Performance Analysis and Optimization of Cache-Assisted CoMP for Clustered D2D Networks
在移动设备处缓存和利用协作设备到设备（D2D）通信是支持通过无线网络进行大规模内容递送同时减轻干扰影响的两种有前景的方法。为了显示协作通信对启用缓存的D2D网络的性能的影响，必须考虑设备集群的概念以传达网络性能的现实描述。在这方面，本文开发了一种新的数学模型，基于随机几何和优化框架的缓存辅助协调多点（CoMP）传输与集群设备。设备在空间上分布成不相交的集群，并假定有一个多余的内存从一个已知的库缓存文件，随机概率缓存方案。可以经由D2D CoMP传输从相邻设备或者作为最后手段从网络获得未自缓存的期望内容。对于这个模型，我们分析了卸载增益和速率覆盖概率作为系统参数的函数。最佳缓存策略，然后定义为内容放置方案，最大化的卸载增益。对于一个易于处理的优化框架，我们追求两种不同的方法来获得一个下限和一个可证明准确的近似卸载增益，这使我们能够获得优化的缓存策略。
2020-05-11 cs.IT math.IT
QoS-Driven Resource Optimization for Intelligent Fog Radio Access Network: A Dynamic Power Allocation Perspective
雾无线接入网络（Fog-RAN）被认为是一种有前途的无线接入架构，以帮助缩短通信延迟并减轻回程链路上的大数据传输负担。然而，受限于传统的灵活的通信设计，Fog-RAN不能用于一些复杂的通信场景。在这项研究中，我们专注于研究一种更智能的Fog-RAN，以帮助在高速铁路环境中进行通信。由于训练的连续运动，通信需要智能化设计以适应信道的变化。具体而言，我们动态优化功率分配在远程无线电头端（RRH），以最大限度地减少总的网络功率成本考虑多个服务质量（QoS）的要求和信道变化。考虑了缓存对功率分配的影响。分析了动态功率优化问题，在一定条件下得到了闭合解。进一步讨论了总网络成本、延迟和交付内容大小之间的内在权衡。为了评估所提出的动态功率分配的性能，我们提出了一个不变的功率分配作为性能比较基准。我们的模拟结果表明，动态功率分配可以显着优于不变的功率分配方案，特别是与随机缓存策略或有限的缓存资源在RRH。
2021-03-03 cs.IT eess.SP math.IT
Cluster Content Caching: An Energy-Efficient Approach to Improve Quality of Service in Cloud Radio Access Networks
在云无线电接入网络（C-RAN）中，必须在回程链路和前传链路两者中交换大量数据，这导致实时服务的高功耗和差的服务质量（QoS）体验。针对这一问题，本文提出了一种集群式内容缓存结构，该结构充分利用了分布式缓存和集中式信号处理的优点。特别地，回程上的冗余业务可以被减少，因为集群内容缓存为连接到公共边缘云的远程无线电头端（RRH）提供所需内容对象的一部分。推导出有效容量和能量效率性能的易处理表达式，这表明所提出的结构可以以较低的本地存储功率成本提高QoS保证。此外，为了充分挖掘集群内容缓存结构的潜力，对资源分配和RRH关联的联合设计进行了优化，并提出了两种分布式算法。仿真结果验证了分析结果的准确性，并显示了集群内容缓存在C-RAN中实现的性能增益。
2016-03-23 cs.IT cs.NI math.IT
Caching or No Caching in Dense HetNets?
在异构蜂窝网络（HetNet）中缓存更靠近用户设备（UE）的内容提高了用户感知的服务质量（QoS），同时降低了运营商回程使用/成本。尽管如此，在目前促进积极致密化的网络战略下，尚不清楚启用缓存的HetNet是否保持了声称的成本效益和潜在优势。这是由于1）高速缓存的集体成本，其可能不可避免地超过密集HetNet中的回程的昂贵成本，以及2）过度干扰，其影响信号接收而不管内容放置。我们分析了这些重要的，但被忽视的问题，表明虽然致密化减少了回程负载，提高了高速缓存启用密集网络的频谱效率，它同时降低了缓存命中概率，增加了网络成本。然后，我们引入了一个缓存效率指标，每单位花费成本的面积频谱效率，并发现它足以在smallcell基站的缓存中缓存仅约3%的内容库大小。此外，我们表明，范围扩展，这是已知的无线网络中的实质性价值，几乎是无能为力的，以遏制缓存效率低下。令人惊讶的是，与推荐从宏小区到小小区的业务卸载的传统智慧不同，在启用高速缓存的HetNet中，完全排除卸载或相反地做通常更有益。
2019-01-30 cs.IT math.IT
Caching at the Edge: a Green Perspective for 5G Networks
凭借上下文感知和主动功能，在网络边缘本地缓存用户内容能够应对5G无线网络中不断增长的数据流量需求。在这项工作中，我们专注于缓存启用无线蜂窝网络的能源消耗方面，特别是在区域功耗（APC）和能源效率（EE）。我们假设，基站（BS）和移动用户分布根据均匀泊松点过程（PPP），我们引入了一个详细的功率模型，考虑到缓存。我们研究的条件下，区域功耗最小化的BS发射功率，同时确保一定的服务质量（QoS）的覆盖概率。此外，我们提供了最佳的BS发射功率，最大限度地提高每单位总功率消耗的面积频谱效率。本文的主要内容是缓存似乎是一种节能的解决方案。
2015-03-18 cs.IT cs.NI math.IT
Edge Caching for Coverage and Capacity-aided Heterogeneous Networks
研究了具有层内和层间依赖性的两层异构蜂窝网络（HCN）。宏小区部署遵循泊松点过程（PPP），并且使用两个不同的聚类点过程来对高速缓存使能的小小区进行建模。在此模型下，我们推导出的平均交付率考虑层间和层内依赖的有限积分的近似表达式。高速缓存大小的事实上，大大提高了性能的小细胞方面的平均交付率，我们表明，有限的回程速率分裂引起非线性的性能变化，因此必须进行调整的速率公平不同层次的用户之间。
2016-05-01 cs.IT math.IT
Cache-Enabled Physical-Layer Security for Video Streaming in Wireless Networks with Limited Backhaul
在本文中，我们调查的第一次无线网络的物理层安全（PLS）的无线缓存的好处。特别地，提出了一种用于具有受限回程容量的蜂窝视频流的实现功率高效PLS的高速缓存方案。通过经由高速缓存和回程加载两者跨基站（BS）的子集共享视频数据，根据高速缓存状态、信道条件和回程容量来动态地启用若干BS的安全协作传输。因此，高速缓存减少了容量受限的回程链路上的数据共享开销。更重要的是，缓存引入了额外的安全自由度，并实现了高能效设计。我们调查的最佳缓存和传输策略，以最大限度地减少总发射功率，同时提供服务质量（QoS），并保证视频传输过程中的保密性。提出了一个两阶段非凸混合整数优化问题，分别对离线视频缓存阶段的缓存策略和在线视频分发阶段的协作传输策略进行优化.由于该问题是NP-难的，针对低复杂度的缓存训练和分发控制分别提出了次优多项式时间算法。最优性的充分条件下，所提出的计划获得全局最优解，也提供了。仿真结果表明，所提出的方案具有较低的秘密中断概率和较高的功率效率。
2016-12-04 cs.IT math.IT
Coded Caching and Content Delivery with Heterogeneous Distortion Requirements
缓存辅助编码的内容交付的研究与不同的服务质量（QoS）的要求，由不同的平均失真目标指定的设备。该网络由一个服务器持有一个独立的内容数据库，并配备了不同容量的本地缓存的用户。用户缓存在低流量期间由服务器填充，而不知道特定的用户需求。与当前文献相反，其假设用户请求文件的全部，假设系统中的用户具有不同的失真要求;因此，每个用户请求来自数据库的单个文件以不同的失真级别提供。在这项工作中，我们的目标是表征服务器需要通过无错误的共享链路传输，以满足所有可能的需求组合在所要求的失真水平，考虑集中式和分散式缓存放置的最低交付率。
2018-02-07 cs.IT math.IT
Air-Ground Integrated Vehicular Network Slicing with Content Pushing and Caching
提出了一种空地一体化车载网络（AGIVEN）架构，空中高空平台（HAP）通过大面积广播主动向车载推送内容，地面路侧单元（RSU）按需提供高速单播服务。为了有效地管理多维异构资源，引入了面向服务的网络切片方法，将AGIVEN虚拟地划分为多个切片，每个切片支持特定的应用，并保证服务质量（QoS）。具体而言，多资源供应AGIVEN切片的基本问题进行了研究，考虑到典型的车辆应用程序的基于位置的地图和基于流行度的内容服务。对于基于位置的地图服务，相对于HAP广播速率和车辆缓存大小导出HAP车辆主动推送的能力，其中存在指示最优通信缓存资源交易的鞍点。对于共同感兴趣的热门内容，获得平均板载内容命中率，HAP推送新生成的内容以保持板载缓存新鲜。然后，最小RSU传输速率推导出满足平均延迟要求的每个切片。分析结果揭示了RSU传输速率、HAP广播速率和车辆缓存大小之间的服务相关资源配置和交易关系，为实际多资源网络切片提供了指导。仿真结果表明，所提出的AGIVEN网络切片方法匹配多资源跨切片，从而RSU传输速率可以节省40%，而保持相同的QoS。
2018-06-11 cs.IT cs.NI math.IT
On the Tradeoff between Energy Harvesting and Caching in Wireless Networks
自供电、能量收集的小型蜂窝基站（SBS）有望成为下一代无线网络的组成部分。然而，由于所收集的能量的不确定性，有必要采用能量有效的功率控制方案来降低SBS的能量消耗，从而确保用户的服务质量（QoS）。这种节能设计也可以通过使用内容缓存来完成，这减少了容量有限的SBS回程的使用。在SBS的流行内容的减少也可以证明在这方面通过减少回程使用是有益的。在本文中，一个在线的能量有效的功率控制方案的能量收集SBS配备了无线回程和本地存储。在我们的模型中，能量到达被假定为泊松分布和流行度分布的请求内容建模使用齐普夫定律。将功率控制问题转化为一个（折扣）无限时域动态规划问题，并采用数值迭代算法求解。使用模拟，我们提供了宝贵的见解的能量收集和缓存的能量和总吞吐量性能的SBS的影响，网络大小是不同的。我们的研究结果还表明，在SBS的缓存和能量收集设备的大小可以权衡，同时仍然满足所需的系统性能。
2015-05-23 cs.IT math.IT
Cache-Enabled Physical Layer Security for Video Streaming in Backhaul-Limited Cellular Networks
在本文中，我们提出了一种新的无线缓存方案，以提高在有限的回程容量的蜂窝网络中的视频流的物理层安全性。通过经由高速缓存和回程加载两者跨基站（BS）的子集主动地共享视频数据，可以根据高速缓存状态、信道条件和回程容量来动态地启用若干BS的安全协作联合传输。假设发射端的信道状态信息（CSI）不完全，提出了一个两阶段的非凸混合整数鲁棒优化问题，在保证视频传输的服务质量（QoS）和通信保密性的同时最小化总发射功率，其中缓存和协作传输策略分别在离线视频缓存阶段和在线视频传输阶段进行优化.虽然制定的优化问题原来是NP难的，低复杂度的多项式时间算法，其解决方案在一定条件下是全局最优的，提出了缓存训练和视频传输控制。高速缓存被证明是有益的，因为它减少了施加在容量受限的回程链路上的数据共享开销，引入了额外的安全自由度，并且实现了功率高效的通信系统设计。仿真结果表明，该缓存方案同时实现了较低的秘密中断概率和较高的功率效率。此外，由于所提出的鲁棒优化，不完善的CSI知识所造成的性能损失，可以显着降低时，高速缓存容量变得很大。
2017-11-07 cs.IT math.IT
Fairness-Aware Caching and Radio Resource Allocation for the Downlink of Multi-Cell OFDMA Systems
互联网内容的空前增长，特别是社交媒体，对蜂窝网络的负载提出了挑战。另外，与服务质量（QoS）相比，用户体验质量（QoE）的需求成为了一个更实际的标准，下载延迟是影响用户体验质量的一个重要因素。为了满足这一需求，本文提出了两种资源分配（RA）算法，分别对社交媒体在基站（BS）缓存中的位置和无线资源（即，发射功率和子载波）。在第一种方案中，网络的总下载延迟被最小化，而在第二种方案中，提出了一种公平性感知的方案，其中最大下载延迟被最小化。我们提出迭代算法来解决每个问题，其中内容放置问题和联合子载波和发射功率分配问题将迭代优化。我们还证明了所提出的方法收敛到一个接近最优的解决方案，以及迭代次数的增加。
2021-06-26 cs.IT cs.NI math.IT
A Stackelberg Game for Incentive Proactive Caching Mechanisms in Wireless Networks
提出了一种在支持缓存的小小区网络（SCN）中的激励主动缓存机制，以激励内容提供方（CP）参与缓存过程.被认为是由一个单一的移动网络运营商（MNO）和多个CP的网络。MNO旨在定义其向CP收取的价格以使其收益最大化，同时CP竞争以确定它们在MNO的小型基站（SBS）处缓存的文件的数量，以提高它们的用户的服务质量（QoS）。这个问题被公式化为一个Stackelberg游戏，其中一个单一的MNO被认为是领导者和多个CP愿意缓存文件的追随者。将追随者博弈建模为非合作博弈，证明了纳什均衡（NE）的存在性和唯一性。推导了每个CP向MNO请求的存储量对应的NE的封闭表达式。在MNO侧制定优化问题以确定MNO应该向CP收取的最优价格。仿真结果表明，在均衡时，MNO和CP都可以实现一个效用，是高达50%以上的情况下，在价格和存储量的要求任意。
2016-09-08 cs.GT cs.IT cs.NI
Energy-Sustainable Traffic Steering for 5G Mobile Networks
可再生能源收集（EH）技术预计将广泛用于下一代（5G）移动网络，以支持可持续的网络开发和运营。然而，可再生能源供应具有随机性和间歇性，可能导致能源中断、能量溢出、服务质量（QoS）下降等问题。因此，如何提高可再生能源的可持续性是绿色网络的关键问题。为此，本文提出了一种能量可持续的流量导向框架，通过层间和层内导向、缓存和推送，动态调整流量负载以匹配空间和时间域中的能量分布。进行的案例研究表明，所提出的框架可以在满足QoS要求的同时减少并网能源需求。讨论了能源可持续交通转向的研究主题和挑战。
2017-05-18 cs.IT cs.NI math.IT
Secure Video Streaming in Heterogeneous Small Cell Networks with Untrusted Cache Helpers
本文研究了支持缓存的小小区网络中的安全视频流，其中一些支持缓存的小小区基站（BS）帮助视频传输是不可信的。不利的是，缓存提高了这些不可信助手的窃听能力，因为它们可以拦截缓存的和传送的视频文件。为了解决这个问题，我们提出了联合缓存和可伸缩视频编码（SVC）的视频文件，使安全的合作多输入多输出（MIMO）传输，并在同一时间，利用缓存存储器的可信和不可信的BS提高系统性能。考虑到发送端的信道状态信息（CSI）不完善，提出了一个两时标非凸混合整数鲁棒优化问题，以最小化保证视频流传输过程中的服务质量（QoS）和保密性所需的总发送功率.我们开发了一个迭代算法的基础上修改广义Benders分解（GBD），以最佳地解决这个问题，其中缓存和合作传输的政策，分别通过离线（长时间尺度）和在线（短时间尺度）的优化，确定。在此基础上，受最优算法的启发，提出了一种基于贪婪启发式的低复杂度次优算法。仿真结果表明，所提出的方案实现了显着的增益，在功率效率和保密性能相比，几个基线方案。
2018-01-29 cs.IT math.IT
Joint Long-Term Cache Updating and Short-Term Content Delivery in Cloud-Based Small Cell Networks
移动数据需求的爆炸式增长可能会给基于云的小蜂窝网络（C-SCN）的前传链路带来沉重的流量负担，从而降低用户的服务质量（QoS）并需要大量功耗。提出了一种有效的最大距离可分离（MDS）编码缓存框架，用于支持缓存的C-SCN，旨在降低长期功耗的同时满足用户在短期传输中的QoS要求。为了实现这一目标，需要通过考虑用户的内容偏好、SBS协作和无线链路的特性来合理地更新小小区基站（SBS）中的缓存资源。具体来说，在不假设任何先验知识的内容流行度，我们制定了一个混合的时间尺度问题，共同优化缓存更新，多播波束形成器在前传和边缘链路，SBS集群。然而，这个问题是反因果的，因为最优的高速缓存更新策略取决于未来的内容请求和信道状态信息。为了解决这一问题，通过适当地利用历史观测，我们提出了一个两阶段的更新方案，使用Frobenius-Norm惩罚和不精确块坐标下降方法。此外，我们推导出一个基于学习的设计，它可以获得有效的准确性和计算复杂度之间的折衷。仿真结果验证了所提出的两阶段框架的有效性。
2020-01-24 cs.IT eess.SP math.IT
Joint Long-Term Cache Allocation and Short-Term Content Delivery in Green Cloud Small Cell Networks
近年来，移动数据流量呈指数级增长，这可能导致无线网络上的严重流量燃烧和相当大的功率消耗。网络致密化和边缘缓存是解决这些挑战的有效方法。在这项研究中，我们研究了联合长期缓存分配和短期内容交付云小小区网络（C-SCN），其中多个小小区BS（SBS）通过前传连接到中央处理器，可以存储流行的内容，以减少网络中的重复传输。因此，通过在服务质量（QoS）和存储约束下联合优化多播波束成形、BS聚类和高速缓存分配来制定长期功率最小化问题。由此产生的混合时标设计问题是一个anticausal问题，因为最佳的缓存分配取决于未来的文件请求。为了解决这个问题，提出了一种两阶段的优化方案，利用用户的请求和信道状态信息的历史知识。具体地说，在线内容交付的设计与惩罚为基础的方法，并定期缓存更新优化与分布式交替的方法。仿真结果表明，该方案显着优于传统的计划，并表现出非常接近基因辅助的低缓存区的下限。
2019-04-24 cs.IT eess.SP math.IT
Content-Centric Multicast Beamforming in Cache-Enabled Cloud Radio Access Networks
多播传输和无线缓存是减少无线网络中空中和回程业务负载的有效方法。本文提出了将这两个关键的想法，内容为中心的多播传输在云无线接入网络（RAN），其中多个基站（BS）连接到一个中央处理器（CP）通过有限容量的回程链路。每个BS具有有限存储大小的高速缓存，并且配备有多个天线。BS协作地向网络中的多个用户发送内容，所述内容存储在本地缓存中或者从CP获取。请求相同内容的用户形成多播组，并且由相同的BS集群协作地使用多播波束成形来服务。假设固定的缓存放置，本文研究了联合设计的组播波束成形和内容为中心的BS集群制定的优化问题，最大限度地减少总网络成本下的服务质量（QoS）的约束，为每个组播组。网络成本包括传输功率和回程成本。我们使用波束成形向量的混合$\ell_0/\ell_2$范数对回程成本进行建模。为了解决这个非凸问题，我们首先近似它使用半定松弛（SDR）方法和凹光滑函数。然后，我们提出了一个差分凸函数（DC）规划算法，以获得次优解，并显示三个光滑函数的连接。仿真结果验证了组播的优势，并显示了不同的缓存大小和缓存策略在云RAN中的效果。
2015-08-11 cs.IT math.IT
Energy Efficiency in Cache Enabled Small Cell Networks With Adaptive User Clustering
使用启用缓存的小型小区网络，可以通过主动获取最有可能被请求的内容来显著减少高峰时段的流量。在本文中，我们的目的是探索主动缓存的一个重要指标，为下一代网络，即能源效率（EE）的影响。我们认为，利用用户内容流行度配置文件中的相关性，除了空间上的重新分区的用户具有可比的请求模式，可以大大提高可实现的能源效率的网络。在本文中，优化EE的问题被解耦成两个相关的子问题。第一个解决了内容流行度建模的问题。虽然大多数现有的作品假设网络中的所有用户相似的流行配置文件，我们认为一个替代的缓存框架，用户根据他们的内容流行配置文件进行聚类。为了展示建议的聚类方案的效用，我们使用统计模型选择标准，即赤池信息准则（AIC）。使用随机几何，我们推导出一个封闭形式的表达式，可实现EE，我们找到最佳的活动小小区密度向量，最大化it.Second子问题调查的影响，利用空间重新分区的用户具有可比的请求模式。在考虑网络的快照后，我们制定了一个组合优化问题，该问题能够优化内容放置，使得所使用的传输功率最小化。数值结果表明，聚类方案，使显着提高缓存命中概率，从而EE相比，非聚类的方法。仿真结果也表明，小基站分配算法的结果，提高了能量效率和命中概率。
2017-11-08 cs.IT math.IT
Backhaul Traffic Balancing and Dynamic Content-Centric Clustering for the Downlink of Fog Radio Access Network
最近，已经提出了云无线电接入网络（C-RAN）的演进，称为雾无线电接入网络（F-RAN）。与C-RAN相比，F-CAN中的无线电单元（RU）配备了本地缓存，可以存储一些经常请求的文件。在下行链路中，请求相同文件的用户形成多播组，并且由RU的集群协作地服务。请求的文件可以在此群集的缓存中本地获得，也可以通过回程从中央处理器（CP）获取。因此，缓存一些频繁请求的文件可以大大减少回程链路的负担。集群中是否应涉及特定RU以服务多播组取决于其回程容量、请求的文件、缓存的文件和信道。因此，它需要优化。在本文中，我们研究的联合设计多播波束成形，动态分簇和回程流量平衡。波束成形和集群联合优化，以最大限度地减少功耗，同时要满足每个用户的QoS和每个回程链路上的流量是根据其容量平衡。
2016-02-22 cs.IT math.IT
