5G移動通信網絡中緩存與計算關鍵技術研究

徐傳通

（吉林吉大通信設計院股份有限公司，吉林 長春 130012）

0 引 言

在5G移動通信網絡中，優化緩存與計算資源被人們認為是能夠有效降低網絡傳輸冗余與延時的重要途徑，是提升發布率與網絡計算處理能力的關鍵環節。結合現階段的5G移動網絡通信緩存與計算關鍵技術，思考如何優化緩存配置，提高計算效率，實現計算任務卸載。這一過程中建議搭建移動模型與緩存傳輸模型，以此擴展緩存容量，優化傳輸通道，提高移動通信網絡整體水平。此外，需要準確分析緩存命中率，將邊緣計算運用于卸載，建立移動自主微云，從而有效降低能量消耗，充分發揮計算技術優勢，促進5G通信網絡的建設與發展，為人們營造一個良好的網絡環境[1]。

1 5G移動通信網絡中的緩存與計算

1.1 5G移動通信網絡緩存

5G移動通信網絡緩存是移動網絡用戶從終端設備獲得請求的內容，將內容保留在移動終端設備上，以此實現對本次信息資源的利用，不需要從核心網絡或者外部網絡中獲取內容，以此減少對無線網絡容量的需求，緩解當前可用容量與需求容量之間的矛盾。一般情況下，移動通信網絡緩存主要分為內容放置與傳輸兩個步驟。其中，內容放置主要為緩存內容與緩存位置，如何將緩存內容下載到節點中；而內容傳輸則是如何將內容傳遞給發出請求的用戶。一般情況下，在網絡流量較低的時期有利于內容放置，在網絡流量較高的時期有利于執行內容傳遞需求[2]。

緩存的形式可以分為兩種：一種是非編碼緩存，另一種是編碼緩存。前者需要假設文件完全緩存在終端設備上或者是不緩存在設備上，后者可以分為多個不同的文件或者分為幾個不同的相互不重疊的編碼段，確保每個設備可以緩存不同的編碼段，最后通過這些編碼段實現源文件的恢復。一般情況下，使用編碼緩存需要假設僅存編碼文件的一部分，通過收集這一文件的編碼段獲取整體文件。關于緩存內容，結合5G移動通信網絡用戶的緩存軌跡可以發現，一般情經常被申請緩存的是較為流行的視頻或者其他流行內容。因此，建議關注緩存文件內容的流行程度，即關注這一區域文件庫中各個文件被用戶申請的概率，通過設置文件庫中文件的大小與流程程度參數進行表示。此外，用戶對內容的喜好程度也會直接影響到緩存內容，這主要是由于一些用戶對某一類的內容具有偏好，若緩存此類內容能夠在一定程度上提高請求命中率。因此，建議結合用戶的緩存請求歷史數據，利用協同過濾法進行計算，以預測用戶可能緩存的內容類型[3]。

在5G移動通信網絡中，緩存位置主要為用戶的移動終端設備和移動基站。緩存過程中，需要考慮位置的特殊性，如用戶所在小區信號情況、所在位置是否存在干擾等。關于基站緩存可以分為宏基站與small cell，其中small cell又可以細化分為有回傳連接和沒有回傳連接。通過調整優化small cell的部署，能夠進一步減少宏基站的流量傳輸，提高用戶的延時保障。

1.2 5G移動通信網絡計算技術

我國互聯網技術應用水平不斷提升，云計算已經成為現階段最先進的計算技術。在虛擬技術的基礎上，利用云計算能夠在數據中心平臺上實現對多個系統與應用的同步運行，且能夠保證系統之間相對獨立、互不干擾，保護云端運行的數據資料。因此，利用移動終端設備的計算密集任務卸載到云端，能夠有效提高終端設備的計算能力。實際中需要云計算克服多種外界干擾，如環境因素影響、網絡安全情況以及移動設備性能等。一般情況下，在移動終端之間的數據傳輸存在大量的延時情況，且頻譜資源會影響無線網與網絡對接之間的吞吐量，需要卸載任務，以提高終端設備的計算能力[4]。

關于“基于遠端云”的任務卸載計算，建議結合傳統的云計算方式在云端完成計算，之后將計算結果反饋給用戶；用戶可以通過兩種方式將任務卸載到終端后進行計算，一種是通過無線可用的方式，另一種是無線網絡不可用時的方法。例如，用戶可以通過蜂窩網絡如4G、5G網絡進行卸載，也可以利用WiFi網絡卸載，此時需要移動設備感知所在環境，計算任務卸載策略，判斷能夠卸載。

關于“移動微云”的卸載，是將服務器放置在網絡邊緣的架構上，如公眾場所、人群密集地區等，保證計算資源豐富。這一方法雖然具有較強的應用性，但是部署費用較高，微云維護價格昂貴，可行性較低。在計算技術應用的過程中，建議分別從減少延時、提高系統能耗效率以及降低終端能耗3方面入手，優化設計計算任務卸載方案，提高運行效率，從而為用戶提供優質的5G網絡服務[5]。

2 5G移動通信網絡中緩存與計算關鍵技術應用

2.1 搭建移動模型，擴展緩存容量

要想應用緩存關鍵技術，建議結合現階段5G網絡用戶移動終端的實際情況搭建移動模型，以此實現“成對碰面”。“成對碰面”是現階段應用較廣泛的一種模式，是一種較為獨立的泊松過程。結合small cell網絡結構，假設用戶Di與small cell Sk之間能夠實現通信，且通信條件是Di在Sk的覆蓋區域中可以得到覆蓋區域的半徑為Rs，得到用戶設備在small cell Sk覆蓋區域內的接觸隔離時間為。此外，需要結合具體的文件數量m搭建用戶請求模型，以此形成文件請求幾何，按照流行度將文件進行排序，保證每個文件的大小相同。得到內容流行度的參數后，用戶的請求內容能夠在最大程度上得到延時，并且可以分別通過本地緩存、D2D緩存以及宏基站緩存的形式得到[6]。

2.2 分析緩存命中率，減少基站流量消耗

要想應用緩存關鍵技術，就要有目的地分析現有緩存命中率，以此調整緩存技術部署，從而提高命中率，減少基站的流量消耗，提高消耗的效率。此過程需要考慮用戶的移動特點，結合small cell與用戶終端設備，綜合考慮緩存策略，將最大程度提高緩存命中率作為主要目的。在實際分析過程中，分析small cell的緩存命中率需要定義緩存矩陣X，確定X=(χf)t×m。當Ff為緩存的small cell Sk時，則可以確定χf=1。因此，可以計算出small cell的緩存命中率。之后，需要結合緩存矩陣分析用戶的命中率，最終得到命中率為：

此外，若不考慮small cell緩存的問題，在用戶請求緩存時可以先檢查自身是否已經緩存內容，若沒有緩存，則可以通過D2D通信的方式獲取，以此提高緩存命中率[7]。

2.2.1 搭建緩存傳輸模型，優化傳輸通道

要想應用緩存關鍵技術，建議優化緩存內容的傳輸通道，構建緩存傳輸模型，以此提高能耗效率，營造良好的通信環境。若將移動設備中的緩存內容傳輸給發出請求的移動設備，則需要考慮這一過程中消耗的能量。要想在最大程度上縮小能量消耗，同時實現編碼段的傳輸，需要計算最優發射功率，且假設移動設備之間的通信是D2D，可以得到minimDizeED，subject，且計算緩存編碼段發送給請求用戶時的功率情況，以此節省用戶設備發送過程中消耗的能量，得到為移動設備的最大發射功率。此外，可以優化small cell的基站發射功率，以此得到minimBizeEB，，其中目標函數是對緩存了編碼段的限制性功率，且為small cell的最大發射功率[8]。

2.2.2 邊緣計算運用于卸載，降低卸載能耗

要想應用計算關鍵技術，要考慮D2D原有計算模式的不可靠性，提出新的計算任務卸載模式。建議結合機會主義理論構建移動自主微云的計算卸載模式，分析這一模式下的能量消耗與延時情況，以確定計算任務在移動微云的卸載策略，體現其優越性。考慮到近年來移動設備流量不斷增長且移動設備智能化發展趨勢，需要將大量的計算任務轉移到云端進行處理，以此拓展設備的計算資源，增加設備儲存量，降低設備能耗。面對繁重的計算任務，可以利用蜂窩網卸載進行處理，以提高數據傳輸率[9]。

2.2.3 建立移動自主微云，充分發揮計算優勢

要想應用計算關鍵技術，建議建立移動自主微云平臺，充分發揮計算關鍵技術的優勢。實際中，建議結合不同的計算任務種類，明確分配不同的計算任務方案，結合機會主義，假設移動微云計算網絡中的移動節點確定任務數據，計算在單位時間內沒有碰面的概率，且概率為P{t＞Δt}=e-λΔt。此時，假設任務量為n，每個任務節點的計算總量為Q，控制n個子任務，子任務量為χi，則可以得到

3 結 論

綜上所述，在5G移動通信網絡建設中，產生的邊緣緩存與計算能夠有效克服回傳鏈路容量的局限性，同時能夠在一定程度上降低核心網絡的能量消耗。本文中建議對移動性、緩存分配技術、計算卸載方式等進行研究，提出多種新穎的網絡緩存與計算卸載策略，解決原本的問題，優化網絡模式。文章提出了一種較為新穎的計算任務卸載模式，結合機會主義提出了移動自主微云計算模式，從而降低任務計算能力，提高網絡系統的整體能效，為人們提供更加快速、高效的網絡結構。