳輸機制設計兩方面進行研究,為基于用戶預存的無線網(wǎng)絡下緩存與傳輸設計提供一定理論依據(jù)與指導意義。本論文的主要貢獻如下:·有限用戶緩存的廣播與蜂窩融合網(wǎng)絡下的網(wǎng)絡容量分析、廣播推送與用戶緩存策略優(yōu)化:針對當前異步請求下熱點內(nèi)容冗余傳輸現(xiàn)狀,構(gòu)建了基于內(nèi)容推送和有限用戶緩存的廣播與蜂窩融合網(wǎng)絡。其中,廣播網(wǎng)絡廣播推送熱點內(nèi)容并預存于有限緩存空間的用戶終端中。相比基于緩存空間無限假設的融合網(wǎng)絡相關(guān)研究,本文率先量化了有限用戶緩存且緩存空間一般分布下的融合網(wǎng)絡容量,考慮場景更為實際且結(jié)論更為普遍。根據(jù)廣播推送能力與用戶緩存能力的不同關(guān)系,系統(tǒng)可進一步劃分為不同工作區(qū)域,用以揭示網(wǎng)絡容量提升的限制因素。針對推送與緩存策略,從用戶與網(wǎng)絡角度選取不同性能指標優(yōu)化,并推導得出相同分流性能需求。依據(jù)不同負載和區(qū)域,對應的分流性能優(yōu)化問題可求解得到不同的推送與緩存策略。其中,傳統(tǒng)的按照流行度從高到低排序推送與緩存的策略僅在低負載下的緩存受限區(qū)域內(nèi)最優(yōu)。相關(guān)分析為有限用戶緩存的融合網(wǎng)絡下網(wǎng)絡容量提升與推送緩存策略設計提供了指導意義。·按需服務與周期輪播方式下視頻點播業(yè)務緩存分配與傳輸機制設計:為進一步利用熱點視頻請求到達鄰近時刻間的多播機會,基于高效多播傳輸與用戶預緩沖,分別探究了按需服務和周期輪播方式下緩存分配與傳輸機制的聯(lián)合優(yōu)化設計。除了用戶完整訪問模式外,還率先考慮部分訪問模式下最優(yōu)緩存與傳輸設計,完善補充了相關(guān)研究。在按需服務方式下,服務器根據(jù)用戶實時請求按需服務,聯(lián)合優(yōu)化了緩存分配與傳輸機制,以最小化零時延等待下的平均帶寬開銷。提出了基于用戶預存的流合并機制并證明其最優(yōu)性,率先推導了泊松請求和用戶預存下視頻點播業(yè)務的最小帶寬消耗。不同訪問模式下的緩存分配問題可證為凸優(yōu)化問題或部分背包問題,均可獲得閉式最優(yōu)解。接著,針對周期輪播方式,在總帶寬約束下,聯(lián)合優(yōu)化帶寬分配、緩存分配與周期輪播機制,以最小化用戶平均等待時長。按需服務與周期輪播方式下相關(guān)分析也分別揭示了為滿足一定用戶請求速率和等待時延約束下所需帶寬與緩存資源的置換關(guān)系�！せ谧赃m應多播的視頻點播業(yè)務下緩存分配與傳輸機制設計:為利用無線環(huán)境下異質(zhì)用戶信道差異性,率先將自適應調(diào)制編碼技術(shù)與流合并機制相結(jié)合,提出基于用戶預存的自適應多播流合并傳輸機制。并根據(jù)收益更新定理,推導出在給定緩存分配方案和用戶請求速率下所提機制的單視頻帶寬消耗。最小化總帶寬消耗下的緩存分配問題證為凸優(yōu)化問題。研究表明在極低用戶負載下,傳輸機制退化為單播服務,對應緩存分配為完整緩存最流行內(nèi)容;在高負載下,所提機制逐步退化成廣播傳輸,自適應多播增益消失,最優(yōu)緩存分配可通過注水算法求解;在極高用戶負載下,傳輸機制退化為周期輪播,對應帶寬消耗為固定值。相比現(xiàn)有策略,所提方案充分利用異質(zhì)用戶異步請求間內(nèi)容分集,帶寬消耗顯著降低�！2D通信與基站多播下視頻點播業(yè)務緩存分配與傳輸機制設計:為進一步利用鄰近用戶潛在的D2D分流機會,提出了基于D2D分流和基站多播的視頻傳輸機制。其中,發(fā)起內(nèi)容請求的用戶能從本地緩存、容忍時間內(nèi)相遇的其它用戶帶外D2D傳輸和基站多播三種方式獲取所請求內(nèi)容部分。通過合理設計用戶協(xié)作緩存和基站多播傳輸機制,以最小化基站傳輸負載。緩存分配問題可建模為凸約束下的可分凹函數(shù)最小化問題,其全局最優(yōu)解基于凸包絡和分支定界方法,復雜度極高。為降低復雜度,采用凸凹過程獲取駐點。相比異步請求下現(xiàn)有的孤立考慮視頻多播傳輸與D2D分流的緩存分配設計而言,所提策略同時利用鄰近用戶的D2D分流機會和同一內(nèi)容鄰近請求時刻間的多播機會,性能提升顯著。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.5

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本文編號：2645559