计算存储感知的移动网络容量理论与资源管理关键技术研究

By taking advantage of abundant computing and caching resources within wireless networks, computing- and caching-enabled mobile networks is one way to solve the bottleneck of wireless massive content delivery. Based on the development of source-network-device, this project designs the mobile network to exploit the computing and caching resources and investigates the heterogeneous capacity, the transmission scheme and resource allocation. In summary, the main works of this project can be categorized as follows:.(1).to propose a computing- and caching-enabled wireless converged network. The network capacity is derived and the tradeoff between communications and caching is also illustrated. The optimal transmission scheme and the content caching scheme is discussed in this project..(2).to exploit the communication-computing-caching resource in the heterogeneous network and derive the throughput. We also analysis the relationship between computing and communications, caching and communications. We jointly optimize the transmission scheme and content caching scheme to obtain the communications gai..(3).to design the transmission and content caching scheme for the VoD systems based on the devices’ caching..The achievements of this project will be of great benefit for practical applications of computing- and caching- enabled mobile networks.

通过挖掘网络及节点中丰富的计算和存储资源，计算存储感知的移动网络可有效帮助解决无线海量信息传输瓶颈。本课题紧抓源（内容集聚）-网（异构多集）-端（存储）的演进趋势，将计算和存储资源融入移动网络设计中，在理论-机制-算法三个层面上解决利用计算存储资源后网络的容量极限、通信-计算-存储融合机理和网络资源分配等关键问题。具体概况为: (1)探索运用计算与存储资源的无线融合网络机制，推导存储约束下的网络容量，揭示通信与存储的折中关系，优化设计网络传输与终端存储机制；(2)挖掘蜂窝异构网络的通信-计算-存储多维资源，推导计算约束下的网络吞吐量，分析计算与存储对网络吞吐量的制约关系，提出计算约束下析取通信增益的内容存储最优策略；(3)面向视频点播业务，开展基于终端存储下按需传输和周期轮播传输的传输机制和存储分配联合优化设计，使其能最大程度降低带宽消耗。相关成果将为计算存储感知的移动网络应用提供参考。

本课题项目研究内容按照任务书计划顺利开展并圆满地完成。具体工作可概括为三个方面：.（一）.主要研究内容.本项目从理论置换、机制设计与优化算法三方面，深入研究移动网络下通信、计算与存储融合下的容量极限以及资源优化分配技术。.1）在理论置换上，针对无线融合网络，推导了用户缓存有限下网络容量的容量表达式；针对无线缓存异构网络，推导了引入缓存后网络的平均吞吐量；针对无线缓存异构网络，推导了基站存储资源与基站布置密度的折中关系；针对移动边缘网络，揭示了基站通信能力、终端存储能力与终端计算能力的折中关系。.2）在机制设计上，提出了一种利用移动VR 设备计算和存储资源的MEC架构，通过对通信、计算和存储资源的联合优化设计，在保证时延要求下最小化无线通信资源消耗；设计了了利用用户缓存能力进行安全传输的通信机制；结合MEC 与中继技术提出移动中继边缘计算系统，在中继节点侧部署MEC服务器，设计了移动边缘计算网络节点选择策略。.3）在优化算法上，针对无线视频点播系统，对用户缓存与无线传输机制联合进行优化设计，使得用户服务质量最大化；基于D2D通信的社交网络下用户存储策略最优设计；无线VR 传输系统中的最优带宽分配策略。.（二）重要结果.1).相关研究成果获得2019年IEEE通信学会亚太区杰出论文奖；.2).共发表38篇学术论文，其中IEEE期刊论文16篇，EI 刊源论文22篇；.3).获得中国发明授权专利8项；.4).培养博士生3名，硕士生8名;.5).在IEEE Access上发起关于5G网络中的无线缓存技术专刊，在国内外引起强烈反应。.（三）科学意义.1) 研究成果已在无线通信领域的国际顶级期刊IEEE Trans. Wireless Commun、IEEE Trans. Communications和国际顶级会议IEEE ICC、IEEE GLOBECOM、 IEEE ISIT 、IEEE INFOCOM等共计发表论文38篇，受到了包括美国三院院士、普林斯顿大学Vincent Poor教授，中国工程院张平院士等国内外知名专家的引用与关注。.2) 研究成果获发明专利8项，为未来应用奠定基础。