异构蜂窝网络的无线缓存虚拟化方法研究

By shortening the distance between users and access points and thus offloading the traffic from core networks, wireless caching in heterogeneous cellular networks has been deemed the key objective in future networks. Nevertheless, due to its limited storage, wireless caching poses new challenges to the improvement of caching utility. Wireless network virtualization can jointly supervise the storage space as well as service provider, thereby sharing both the storage and content resources. This project aims to exploit the gains from the joint scheduling of storage, content as well as radio resources, study the wireless caching from the perspective of network virtualization, thereby sharing the content at different time scales. Firstly, we will analyze the law between caching and user preference as well as mobility, reveal the contradiction between network virtualization and resource allocation, and then build the virtualization-based wireless caching framework. Secondly, we will predict the user preference by leveraging the transfer learning, explore the relationship between content placement, caching revenue, caching overhead and network isolation, achieve the network virtualization with maximum caching utility, and enable the content sharing at the large time scale. Finally, we will explore the contact time in content transmission with inter-contact model, design the content exchanging strategy to optimize the resource allocation utility, and enable the content sharing at the small time scale. Aforementioned research issues in this project will provide supports and new ideas for the efficient resource management of mobile communication systems.

异构蜂窝网络的无线缓存可拉近用户和访问节点间距离，有效卸载核心网业务，是未来网络发展的重点目标，其存储容量的受限性，给缓存效用提升带来新的挑战。网络虚拟化技术通过对存储空间和服务提供商的统一管理，可实现存储和内容资源的双重共享。本项目旨在挖掘网络中存储、内容和无线资源的联合调度增益，从资源虚拟化角度研究无线缓存方法，实现内容资源在不同时间尺度共享。首先分析用户偏好和移动性等因素与缓存的相关规律，揭示网络虚拟化与资源分配时间尺度上的矛盾性，搭建缓存虚拟化模型；然后基于迁移学习理论预测用户偏好，探索内容放置、缓存收益、缓存开销和网络隔离间的耦合关系，设计最大化缓存效用的虚拟网络构建方法，实现内容资源的大时间尺度共享；最后运用联络间隔模型，探索内容传输联络时机，设计内容交互策略以优化资源分配效用，完成内容资源的小时间尺度共享。本项目的研究可为实现移动通信系统的高效资源管理提供理论支撑和崭新思路。

本项目在执行期间，针对异构蜂窝网络和移动边缘网络，开展了对无线缓存虚拟化、网络切片、服务功能链部署和干扰管理的相关研究，分别提出了异构蜂窝网络中基于干扰对齐的全双工自适应功率分配、异构蜂窝网络中联合无线多播的缓存虚拟化、移动边缘网络中联合无线多播的服务功能链部署和移动边缘网络中基于无线感知的服务功能链部署这四种管理方法。.首先，针对无线频谱稀缺的网络场景，本项目为实现虚拟缓存网络的空域隔离，分别设计了干扰对齐和无线多播这两种干扰管理机制，在保障用户服务质量的基础上，降低了网络运行开销并提升了网络吞吐量，研究成果为运营商的缓存网络部署提供了有效的理论支撑。其次，本项目实现了网络虚拟化从异构蜂窝网络到移动边缘网络的过渡，不仅实施单一缓存功能的优化，而且实现了缓存、计算、安全、域名解析和信号处理等一系列服务功能的部署，进而为边缘网络中服务功能链部署提供了一种高效管理模式。再次，利用深度强化学习理论，本项目进一步考虑了网络资源的动态特性，实现了网络虚拟化从单时隙场景到动态场景的过渡，有效降低了端到端服务时延，进而提供了一种快速在线的服务功能链部署方法，研究成果为运营商实现网络切片场景、提供多种服务机制提供了有效的理论支撑。最后，基于单智能体的演员-评论家框架将为未来研究工作中搭建多智能体强化学习框架奠定实验平台基础。.项目执行期间，项目组发表了高水平学术论文8篇，其中SCI收录5篇，通信学报收录1篇，EI国际会议收录2篇；申请国家发明专利4项，已授权1项；负责人获得校优秀青年教师和校青年科技新星人才称号，担任陕西高校青年创新团队核心成员；指导学生参加竞赛，获得省部级一等奖1项，校一等奖2项，校三等奖1项；协助培养了博士研究生2名，硕士研究生7名。