【摘要】：話音是以往移動(dòng)通信網(wǎng)的主要業(yè)務(wù),移動(dòng)通信網(wǎng)針對(duì)話音進(jìn)行了深入的架構(gòu)優(yōu)化和跨層協(xié)議優(yōu)化。隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)價(jià)格的下降和帶寬的增加,以視頻為主的內(nèi)容分發(fā)將逐漸占據(jù)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的絕大多數(shù)帶寬。然而現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)的架構(gòu)和協(xié)議并不能高效率地支持移動(dòng)內(nèi)容分發(fā)。3GPP從2016年開始了相關(guān)的CASD(Context Aware Service Delivery)技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)化,作者作為發(fā)起者之一直接參與其中。ETSI于稍早也開始了類似目的MEC(Mobile Edge Computing)研究。5G已經(jīng)將CASD和MEC作為需求列入標(biāo)準(zhǔn)制定計(jì)劃�；ヂ�(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)界一些主要大公司比如:谷歌,Akamai,藍(lán)訊,愛奇藝也開始了針對(duì)無線通信網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容分發(fā)高層協(xié)議(L4-L7:傳輸層到應(yīng)用層)優(yōu)化。但這些高層協(xié)議互不兼容而且不能充分解決移動(dòng)內(nèi)容分發(fā)的問題。本文主要通過優(yōu)化低層協(xié)議(L1-L3)和移動(dòng)通信網(wǎng)架構(gòu)提供了一套高效且普遍適用的移動(dòng)內(nèi)容分發(fā)解決方案。以視頻為主的移動(dòng)內(nèi)容分發(fā)存在的主要問題有:目前的CDN(內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò))雖然可以把內(nèi)容緩存到移動(dòng)網(wǎng)的邊界網(wǎng)關(guān),但是它將移動(dòng)通信網(wǎng)當(dāng)作一個(gè)黑盒子,不能將內(nèi)容緩存到移動(dòng)通信網(wǎng)真正的邊緣節(jié)點(diǎn)(基站),因而內(nèi)容在移動(dòng)通信網(wǎng)內(nèi)傳輸時(shí)延較長且存在大量重復(fù)傳送;現(xiàn)有的LTE廣播機(jī)制只適用于大區(qū)域廣播和單小區(qū)廣播,在最具實(shí)用價(jià)值的小區(qū)域廣播上卻因?yàn)樾^(qū)間干擾和缺乏鏈路自適應(yīng)而效率低下;現(xiàn)有的廣播技術(shù)都沒有找到有效的低層重傳方法,只能依賴應(yīng)用層重傳,因而效率很低;TCP的擁塞控制機(jī)制不能快速跟蹤無線信道的變化,現(xiàn)有系統(tǒng)一般通過增加鏈路層緩存來吸收信道波動(dòng),但這樣的機(jī)制增加了時(shí)延和設(shè)備成本;TCP的重傳機(jī)制和底層鏈路的ARQ/HARQ重傳機(jī)制存在相當(dāng)多的重復(fù),這些冗余重傳增加了時(shí)延降低了效率。針對(duì)上述主要問題,本文系統(tǒng)性地提出了在移動(dòng)通信網(wǎng)上對(duì)以視頻為主的內(nèi)容分發(fā)(包括廣播形式的內(nèi)容分發(fā))進(jìn)行跨層協(xié)議優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化的具有現(xiàn)實(shí)可行性的技術(shù)方案。本文的主要貢獻(xiàn)和創(chuàng)新包括如下四個(gè)方面,分別對(duì)應(yīng)于第二到五章。一、針對(duì)現(xiàn)有CDN在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上的局限性,設(shè)計(jì)了兩種基于基站緩存(Caching)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu):移動(dòng)CDN和移動(dòng)ICN(Information Centric Network),并用數(shù)學(xué)模型分析了其在經(jīng)濟(jì)性和用戶體驗(yàn)上的增益。其中,移動(dòng)CDN方案:UE輔助的本地緩存,已被3GPP納入4G標(biāo)準(zhǔn)。ICN可以看作是CDN在互聯(lián)網(wǎng)中的深度集成,是計(jì)算機(jī)學(xué)術(shù)界正在設(shè)計(jì)的具有革命性意義的下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。但是互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模過于龐大,使得像ICN,IPv6這樣的基礎(chǔ)性技術(shù)的升級(jí)換代十分困難和緩慢。目前的移動(dòng)App大都基于HTTP協(xié)議。本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)ICN方案:層二直接承載HTTP(HTTPoverL2),試圖在移動(dòng)通信網(wǎng)中以后向兼容的方式提前實(shí)現(xiàn)ICN技術(shù)思想。二、針對(duì)現(xiàn)有 LTE 廣播技術(shù) MBMS(Multimedia Broadcast/Multicast Service)在支持小范圍廣播上的不足,設(shè)計(jì)了兩種新型的廣播無線承載(Radio Bearer):SA-PTM(Small Area Point to Multi-point)和 CoMP-PTM(Coordinated Multi-point PTM)分別針對(duì)大量用戶接收和少量用戶接收的場景。已有的蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)廣播技術(shù)都沒有找到高效且準(zhǔn)確的方法提供上行反饋。本文提出一種新穎的上行功率疊加共享信道,類似于將MBSFN(Multimedia Broadcast Same Frequency Network)推廣到上行。受上行反饋效率限制,現(xiàn)有的LTE用戶數(shù)統(tǒng)計(jì)方法不能統(tǒng)計(jì)空閑態(tài)接收用戶數(shù)量。基于該上行功率疊加共享信道,本文提出一種新穎的物理層計(jì)數(shù)方法來同時(shí)統(tǒng)計(jì)連接態(tài)和空閑態(tài)的用戶,并提出了三種用戶數(shù)量估計(jì)算法,分別針對(duì)TDD系統(tǒng),FDD系統(tǒng)和大量用戶場景。三、設(shè)計(jì) 了廣播 HARQ(Hybrid ARQ)和 RaptorQ IR-ARQ(Incremental Redundancy ARQ)將HARQ和ARQ(Automatic Repeat reQuest)推廣到廣播。理論和實(shí)踐都已證明,ARQ和HARQ在單播傳輸上非常有效。但是現(xiàn)有的廣播技術(shù)都不支持HARQ和ARQ,主要是因?yàn)闆]有解決上行反饋效率和重傳效率的問題。本文提出的廣播HARQ通過上行功率疊加共享信道高效率地提供NACK反饋,RaptorQ IR-ARQ通過遞增式地廣播重傳校驗(yàn)包解決了 ARQ重傳效率問題。針對(duì)單播傳輸中重傳機(jī)制重疊冗余的問題,本文設(shè)計(jì)了基于MAC層可靠性增強(qiáng)的跨層重傳合并方法并分析了其性能增益。四、在對(duì)LTE單播鏈路上TCP性能問題仿真分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了兩種跨層優(yōu)化的方案:基于無線鏈路感知的TCP(radio-aware TCP)和層二直接承載HTTP(層二直接承載HTTP)。其中基于無線鏈路感知的TCP又分為松耦合和緊耦合兩種方案。松耦合方案根據(jù)無線鏈路層提供的信息設(shè)置擁塞窗口 cwnd。緊耦合方案用請(qǐng)求—響應(yīng)機(jī)制取代了 TCP的擁塞控制,使得時(shí)延和吞吐量兩個(gè)略顯矛盾的性能指標(biāo)同時(shí)趨于極致。作為移動(dòng)ICN方案的組成部分,層二直接承載HTTP在空中接口去掉了 TCP/IP協(xié)議層,將HTTP內(nèi)容塊直接承載在無線鏈路之上。從而徹底解決了 TCP引起的HTTP效率問題。本文通過NS3仿真在LTE上證實(shí)了這些方案的性能和價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN929.5
【圖文】：

絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議優(yōu)化來提Ａ移動(dòng)內(nèi)科分發(fā)的效率。逡逑１．１移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和通信協(xié)議層逡逑圖１－１是３ＧＰＰ定義的４Ｇ移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)ＬＴＥ的架構(gòu)。逡逑ＨＳＳ邐ＭＭＥ邐ＰＣＲＦ逡逑Ｃ＾＼邋ｓｅａ邐＾邐運(yùn)營灥業(yè)務(wù)網(wǎng)逡逑ｌ邐Ｊ邐＿邐（ＩＭＳ，邋ＭＭＳ，邋ＷＡＰ）逡逑ｏ逡逑１邋幻邋ａ邋、逡逑＾＞１邋Ｕｕ邐ｓｉ－ｕ邐ＳＧｓ邋喊邋Ｉｎｔｅｒｎｅｔ逡逑＼｜ｊ邐＝／逡逑ＵＥ邐ｅＮＢ邐ＰＧＷ／ＳＧＷ逡逑圖１－１邋ＬＴＥ移動(dòng)通信網(wǎng)架構(gòu)逡逑ＬＩ＇Ｋ網(wǎng)由十多種不同功能的網(wǎng)元組成，其中主要的網(wǎng)元包括：逡逑－ＵＥ：邋ＬＴＥ網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)終端；逡逑－ｅＮＢ：邋ＬＴＥ的基站，負(fù)責(zé)和終端即ＵＥ之間的空中接口通信；逡逑－１＞ＧＷ：邋１ＴＥ網(wǎng)絡(luò)通向運(yùn)營商的業(yè)務(wù)網(wǎng)和ｉｎｔｅｒｎｅｔ網(wǎng)關(guān)；逡逑１逡逑

ＥＳＭ即會(huì)話管理，包括數(shù)據(jù)承載的建立，刪除，修改，ＱｏＳ等功能。逡逑這些網(wǎng)元的功能通過支持不同的協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。逡逑圖１－２所示為ＬＴＥ用戶面協(xié)議棧（以基于ＨＴＴＰ的業(yè)務(wù)為例）。逡逑ＨＴＴＰ邐ＨＴＴＰ邋：逡逑ＴＣＰ邐ＴＣＰ邋；逡逑ＩＰ邐丨邐ＩＰ邐丨丨ＩＰ逡逑ＰＤＣＰ邐ＰＤＣＰ邋丨邋ＧＴＰ－Ｕ邐ＧＴＰ－Ｕ逡逑ｉ邐邋邐邐邐；邋邋邋邐ｉ邋邋邋邋ｉ邐：逡逑ＲＬＣ邐ＲＬＣ邋丨邋ＴＣＰ／ＩＰ邐ＴＣＰ／ＩＰ邋丨邋Ｌ２邐１２逡逑：．．邋邐邐１邐邋■邐；邐：逡逑ＭＡＣ邐ＭＡＣ邋；邋Ｌ２邐Ｌ２逡逑ｉ邐邐—邐邐邋邐邋ｉ邐逡逑ＰＨＹ邐ＰＨＹ邋；邋ＬＩ邐ＬＩ邋；邋ＬＩ邋：邐ＬＩ逡逑—Ｕ－Ｅ－邐ｅＮＢ邐ＰＧＷ／ＳＧＷ邐Ｉｎｔｅｒｎｅｔ邋ＣＤＮ逡逑／Ｃｏｎｔｅｎｔ邋Ｓｅｒｖｅｒ逡逑圖１－２邋ＬＴＥ網(wǎng)絡(luò)用戶而協(xié)議棧逡逑主要的協(xié)議層包括：逡逑－ＰＨＹ：即物理層，負(fù)責(zé)空中接口的調(diào)制，信道編碼，功率控制，測量；逡逑－ＭＡＣ：負(fù)責(zé)傳輸調(diào)度，ＨＡＲＱ重傳，ＱｏＳ和優(yōu)先級(jí)處理；逡逑－ＲＬＣ：負(fù)責(zé)ＡＲＱ重傳，流量控制，數(shù)據(jù)包的拆分和拼裝；逡逑－ＰＤＣＰ：負(fù)責(zé)加密和包頭壓縮；逡逑－ＩＰ：負(fù)責(zé)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)和路由；逡逑－ＴＣＰ：負(fù)責(zé)可靠傳輸，連接建立，流量控制和擁塞控制；逡逑－ＨＴＴＰ：目前Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上最主要的應(yīng)用層協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)各種各樣的業(yè)務(wù)，逡逑如：Ｗｅｂ瀏覽，流媒體，文件下載；逡逑－ＧＴＰ：邋３ＧＰＰ定義的隧道協(xié)議

耦合參數(shù)（原始分解），逡逑或資源價(jià)格（對(duì)偶分解）逡逑圖１－３消總控制的跨層優(yōu)化逡逑１．５本文主要研究內(nèi)容及安排逡逑視頻傳輸?shù)膬?yōu)化坫５Ｇ系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)和賣點(diǎn)。本文闈繞在ＬＴＥ上傳輸逡逑ＨＴＴＰ邋Ｓｔｒｅａｍｉｎｇ視頻，分折了現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在視頻傳輸上存在的問題，并為這逡逑些問題設(shè)計(jì)了實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和跨層優(yōu)化方案以便５Ｇ標(biāo)準(zhǔn)可以參考和采納。實(shí)用逡逑性和有效性是本文方案設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)。逡逑移動(dòng)內(nèi)容分發(fā)逡逑＇邋１邋１逡逑廣播邐笮播逡逑N二邐———逡逑第？：章邋ＣｏＭＰ－ＰＴＭ丨邐ＳＡ－ＰＴＭ邋／邐規(guī)站緩存逡逑ｒ＼邋１邐邐邋／邐ｒ逡逑１邐＿＿ｉ＿＿邋／邐邐�。哌婂澹边姡皱宓冢赫洛义希妫蓿蓿茫模芜姡妫眨欤辏桑茫五义希酰蓿殄澹埽姡慑澹叔澹裕桑裕义蠌V播邋ＲａｐｔｏｒＱ邋物■！丨Ｐ．ＬＨＩ？U_邐，丨（丨／：邋￡線邋ｌ，ｆ邋：丨，丨接逡逑ＨＡＲＱ邋ＩＲ－ＡＲＱ和承載選擇：邐合并＝承載ＨＴＴＰ逡逑Ｉ；逡逑第四章邐第三章邐第四簾邐第五章逡逑圖１－４木文的內(nèi)容組織逡逑本文的技術(shù)貢獻(xiàn)及方案間的關(guān)系如圖１－４所示。第二章基于作者的３ＧＰＰ標(biāo)準(zhǔn)逡逑相關(guān)研宄和提案。其中２．３．２節(jié)的ＵＥ輔助的本地緩存方案己經(jīng)被ＬＴＥ標(biāo)準(zhǔn)１１５１１２４１接逡逑納。第三，四，五章分別基于博士期間所發(fā)表的論文［ｌ邋ｊ，邋［２］Ｊ３］。逡逑目前Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上絕大多數(shù)流量都經(jīng)由ＣＤＮ（Ｃｏｎｔｅｎｔ邋Ｄｅｌｉｖｅｒｙ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ）來分發(fā)。逡逑ＣＤＮ可以將內(nèi)容推送到用戶的邊界網(wǎng)關(guān)。然而，移動(dòng)通信網(wǎng)真正的邊緣節(jié)點(diǎn)是基站逡逑

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 金慈航;OFDM系統(tǒng)中基于對(duì)偶分解理論的資源分配算法[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

2 程鵬;基于凸優(yōu)化理論的無線網(wǎng)絡(luò)跨層資源分配研究[D];浙江大學(xué);2008年

本文編號(hào)：2797008