Подход к анализу систем D2D

Подход к анализу систем D2D
Предлагаемый здесь подход к анализу рассматривает сотовую систему связи на лицензированных частотах, которая взаимодействует с множеством соединений D2D в нелицензированном спектре для обеспечения более эффективного обслуживания данных от абонентских терминалов.
Предполагается, что передаваемый трафик соответствует сессиям реального времени с минимальной требуемой скоростью передачи данных 𝑟. Для каждой сессии 𝑖 вводится передающий терминал 𝑇𝑖, который становится источником данных, и принимающий терминал 𝑅𝑖, являющийся соответствующим получателем.
В силу использования неперекрывающихся частотных диапазонов, передачи абонентов в двух введенных слоях не интерферируют между собой, тогда как каждый 𝑇𝑖 может отправлять свои данные 𝑅𝑖 либо через сотовый слой (инфраструктурное соединение), либо через слой D2D (прямое соединение), как показано на рисунке 3.3. Для упрощения последующих рассужденийздесь рассматривается только передача данных, которая предназначена для получения непосредственными D2D-партнерами.

Рисунок 3.3 — Модель выгрузки сотового трафика на соединения D2D
Использование прямой связи D2D между абонентскими терминалами, расположенными в непосредственной близости друг к другу, представляет собой в этом контексте привлекательную альтернативу для разгрузки сотовых соединений без возникновения дополнительных издержек на стороне оператора. D2D предлагают более высокую скорость передачи данных, более низкую задержку доступа и повышенную энергетическую эффективность.
Их многочисленные приложения были рассмотрены выше. При наличии сетевого содействия рассматриваемая система D2D может автоматизировать обнаружение целевых устройств/услуг и установление соединения, а также обеспечить безопасность связи D2D даже для тех пользователей, которые находятся вне социальных сфер друг друга. Таким образом, использование прямых соединений с сетевым содействием открывает новые возможности для взаимодействия абонентов, в том числе незнакомых друг другу ранее. Однако необходимо дополнительное исследование практической работы системы обмена данными D2D, учитывающее фактическое размещение целевого контента.
Поскольку мобильность абонентов может привести к непредсказуемым и краткосрочным контактам между их терминалами, остаются сомнения относительно того, что передача контента через соединения D2D будет эффективна на практике. Далее рассматривается применение подходов, связанных с сетевым кодированием, для увеличения степени доступности целевого контента на устройствах, взаимодействующих в режиме D2D.
С момента ее введения концепция сетевого кодирования сместила акцент в проектировании систем связи с принципа .сохранить и передать. в сторону принципа .обработать и передать . Соответственно, в отличие от классических подходов к кодированию источника или канала в сетевом кодировании любой задействованный узел может участвовать в кодировании, декодировании или перекодировании информации включая ее источник, получателя и промежуточные узлы. В недавние годы было опубликовано значительное количество работ, посвященных сетевому кодированию, по таким различным дисциплинам, как математика, физика и биология. Только в рамках теории информации спектр возможных применений сетевого кодирования огромен и включает в себя множество различных кодовых конструкций, от простейших методов на основе функции исключающего .ИЛИ. до значительно более сложных фонтанных кодов и случайного линейного сетевого кодирования RLNC.
Кроме того, были рассмотрены методы моделирования и виртуализации сетевого кодирования, а также изучено его применение в системах D2D , когда необходимо сделать упор на практических аспектах работы данной технологии.
Таким образом, на сегодняшний день были предприняты попытки применения сетевого кодирования для различных типов соединений.Данные работы рассмотрели возможность коллективного обмена файлами в системах WLAN, эффективного назначения радиоресурсов с учетом свойств D2D-соединений, а также использования сетевого кодирования на физическом уровне для улучшения связи D2D. Однако имеющиеся подходы рассматривают исключительно ранние технологии D2D при отсутствии сетевого содействия.
В этом разделе исследуется эффективность функционирования системы связи IoT при содействии со стороны LTE с возможностью сетевого кодирования (см. рисунок 5.10), что позволяет изучать динамику процессов при обмене данными по D2D с упором на обеспечение доступности контента.
На рисунке 5.10 показан пример работы системы D2D, включающей сотовую
БС и множество обслуживаемых ею абонентских терминалов. Они запрашивают, скачивают и сохраняют в своей внутренней памяти (т.н. кэше)
фрагменты закодированных данных, соответствующие различным единицам
контента. Такие фрагменты (представлены на рисунке в виде квадратов) могут быть либо загружены из сотовой сети, либо получены от других пользо вателей поблизости при помощи прямых соединений.

Рисунок 5.10- Система выгрузки данных на D2D с сетевым кодированием.
Далее демонстрируется, что использование уже простейших методов сетевого кодирования (например, RLNC) позволяет существенно увеличить степень доступности целевого контента на соседних терминалах и, тем самым, повысить долю выгруженного на D2D-соединения трафика в рамках ряда практических ограничений.
Как показано в рассмотрение систем D2D с возможностью сетевого кодирования становится все более актуальным на практике в современной структуре мобильного трафика. Действительно, передача мобильного видео впервые превысила половину общего объема передаваемых по сети данных еще в 2012 году. При этом растущая популярность услуги видео по запросу зачастую приводит к асинхронным попыткам получения объемных файлов. Данное обстоятельство не позволяет мобильным операторам использовать для этих целей синхронные механизмы, такие как широковещательная передача по LTE, и может привести к высокой загрузке. Все вышеизложенное создает предпосылки для использования абонентских терминалов в качестве промежуточных кэширующих узлов для часто востребованного контента, особенно в свете того факта, что значительную долю общего трафика составляет небольшое число популярных файлов, а доступные объемы дискового пространства возрастают быстрее, чем емкость беспроводных сетей доступа.
Вообще говоря, моделирование процесса обмена популярным контентом в кэширующих системах с возможностью взаимодействия по D2D является доста точно новым направлением. В его рамках было рассмотрено применение сетевого кодирования для хранения популярных файлов, но в основном с более теоретической точки зрения, не привязанной к конкретным радиотехнологиям.
Далее отмеченный пробел восполняется при помощи практического подхода к анализу кэширования и распределения данных по D2D с сетевым
содействием, учитывающего особенности перспективных технологий радиодоступа.
Последующее изложение ставит своей целью математическое моделирование системы D2D, в которой сетевое кодирование служит для обеспечения обмена данными между соседними терминалами, а также позволяет сделать их прямое взаимодействие более эффективным и надежным.

2.2. Моделирование прямого обмена контентом

Ниже описывается предлагаемая модель множественного доступа, которая пригодна для изучения динамического распределения контента поверх системы прямых соединений с сетевым содействием [318]. Дальнейшее изложение построено по принципу от общих замечаний к детальным допущениям относительно функционирования рассматриваемой системы с соответствующими комментариями относительно их правомерности.

Общие соображения. Здесь исследуется двухслойная гетерогенная
сеть, в которой сотовая инфраструктура в лицензированном спектре (например, 3GPP LTE) интегрирована с системой D2D на нелицензированных частотах (например, WiFi-Direct). В частности, абонентские терминалы имеют возможность либо получать свой целевой контент путем его скачивания через сотовую БС, либо устанавливать соединения D2D с расположенными поблизости партнерами для загрузки доступного контента напрямую. На практике система управления процессом распределения контента, требуемая для обеспечения эффективной работы системы D2D с сетевым содействием, может быть реализована поставщиком целевых беспроводных услуг (например, с использованием функционала ProSe сотовой сети связи ).