[论文解读] Cognitive and Cache-enabled D2D Communications in Cellular Networks

Xingya Zhao, Chenchen Yang+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2015

Caching and Content Delivery参考文献 18被引用 7

一句话总结

本文提出了一种认知型、缓存增强型的设备到设备（D2D）通信方案，应用于两层异构无线网络中，其中D2D通信对通过感知频谱来利用空闲的蜂窝信道，并在本地缓存热门内容。该系统被建模为具有优先级的离散时间多服务器队列，以分析时延和队列长度分布，结果表明，在内容高度热门且请求密度较高的情况下，缓存机制与认知接入可显著降低时延并提升系统效率。

ABSTRACT

Caching popular contents for frequent access is an attractive way of employing the redundancy of user requests. Exploiting cognition to the cache-enabled D2D in the multichannel cellular network is the main focus of this paper. We contribute to analyzing the cache-based content delivery in a twotier heterogeneous network (HetNet) composed of base stations (BSs) and device-to-device (D2D) pairs, where the D2D accesses the networks with overlay spectrum sharing. Node locations are first modeled as mutually independent Poisson Point Processes (PPPs), and the service queueing process is formulated. The corresponding tier association and cognitive access protocol are developed. The D2D transmitter (TX) performs overlay spectrum sensing within its spectrum sensing region (SSR) to detect the idleness of cellular channels. Then the number of BSs and D2D TXs in the SSR are analyzed. We further elaborate the probability mass function (PMF) of the delay and the queue length, with modeling the traffic dynamics of request arrivals and departures at the BS and D2D TX as the discrete-time multiserver queue with priorities. Moreover, impacts of some key network parameters, e.g., the content popularity, the request density and the caching storage, on the system performance are investigated to provide a valuable insight.

研究动机与目标

• 为应对因频繁访问热门内容而带来的网络负载增长，通过在用户设备上缓存内容来加以缓解。
• 通过在多信道蜂窝环境中实现D2D通信与频谱共享的叠加模式，提升频谱效率并减轻回传链路负载。
• 在异构网络中，对缓存存储、内容热门程度与请求密度对系统性能的影响进行建模与分析。
• 设计一种认知接入协议，使D2D发射机可根据其频谱感知区域（SSR）感知并接入空闲的蜂窝信道。
• 利用具有优先级的离散时间多服务器队列，对基站（BS）与D2D对的请求服务过程进行建模，以表征系统中的时延与队列长度分布。

提出的方法

• 将基站（BS）与D2D发射机（TX）的位置建模为相互独立的泊松点过程（PPPs），以表示其随机的空间部署。
• 将服务排队过程建模为具有优先级的离散时间多服务器队列，其中BS与D2D TX以不同优先级处理请求。
• 在每个D2D TX周围定义一个频谱感知区域（SSR），利用叠加式频谱感知技术检测空闲的蜂窝信道。
• 利用随机几何方法分析SSR内基站与D2D TX的数量，以评估干扰水平与接入机会。
• 通过在排队模型中将请求到达与离开建模为随机过程，推导出时延与队列长度的概率质量函数（PMF）。
• 将内容热门程度与缓存存储容量整合进排队模型，以评估其对系统性能的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缓存增强型认知D2D网络中，D2D设备上的内容缓存如何影响时延与队列长度？
• RQ2 内容热门程度对异构网络中缓存增强型D2D通信性能有何影响？
• RQ3 请求密度与缓存存储容量如何影响系统将流量从基站卸载的能力？
• RQ4 当基站与D2D对均参与请求服务时，具有优先级的多服务器队列中时延与队列长度的分布是怎样的？
• RQ5 D2D发射机的认知频谱感知能力如何影响流量卸载机会的可用性与可靠性？

主要发现

• 推导出了时延与队列长度的概率质量函数（PMF），从而能够精确刻画在随机请求动态下的系统性能。
• 在D2D设备上缓存热门内容可显著减轻基站负载，并降低网络端到端时延。
• 更高的内容热门程度会提高D2D卸载的成功率，从而提升整体系统吞吐量并减少回传链路使用。
• 更高的请求密度会导致队列长度与时延增加，但缓存机制通过减少发送至基站的请求数量，有效缓解了该影响。
• 更大的缓存存储容量可提升系统性能，通过提高D2D对中内容的可用性概率，尤其在热门内容分布高度集中时效果更显著。