多點協作通信研究

曹玉潔　寧遠翔　施恩惠　崔甜甜　林積昶

摘 要：未來無線移動網絡中，多點協作通信將會成為解決網絡數據流量爆炸式增長的關鍵技術，而內容在多節點之間的主動緩存則是實現協作通信的基礎。文章建立獨立空間泊松分布模型描述通信范圍內的節點分布與進入強度之間的關系，通過隨機函數畫出對應散點圖來描述不同節點在不同進入強度下在宏小區內的分布情況。引入Zipf函數模型，根據文件的流行度排名得到每個文件的存儲概率。隨機生成文件存入節點中，統計節點中的文件產生頻數，并畫出對應的三維散點圖描述不同節點在不同的內容緩存容量下的緩存情況。通過實驗表明：移動節點和固定節點都呈現在中心區域密集分布，在邊緣區域稀疏分布，文件的存儲頻數分布是隨著文件的排名序號的增大而降低。

關鍵詞：多點協作通信；Zipf模型；獨立空間泊松分布；隨機數

多點協作通信技術是提高小區邊界用戶數據速率、網絡整體數據速率的核心技術。在未來網絡中多點協作通信技術將會成為解決網絡數據流量爆炸式增長的關鍵技術，而內容在多節點之間的主動緩存則是實現協作通信的基礎[1]。

1 多點協作通信問題的概述

假設網絡中通信半徑為R=500 m的宏小區內存在兩類節點：移動節點和固定節點，同時，假設這兩類節點在宏小區內分別服從進入強度為λ和λ1的獨立空間泊松點分布，且緩存容量分別為m和m1。所有的移動節點可以隨機產生內容請求，網絡中總文件數量M=1 000，則在節點通信半徑為r=50 m時，通過研究不同節點進入強度和容量對文件命中率的影響，從而求出不同類型節點在不同進入強度下在宏小區內的分布情況以及求出不同節點在不同的文件緩存容量下的內容緩存情況。

2 模型建立和求解

2.1 節點分布與進入強度關系的獨立空間泊松分布模型

不同節點在不同進入強度下的宏小區分布服從獨立空間泊松點分布[2]。因此，單位面積內節點數量為k的概率為：

假設移動節點的進入強度為λ，固定節點的進入強度為λ1，因此由泊松分布公式并結合隨機數可以生成m×2階均值為λπR2的泊松分布的隨機矩陣：poissrnd（λ，m，2），將每行中的第一列作為節點的橫坐標，第二列作為節點的縱坐標，從而找到服從泊松分布的m個節點坐標。根據生成的節點坐標從而在宏小區內畫出散點圖，如圖1所示，從而得出移動節點在宏小區內隨機分布，覆蓋范圍較廣，而固定節點在宏小區的中心而且分布在移動節點的密集區。我們通過對λ以及λ1進行不同的賦值，得到在不同的進入強度下，節點的分布概率情況，如圖1所示。

2.2 隨機緩存文件概率模型

盡管網絡中存在海量的數據，但不同的內容被用戶訪問的概率并不相同。少量的熱點內容會被用戶重復請求，造成了網絡中大部分的數據流量。因此我們建立Zipf函數模型：

網絡中不同內容的平均流行度分布與網絡中的節點進行主動緩存時每個文件的存儲概率均可以用該函數表示。在表示不同內容的平均流行度分布時，pi為第i個文件被用戶請求的概率，它與其內容流行度服從相同分布，且與文件排列序號即內容流行度排名i成反比。在表示文件的存儲概率時，用pi表示第i個文件的存儲概率，存儲概率表達式中γc反映了緩存方案，在這里我們取值為0.8。

通過隨機函數按照內容的平均流行度賦權值隨機生成的文件序號，統計他們出現的次數，作為不同節點在不同的內容緩存容量下的內容緩存情況的衡量指標（見圖2和圖3）。

由不同節點的容量緩存情況散點圖可知，文件的頻數分布是隨著文件的排名序號的增大而降低，序號數越大，被存儲的頻數就越小。因此，不論是移動節點還是固定節點，在不同內容緩存容量下，文件的流行度越大，在文件中存儲的頻數就越大，被用戶訪問的概率就越高[3]。研究的文件對象個數越多，結論越明顯。

3 結語

該模型可以用于未來網絡中的多點協作通信的一個內容緩存優化問題，即如何在有限的節點范圍內更好地緩存無限的文件，實現網絡中更快更好的通信問題，也能在存儲中避免網絡繁忙問題。在蜂窩通信中，我們也可以嘗試應用此項模型。我們在隨后可以考慮文件在節點中的緩存的替換問題，可以考慮以文件的流行度排名對文件進行采用替換，使得每個節點中緩存的內容都是當下最熱最流行的文件。

[參考文獻]

[1]莊翔.多點協作通信系統的關鍵技術研究[J].科技創新與應用，2016（12）：87.

[2]劉曉寧.多點協作通信系統的關鍵技術探討[J].中國新通信，2016（9）：25-26.

[3]張召雙.多點協作通信系統關鍵技術分析[J].中國新通信，2016（21）：37.