基于能效優(yōu)化的設(shè)備間協(xié)作數(shù)據(jù)分流機制的研究與實現(xiàn).pdf

1、近年來，隨著智能無線終端和移動網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量的爆發(fā)，利用移動用戶設(shè)備（MUs）接收實時數(shù)據(jù)內(nèi)容（如視頻）的方式變得越來越受歡迎，這對蜂窩網(wǎng)絡(luò)造成了巨大的流量壓力。通過 MUs間協(xié)作的方式分流數(shù)據(jù)流量需求被認為是減緩網(wǎng)絡(luò)流量壓力的一種可靠方法。特別的，MUs間協(xié)作分流的實現(xiàn)得益于 Device-to-Device（D2D）通信技術(shù)得到了發(fā)展，該種方式允許兩個MUs直接進行通信以代替須經(jīng)過基站的通信方式。由于MUs間分布位置上的靠近，基于D2

2、D通信的MUs間協(xié)作數(shù)據(jù)分流可以帶來多種好處，比如減緩網(wǎng)絡(luò)阻塞、減小通信過程中的能量消耗等。因此，利用MUs之間的D2D通信來設(shè)計資源高效利用的數(shù)據(jù)內(nèi)容分發(fā)機制的研究吸引了學(xué)術(shù)與工業(yè)界越來越多的重視。
　　在本文中從以下幾個方面研究了資源高效利用的數(shù)據(jù)內(nèi)容分發(fā)問題:
　　首先，研究了對同一數(shù)據(jù)內(nèi)容感興趣的 MUs間協(xié)作式優(yōu)化數(shù)據(jù)分流機制。在此數(shù)據(jù)分流機制中，基站首先將數(shù)據(jù)內(nèi)容發(fā)送給一些被選中作為中繼的MUs，這些MUs再將各

3、自收到的數(shù)據(jù)以廣播的方式發(fā)送給其余用戶，最終使得所有 MUs都能收到完整的數(shù)據(jù)內(nèi)容。但是由于每個MU傳輸功率和可用能量的限制，數(shù)據(jù)內(nèi)容的傳輸速率將影響到每個MU能否被選擇進行中繼以及能夠中繼多久，因此傳輸速率需要被很好的優(yōu)化控制。不同于當(dāng)前大部分MUs間協(xié)作分流機制，主要關(guān)注對數(shù)據(jù)內(nèi)容傳輸速率和每個MUs中繼時間進行聯(lián)合優(yōu)化，以最小化包括能耗代價和蜂窩網(wǎng)絡(luò)鏈路使用代價在內(nèi)的系統(tǒng)總代價。為了解決問題中數(shù)據(jù)內(nèi)容傳輸速率與每個 MUs中繼時間

4、之間的耦合影響，我們分析了聯(lián)合優(yōu)化問題的可分層特性，并描述了不同的可能情況。基于此，推導(dǎo)出了每種情況的最優(yōu)解析解，并進一步提出了一種能夠得到最初聯(lián)合優(yōu)化問題全局最優(yōu)解的高效算法。數(shù)據(jù)仿真結(jié)果證明了所提出算法的準確性和高效性，也驗證了最優(yōu) MUs間協(xié)作數(shù)據(jù)分流機制相比于其他啟發(fā)式算法在減小系統(tǒng)代價方面的優(yōu)勢。
　　其次，利用 MUs間協(xié)作來進行數(shù)據(jù)內(nèi)容分發(fā)被認為是一種分流蜂窩網(wǎng)絡(luò)中迅速增長流量需求的有效方法。本文中提出了一種實時數(shù)據(jù)

5、內(nèi)容分發(fā)機制以實現(xiàn) MUs間帶有節(jié)能效果的協(xié)作分流。給定一組位置上相對靠近的MUs，其中這些MUs想要從蜂窩基站下載多個數(shù)據(jù)內(nèi)容，針對上述場景提出了一種協(xié)作優(yōu)化分流機制，基站首先單播將數(shù)據(jù)內(nèi)容發(fā)送給選中的中繼MUs，這些中繼MUs再將接收到的數(shù)據(jù)內(nèi)容以廣播形式發(fā)送給剩余對這些數(shù)據(jù)感興趣的MUs，最終能夠使所有MUs都收到完整的感興趣數(shù)據(jù)內(nèi)容。在這種協(xié)作分流機制中，對每個數(shù)據(jù)內(nèi)容的傳輸速率和每個MU的中繼策略（即MU中繼哪個數(shù)據(jù)內(nèi)容以及中

6、繼多久）進行聯(lián)合優(yōu)化，使得包括基站和所有MUs在內(nèi)的總能耗最小。但是由于MUs傳輸功耗和可用能量的限制，數(shù)據(jù)內(nèi)容的傳輸速率將影響到MUs的中繼策略，從而導(dǎo)致優(yōu)化問題的求解過程十分困難。因此，進一步分析了問題的可分層特性，并提出了一種相對應(yīng)的分層算法（包括一個頂層算法和一個底層算法）來求解最優(yōu)解。數(shù)據(jù)仿真結(jié)果證明了所提出算法的有效性，也表明了最優(yōu)化的 MUs間協(xié)作數(shù)據(jù)分流機制的性能優(yōu)勢。
　　最后，基于MATLAB GUI平臺將上述