[论文解读] Air-Ground Integrated Vehicular Network Slicing with Content Pushing and Caching

Shan Zhang, Wei Quan+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2018

Opportunistic and Delay-Tolerant Networks参考文献 38被引用 3

一句话总结

本文提出了一种利用高空平台（HAPs）进行主动内容推送、并利用路边单元（RSUs）提供按需单播服务的空-地融合车载网络（AGIVEN），通过联合优化HAP广播速率、车辆缓存大小和RSU传输速率，使RSU负载降低40%，同时保持地图和热门内容服务的QoS。

ABSTRACT

In this paper, an Air-Ground Integrated VEhicular Network (AGIVEN) architecture is proposed, where the aerial High Altitude Platforms (HAPs) proactively push contents to vehicles through large-area broadcast while the ground roadside units (RSUs) provide high-rate unicast services on demand. To efficiently manage the multi-dimensional heterogeneous resources, a service-oriented network slicing approach is introduced, where the AGIVEN is virtually divided into multiple slices and each slice supports a specific application with guaranteed quality of service (QoS). Specifically, the fundamental problem of multi-resource provisioning in AGIVEN slicing is investigated, by taking into account typical vehicular applications of location-based map and popularity-based content services. For the location-based map service, the capability of HAP-vehicle proactive pushing is derived with respect to the HAP broadcast rate and vehicle cache size, wherein a saddle point exists indicating the optimal communication-cache resource trading. For the popular contents of common interests, the average on-board content hit ratio is obtained, with HAPs pushing newly generated contents to keep on-board cache fresh. Then, the minimal RSU transmission rate is derived to meet the average delay requirements of each slice. The obtained analytical results reveal the service-dependent resource provisioning and trading relationships among RSU transmission rate, HAP broadcast rate, and vehicle cache size, which provides guidelines for multi-resource network slicing in practice. Simulation results demonstrate that the proposed AGIVEN network slicing approach matches the multi-resources across slices, whereby the RSU transmission rate can be saved by 40% while maintaining the same QoS.

研究动机与目标

• 为解决在具有多样化QoS需求的空-地融合车载网络（AGIVENs）中管理多维异构资源的挑战。
• 实现高效的网络切片，通过虚拟化、面向服务的切片支持不同车载服务（如高清地图分发和热门内容分发）。
• 量化HAP广播速率、车辆缓存大小与RSU传输速率之间的权衡，以实现最优资源配置。
• 推导主动缓存场景下的内容命中率和延迟约束的分析模型，以指导系统设计。

提出的方法

• 提出一种AGIVEN架构，整合HAP用于广域广播，RSU用于高速单播，实现主动内容分发和车载缓存。
• 引入面向服务的网络切片框架，将物理网络划分为三个切片：MaNa（高清地图）、FoCI（热门内容）和ODT（按需流量）。
• 推导MaNa切片的完成率作为HAP广播速率和车辆缓存大小的函数，揭示了最优资源配置的鞍点。
• 基于流行度的缓存模型，对FoCI服务的车载内容命中率进行建模，表明HAP推送可提升缓存新鲜度。
• 基于车辆移动性和请求动态的随机模型，推导出满足平均延迟约束所需的最小RSU传输速率的闭式表达式。
• 使用伽马分布和不完全伽马函数对预期缓存地图段数量进行建模，实现对缓存性能的分析评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何联合优化HAP广播与车辆缓存，以在确保车载网络中低延迟地图分发的同时最小化RSU负载？
• RQ2 在实现最大地图服务完成率的前提下，HAP广播速率与车辆缓存大小之间的最优权衡是什么？
• RQ3 HAP对热门内容的主动推送如何影响车载命中率？为保持内容新鲜度，所需的HAP广播速率是多少？
• RQ4 在移动性和内容流行度约束下，为满足每个网络切片的平均延迟需求，所需的最小RSU传输速率是多少？

主要发现

• MaNa切片的完成率随HAP广播速率增加而提高，但增速先上升后下降，表明存在最优HAP广播速率的鞍点。
• 推导出满足平均延迟约束的最小RSU传输速率的闭式表达式，表明其与车辆移动性和请求模式存在非线性依赖关系。
• 仿真结果证实，采用主动HAP内容推送和边缘缓存后，RSU传输速率降低40%，同时各切片的QoS保持不变。
• 热门内容的命中率随内容流行度偏斜度（ρ）增加而降低，且模型在ρ < 1和ρ > 1时均严格证明了该单调递减关系。
• 最优HAP广播速率与车辆缓存大小呈反向线性关系，表明更大的缓存可降低对高广播速率的需求。
• 对预期缓存地图段数量的分析模型被验证为关于HAP广播速率严格递增，证实了主动推送的有效性。