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移动边缘缓存

姚晶晶，学生会员，IEEE，陶汉， 会员， IEEE， 尼尔万·安萨里， 研究员， IEEE

摘要：随着各种移动应用的广泛采用，无线网络中的流量正以指数级的速度增长，这给移动核心网络和回程链路带来了巨大的负担。移动边缘缓存使具有缓存存储的移动边缘成为可能，这是缓解此问题的一个有希望的解决方案。在本文中，我们将回顾移动边缘缓存技术的现状。我们首先概述了移动边缘缓存及其优点。然后，我们将讨论在网络中实现移动边缘缓存的位置。我们还分析了不同的缓存条件及其对缓存性能的各自影响。此外，我们比较了几个缓存方案，并讨论了它们的优缺点。我们进一步介绍了有关缓存过程的详细和深入的讨论，可以分为四个阶段，包括内容请求、探索、交付和更新。对于每个阶段，我们确定不同的问题，并审查解决这些问题的相关工作。最后，我们介绍了当前移动边缘缓存体系结构和进一步研究技术所面临的许多挑战。

索引术语：移动边缘计算，移动边缘缓存，5G，内容管理，内容交付

1 引言

如今，由于无处不在的移动服务、无处不在的社交网络和资源密集型应用程序，移动数据流量正经历着爆炸式增长。根据思科[1]的数据，预计未来十年移动数据流量将增长500倍。据估计，到2020年，移动用户将在一年内下载大约1TB的数据[2]。移动流量的增加主要是由移动设备的新兴应用引起的，如物联网（IoT）、车辆互联网（IoV）、电子医疗、机器到机器（M2M）通信和虚拟/增强现实，这些应用要求更高的网络吞吐量和更严格的网络延迟[3]。这些用例加速了第五代（5G）无线网络在网络容量和延迟方面的标准化进程，而当前第四代（4G）无线网络无法满足这一进程[4]。5G无线网络计划到2020年实现标准化，与4G网络相比，5G无线网络的容量将高出 1000倍，网络延迟不到1毫秒[5].

5G的主要标准化机构包括第三代合作项目（3GPP）（该项目提供完整的系统规范，包括核心网络、无线接入网络和服务能力

J. Yao和N.Ansari在高级网络实验室，海伦和约翰C.哈特曼电气和计算机工程系，新泽西州纽瓦克理工学院，新泽西州07102美国（电子邮件：jy363@njit.edu;nirwan.ansari@njit.edu）。

T. Han 在北卡罗来纳大学夏洛特分校电气和计算机工程系工作，北卡罗来纳州夏洛特市，美国 NC 28223（email:than3@uncc.edu）。

），国际电信联盟国际移动通信2020/研究组13（ITU-T IMT2020/SG13）（负责所有5G无无线电网段，包括整体网络架构、软战争和管理）、互联网工程工作队（IETF）（涵盖5G无无线电网段，包括网络切片）、欧洲电信标准协会（ETSI）（负责）网络功能虚拟化、移动边缘计算、下一代协议）和电气和电子工程师协会（IEEE）（提供WiFi和 WiMAX 标准）[6]。为了实现更低的网络延迟和更大的网络容量，无线接入网络（RAN）中的5G解决方案包括物理子帧修改、极性编码、涡轮解码、快速路径切换方法、控制通道稀疏、外环链路自适应、基于毫米波的空气接口、位置感知通信和云无线电接入网络[7]。5G核心网络解决方案包括软件定义的网络（SDN）、网络功能虚拟化（NFV） 和移动边缘计算（MEC） [7]。

图1 MCC和 MEC的体系结构

移动设备现在运行更有效、更强大的应用程序，这需要更多的计算容量、存储、带宽和能源。这些应用通常包括计算和数据密集型任务，如计算机视觉、图像处理、人脸识别、光学字符识别和增强现实。但是，由于计算、存储容量和电池寿命有限，移动设备的性能往往不足。解决这些限制的一个突出解决方案是将一些计算卸载到云[8]。此解决方案称为移动云计算（MCC）[9]，其中术语'云'是指通常位于远程数据中心的服务器集合，为移动设备提供足够的计算、存储和网络资源。

由于MCC的延迟是由核心网络、无线电接入网络（RAN）和它们之间的回程链路造成的，因此用户和云之间的长期延迟成为一项挑战。需要新的网络架构来满足MCC所需的5G无线网络所需的网络延迟。MEC建议将云服务器放置在靠近用户的位置，以提供计算和存储容量，旨在解决这一挑战[12]。图1说明了MCC和MEC的架构。由于MEC的优势，欧洲5GPPP（5G基础设施公私合作）已承认MEC是5G的关键技术之一[13]。MEC 上的 ETSI 行业规范组（ISG）已针对MEC的要求、体系结构和服务制定了规范组规范，并正在开发基础，使第三方应用和内容能够位于网络边缘[14] [16]。通过将计算任务卸载到边缘服务器而不是远程云，可以大大缩短服务响应时间，从而改善用户体验。通过回程链路的流量也可以缓解。此外，边缘服务器可以轻松获取网络状态信息（例如，无线信道条件、流量模式和用户移动模式），这些信息可以进行分析和利用，以提供更好的服务。例如，当无线信道条件较差时，边缘服务器可以分配更多的计算资源，以减少服务器的服务处理时间，从而补偿长时间的无线传输延迟。因此，总服务响应时间（即无线传输时间加服务处理时间）不会增加，服务性能将得到保证。

MEC边缘服务器不仅提供计算资源，还提供存储资源，因此可用作缓存节点来存储用户请求的流行内容。在移动边缘服务器上进行缓存称为移动边缘缓存，这也有助于缓解移动流量并减少内容传递延迟 [10]。移动边缓存由 ETSI ISG 在参考 [15] 中定义为 MEC 的应用之一。在传统的蜂窝网络中，用户内容请求由Internet内容提供商提供服务。当用户请求某些内容时，只能从远程内容服务器获取内容。用户可以多次请求一些热门内容。因此，内容提供商必须重复发送相同的内容。这不仅会导致长时间的服务延迟，而且还会注入更多的流量，从而有可能使网络中断。移动边缘缓存利用启用缓存的边缘服务器来存储常用内容，以便可以直接从缓存而不是从远程云传输这些内容。因此，可以大大减少回程链路中的流量负载。由于从远程云中填充常用内容缓存会生成到网络的额外流量，因此通常在非高峰时段（例如夜间）实现，同时在高峰时段（例如白天）使用缓存内容的请求提供服务。

在Web缓存[17]和信息中心网络（IcN）[18]、[19] 中，缓存的概念得到了很好的研究。阿里等人[17] 讨论了ICN 的现有Web缓存和预取方法。为了提高内容缓存效率，许多研究都致力于优化路径选择[23]、服务器放置[24]和内容复制策略[25]。斯切拉托等人[24]使用从社会级联中提取的地理信息优化了内容放置问题。博尔斯特等人[25]提出了在内容交付网络中最小化带宽成本的算法，并假设内容的受欢迎程度得到了给出。但是，上述缓存方案仅适用于有线网络。有线和无线网络中的缓存之间存在显著差异。由于用户移动性，无线缓存通常面临着动态流量负载的挑战。因此，网络流量与用户移动模式密切相关，因此难以预测网络流量。此外，无线信道在有限的频谱资源和共通道干扰下表现出更多的不确定性。因此，为无线网络设计缓存方案更具挑战性。

在无线网络中的缓存已在几个作品中进行了调查。汉在埃尔[20]概述了移动网络中内容交付加速的可用解决方案。但是，它们只关注内容交付，这只是缓存过程的一个方面（包括内容放置、传递和更新）。刘在el[21]讨论了无线边缘缓存中的几个问题，包括内容放置和交付。但是，他们的工作尚未完成，因为他们没有考虑缓存过程的内容更新问题。他们也没有调查缓存标准和方案。吴等人[22]讨论了移动社交设备缓存（MSDC）的研究挑战，这是移动边缘缓存的另一个方面，因为它只解决了设备到设备（D2D）缓存的问题。王等人[10]讨论了有关移动边缘网络的广泛主题，包括移动边缘计算、缓存和通信。但是，他们的工作只涉及一般缓存方案和应遵循的标准，而没有讨论缓存过程的特定阶段，而我们的工作侧重于移动边缘缓存，因此更为具体。李等人[11]调查了蜂窝网络的无线缓存技术。但是，它们只关注物理层和MAC层中的内容放置和交付策略。此外，我们还根据缓存位置、缓存条件和缓存方案提供调查。特别是，我们还讨论了流量模式、用户社交关系、用户移动模式和内容普及对缓存策略的影响。我们总结了表一中的总体相关调查文件，其中列出了我们工作中缓存的各个方面，并将我们的调查与现有调查进行比较。我们还解释我们工作的结构，并详细说明了我们的工作与图2中两个最相关的作品[10]和[11]之间的差异。标志标记表示参考 [10]，星形标记反映工作 [11]。

尽管许多工作都试图解决移动边缘缓存中的各种问题，但仍需要全面的摘要。为了填补这一空白，我们针对移动边缘缓存中问题的不同方面进行了调查。为了更好地可读性，我们总结了本文在表二中使用的所有缩写。之后，'内容'、'文件'和'数据'可互换使用，因为它们都引用可缓存的内容。请注意，MEC 对底层移动网络基础设施没有假设 [26]。MEC系统可以部署在现有的移动网络中，并通过软件升级网络功能[26]转运到未来的5G（在[27]中指定）。ETSI 白皮书 [26] 描述了在 4G 和 5G 网络中部署 MEC 系统。具体来说，在 4G 和 5G 网络中，BS 不会读取用户数据包，而是透明地将数据包传输到用户。因此，内容和缓存功能的分析通常部署在与 BS 或数据包网关同处一位置的专用服务器中。但是，我们的工作并不侧重于 MEC 的物理实施和部署。相反，我们描述了缓存策略（即内容管理策略），用于缓存流行数据的位置、内容和方式，以提高移动边缘缓存系统的性能。我们工作中调查的缓存策略，不了解不同移动网络的物理功能，应适用于当前的移动网络和未来的 5G 网络。我们总结我们的主要贡献如下。

1. 对移动边缘缓存进行了全面调查，指出移动边缘缓存的优点。
2. 关于缓存的位置，我们根据不同的缓存位置汇总相关工作。
3. 为了解决如何缓存的问题，我们根据不同的缓存条件对发布进行分类。我们还比较了几个缓存方案，并分析了它们的优缺点。
4. 我们将缓存过程分为四个阶段，包括内容请求阶段、内容探索阶段、内容交付阶段和内容更新阶段。对于每个阶段，我们确定相关问题并审查相应的出版物。
5. 我们识别和分析挑战和研究方向，以激励进一步研究。

调查的其余部分按如下方式组织。第二节概述了移动边缘计算和移动边缘缓存。第三节总结了缓存存储可以位于的可能位置。在第五节中，引入了几个缓存方案。第六节讨论了内容请求分析。第七节介绍了内容探索阶段的几个问题。内容交付问题在第八节中介绍。在第九节中，将讨论内容更新问题。第 X 节讨论了当前移动边缘缓存面临的几个挑战。第十一节结束调查。