无线网络的缓存机制与任务卸载策略研究

作     者：梁琼芳 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘元

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：星地网络 云边端网络 缓存机制 任务卸载 

摘      要：随着第五代移动通信(5G)技术的发展,用户享受到了更高质量的网络接入服务。但当今世界上仍有部分用户无法接入互联网,这些用户大多处于不发达或偏远地区,因为其部署地面基础设施成本高或地形条件恶劣而难以部署。借助卫星不受地形影响、广域覆盖的优势,近地低轨(Low Earth Orbit,LEO)卫星网络能为无法部署陆地网络的区域提供互联网接入服务。然而,由于LEO卫星的高动态性,如何结合缓存技术优化LEO卫星传输文件性能仍是一个关键问题。同时,大量新兴应用也伴随着5G的商用而涌现出来,对时延、能耗等性能指标提出了更高的要求,这超出了终端设备的能力范围。移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)技术应运而生,它将计算能力从云端下沉到网络边缘侧,在边缘网络侧为终端提供高可靠低时延的计算服务。其中,资源分配和计算卸载直接影响MEC网络的计算时延和处理能力,是MEC的关键研究问题。本文对无线网络的缓存机制与任务卸载策略进行研究,基于不同的场景,分为星地网络的缓存机制与云边端网络的任务卸载策略这两个研究方面来开展。具体工作如下:第一,在多个动态的LEO卫星组成的网络架构中,本文以用户获取文件的平均时延为目标函数,构建了受到用户与卫星通信时间限制以及文件完整性约束条件下的卫星联合优化文件缓存放置和调度的最小化问题。本文提出了最优算法和低复杂度的贪婪算法分别对问题求解,最后仿真验证了所提策略可以有效降低用户获取文件的平均时延。第二,对于采用放大转发协议的星地中继网络,本文考虑将文件缓存到卫星节点上,假设双跳星地链路的信道均服从阴影莱斯衰落,分析并推导最流行的内容缓存和统一的内容缓存方案下的星地中继网络的中断概率。最后,以无缓存方案作比较,仿真验证了基于缓存的星地中继网络可以实现更低的中断概率。第三,针对云服务器将用户订阅的卸载服务外包给多个边缘服务器的情况,本文考虑云边端网络下的任务卸载和资源分配的激励机制。即用户向云订阅卸载服务,云将用户的卸载服务委托给边缘服务器来完成。本文提出了一个两层的动态博弈框架来分析云边端之间的信息交互。在下层博弈,用户的卸载决策被建模为一个进化博弈,采用复制动态方程进行分析并证明了进化均衡的存在性和唯一性;在上层博弈中,将云的定价和边缘服务器的资源分配策略建模为Stackelberg微分博弈,采用逆向归纳法和庞特里亚金最大值原理推导出了最优策略。最终仿真结果验证了本文所设计的激励机制的有效性。