CN106302745B - 基于缓存和冗余消除的上行链路小基站内容调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于缓存和冗余消除的上行链路小基站内容调度方法，包括步骤1：建立一个以内容为中心的多用户上行小区网络；步骤2：等待时隙开始，在时隙开始时，所有用户向小基站发送内容数据；步骤3：在时隙结束后，小基站进行内容冗余检测和消除；步骤4：通过小基站判断是否需要调度上传；若需要调度上传，则执行步骤5；若无需调度上传，则返回执行步骤2；步骤5：通过小基站运行调度算法，将需要调度上传的数据发送至宏基站，并判断是否结束流程，若是，则结束流程，若否，则返回执行步骤2。本发明改善了小基站的发送效率，缓解了无线回程链路的负载压力，提升了有效带宽。

Description

基于缓存和冗余消除的上行链路小基站内容调度方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体地，涉及一种基于缓存和冗余消除的上行链路小基站内容调度方法。

背景技术

随着智能手机和平板电脑等智能设备的普及，人们利用移动设备进行大量的数据上传越来越流行，比如利用移动应用YouTube、Facebook等将生活事件(例如用户生成内容或者是流行的图片和视频)上传到社交网络，或者是将备份数据上传到数据中心。此外，移动设备的存储限制和逐渐涌现的基于云端服务的应用也加速了这种上传趋势。大量的数据上传不仅促进了移动数据流量前所未有的增长，也给无线网络特别是无线回程链路造成了很大传输压力。为了解决移动数据流量爆发式的增长，已有很多研究是针对以内容为中心网络(Content-Centric Networks,CCNs)的基于缓存技术的内容下载问题，但是鲜有研究人员考虑基于缓存技术的内容上传。在内容的上行传输中存在很多限制。首先，蜂窝网络中的上行和下行链路的带宽资源是不对称的，文献表明非对称下行链路的带宽高出上行链路带宽10到1000倍。较少的带宽导致了较低的上行链路吞吐量，因此导致较长的上传时间和较差的用户体验。此外，移动设备的发送功率和电池容量等资源也是受限的。因此，研究上传机制来改善用户体验和缓解网络的上传流量负载不仅迫切而且具有挑战性。

在数据流量中常会有冗余存在。例如，通过视频编辑工具对流行视频文件进行复制、修改和重新上传变得很普遍，而有文献表明大量的被修改的视频是在原视频上传的同一天或者一周之内进行上传。此外在密集移动社交网络中被检测到有大量的数据重复。另一方面，目前的内容可以进行模块化组装。例如，运动图像专家组(Moving PictureExperts Group,MPEG)开发了一种新的媒体传输标准MMT(MPEG Media Transport)，一个MMT数据包就是一个逻辑实体(logical entity)，由多个MMT内容块(MMT assets)和一些数据合并和传输的辅助信息组成(例如Composition Information(CI)和Asset DeliveryCharacteristics(ADCs))。内容的模块化使内容的形成和获取更加灵活，并且为文件之间出现冗余提供了更大的可能性。目前，去重消除技术已经得到广泛研究，主要包括文件级和块级重复消除技术。文件级重复消除技术只能检测整文件之间是否重复，而块级重复消除技术可以检测到相似文件之间的冗余。

现有技术中已有考虑基于缓存的内容上传问题，例如有文献研究了实时视频和时移点播视频的联合上传优化，但是考虑的是移动设备端存在缓存，并且调度算法依赖于消费终端的视频类型以及视频播出时间的信息反馈。此外有文献考虑将缓存放置在附近的WiFi访问点(Access Points)，将传统的内容上传分为两个阶段，先将内容上传并缓存在WiFi访问点，然后WiFi访问点在合适的时间将内容上传到核心网络。但涉及蜂窝小区网络中基于缓存的内容上传并没有相关技术，并且之前文献并没有研究需要多少缓存空间以及缓存的内容如何调度上传等问题。

在多用户上行蜂窝网络中，用户上传的内容先发送并缓存到附近的小基站(SmallBase Station,SBS)，然后小基站在合适的时间将缓存的内容上传到宏基站(Macro BaseStation,MBS)，进而宏基站将内容上传到核心网络。关于小基站如何调度上传缓存的内容尚没有相关研究。针对该问题，本发明提出一种基于缓存和冗余消除的上行链路小基站内容调度方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于缓存和冗余消除的上行链路小基站内容调度方法。

根据本发明提供的基于缓存和冗余消除的上行链路小基站内容调度方法，包括如下步骤：

步骤1：建立一个以内容为中心的多用户上行小区网络；

步骤2：等待时隙开始，在时隙开始时，所有用户向小基站发送内容数据；

步骤3：在时隙结束后，小基站进行内容冗余检测和消除；

步骤4：通过小基站判断是否需要调度上传；若需要调度上传，则执行步骤5；若无需调度上传，则返回执行步骤2；

步骤5：通过小基站运行调度算法，将需要调度上传的数据发送至宏基站，并判断是否结束流程，若是，则结束流程，若否，则返回执行步骤2。

优选地，所述步骤1包括：假设用户具有文件级去重能力，即当需要上传的内容已存在于目的服务器或者小基站时用户无需重复上传；构建包含相互独立的块内容的集合

记为：

其中：f₀表示用户不上传内容，f₁表示第1个块内容，f_F表示第F个块内容，f_j表示第j个块内容，j的取值范围为{0,1,2,…,F}；

具体地，第j个块内容大小记为l_j，集合

中最大块内容的长度记为l_max，请求上传第j个块内容的概率记为p_j，即内容流行度；每个时隙长度为T_s，所有的块内容上传持续时间固定为T_s，且内容在小基站的缓存时延的上限记为t_d，t_d＝n_dT_s，其中n_d为整数。

优选地，所述步骤2中所有用户向小基站发送的内容数据是根据内容的流行度从块内容的集合

中选取得到，并且不同时隙不同用户之间上传数据是相互独立的过程。

优选地，所述步骤3包括：假设包含K个用户，以下标{1，…,k,…,K}表示，其中下标k表示第k个用户；在每一个时隙结束，小基站将最近时隙内接收到的内容与已缓存在小基站的内容进行对比检测，判断是否存在重复，

若在最近时隙内接收的内容与已缓存的内容重复，则小基站删除最近时隙内接收的内容，保留该内容较早缓存的版本；

若最近时隙内接收的内容与已缓存的内容之间没有重复，而最近时隙内接收的内容之间存在重复，那么只保留具有最小下标k的用户上传的内容版本。

优选地，所述步骤4中判断是否需要调度上传的依据如下：

若当前状态满足以下条件中的任意一个时，执行步骤5，否则执行步骤2；

条件1：小基站缓存内容在当前时隙结束时存在到期内容，即内容的容忍时延t_d耗尽；

条件2：当前状态满足以下公式：

式中：K表示用户总数，n表示当前时隙为第n个时隙；d_k,n+1表示第k个用户在第(n+1)个时隙将要上传的发送速率；S表示小基站的缓存空间大小；

表示小基站在当前时隙结束时已经使用的缓存空间；

表示当前时隙结束时小基站的缓存状态，其中i≤n，下标i表示状态

指示的内容是用户k在第i个时隙上传的；

表示内容

的大小，

表示第k个用户在第i_n个时隙发送的内容；

将第k个用户在第i个时隙发送的内容记为f_k,i，若f_k,i在第n个时隙结束时还缓存于小基站中，则令

否则

令i_n＝n-n_d+1，若用户在第i_n个时隙发送的内容没有被调度上传，则在第n个时隙结束时容忍时延到期，其中：当i_n≤0时，

优选地，所述步骤5包括：

步骤5.1：若所述步骤4中的当前状态只满足条件1，则将容忍时延到期的内容上传到宏基站后执行步骤2；

若所述步骤4中当前状态只满足条件2，则执行步骤5.2；

若所述步骤4中当前状态同时满足条件1和条件2，则执行步骤5.3；

步骤5.2：求解如下0-1背包问题：

式中：

表示针对当前时隙结束时缓存在小基站的内容f_k,i的调度结果，如果内容f_k,i被选择继续缓存在小基站，则

否则

其中

的值为零表示在当前时隙结束时开始上传内容f_k,i；i₀＝max{1,i_n+1}；p_k,i表示内容f_k,i的流行度；

w_k,i表示内容f_k,i的大小；

表示内容f_k,i在剩余的容忍时延[n_d-(n-i+1)]T_s内至少被发送一次的概率；

将0-1背包问题的解

的内容开始上传到宏基站后，执行步骤2；

步骤5.3：当i_n≥1并存在

时，则令

然后求解如下0-1背包问题：

对于当前时隙结束时所有小基站中的缓存内容，如果

则将内容f_k,i继续缓存在小基站中，如果

则该内容被上传到宏基站后执行步骤2。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提出了一种应用在蜂窝小区网络的基于缓存和冗余消除的无线内容上传系统模型，改善了小基站的发送效率，缓解了无线回程链路的负载压力，提升了有效带宽。

2、本发明基于未来用户上传请求的概率知识提出了一种小基站内容调度方法，进一步提升了小基站的发送效率。

3、本发明提出的内容调度方法可以为系统参数设计提供有价值的建议，例如缓存空间大小和容忍时延。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的多用户上行小区网络模型示意图；

图2为本发明提供的上行链路小基站内容调度方法流程框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的基于缓存和冗余消除的上行链路小基站内容调度方法，包括如下步骤：

步骤1：建立一个以内容为中心的多用户上行小区网络；

步骤2：等待时隙开始，在时隙开始时，所有用户向小基站发送内容数据；

步骤3：在时隙结束后，小基站进行内容冗余检测和消除；

步骤4：通过小基站判断是否需要调度上传；若需要调度上传，则执行步骤5；若无需调度上传，则返回执行步骤2；

步骤5：通过小基站运行调度算法，将需要调度上传的数据发送至宏基站，并判断是否结束流程，若是，则结束流程，若否，则返回执行步骤2。

所述步骤1包括：假设用户具有文件级去重能力，即当需要上传的内容已存在于目的服务器或者小基站时用户无需重复上传；

由于资源限制，用户没有文件分块能力。考虑相互独立的块内容集合

f₀表示用户不上传内容，块文件f_j大小为l_j，其中最大文件长度为l_max。f_j流行度为p_j，表示请求上传内容f_j的概率。考虑每个时隙长度为T_s，所有的块内容上传持续时间固定为T_s。考虑内容时延网络，即所有上传到小基站的内容可以容忍的缓存时延为t_d＝n_dT_s，其中n_d为整数。

具体地，如图1所示：K个用户通过无线传输上传内容到小基站，小基站通过无线回程链路连接到宏基站，宏基站通过有线连接到核心网络。小基站缓存大小为S，假设S≥K·l_max。

所述步骤2中所有用户向小基站发送的内容数据是根据内容的流行度从文件集合

中选取得到，并且不同时隙不同用户之间上传数据是相互独立的过程。

所述步骤3包括：在每一个时隙结束，小基站将最近时隙内接收到的内容与已缓存在小基站的内容进行对比检测是否存在重复，如果最近时隙内接收的内容与已缓存的内容重复，则小基站删除最近时隙内接收的内容，保留该内容较早缓存的版本。如果最近时隙内接收的内容与已缓存的内容之间没有重复，而最近时隙内接收的内容之间存在重复，那么只保留用户下标k最小的用户上传的内容版本，删除其他重复内容版本。

具体地，如图2所示，图中给出了上行链路小基站针对缓存内容的调度方法。

所述步骤4包括：小基站判断是否需要调度上传；具体地，如果当前状态满足以下两个条件中的任意一个或同时满足，则进入步骤5进行内容的调度上传，否则进入步骤2进行下一个时隙。

条件1：小基站缓存内容在当前时隙结束时存在到期内容，即内容的容忍时延t_d耗尽。

条件2：当前状态满足以下公式：

其中n表示当前时隙为第n个时隙；d_k,n+1表示用户k在下个时隙将要上传的发送速率；

表示小基站在当前时隙结束时已经使用的缓存空间；

表示当前时隙结束时小基站的缓存状态，如果用户k在第i个时隙发送的内容(该内容也用f_k,i表示)在第n个时隙结束时仍然缓存于小基站，则

否则

i_n＝n-n_d+1，第i_n个时隙发送的内容如果没有被调度上传，则在第n个时隙结束时容忍时延到期，注意当i_n≤0时，

表示内容

的大小。

所述步骤5包括：

步骤5.1：如果在所述步骤4中当前状态只满足条件1，则将容忍时延到期的内容开始上传到小基站，然后进入步骤2；否则进入步骤5.2；

步骤5.2：如果在所述步骤4中当前状态满足条件2，则求解如下0-1背包问题:

其中，

表示针对当前时隙结束时缓存在小基站的内容f_k,i的调度结果，如果内容f_k,i被选择继续缓存在小基站，则

否则

表示在当前时隙结束时开始上传该内容；i₀＝max{1,i_n+1}；p_k,i表示内容f_k,i的流行度；

w_k,i表示内容f_k,i的大小。

表示内容f_k,i在剩余的容忍时延[n_d-(n-i+1)]T_s内至少被发送一次的概率。注意该0-1背包问题可以用动态规划求得最优解或用贪心算法求得近似解。

此外，如果所述步骤4中当前状态同时满足条件1，即i_n≥1并存在

则

则对于当前时隙结束时所有小基站中的缓存内容，如果

则该内容(f_k,i)继续缓存在小基站，如果

则该内容开始上传到宏基站。然后进入步骤2。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种基于缓存和冗余消除的上行链路小基站内容调度方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立一个以内容为中心的多用户上行小区网络；

步骤2：等待时隙开始，在时隙开始时，所有用户向小基站发送内容数据；

步骤3：在时隙结束后，小基站进行内容冗余检测和消除；

步骤4：通过小基站判断是否需要调度上传；若需要调度上传，则执行步骤5；若无需调度上传，则返回执行步骤2；

步骤5：通过小基站运行调度算法，将需要调度上传的数据发送至宏基站，并判断是否结束流程，若是，则结束流程，若否，则返回执行步骤2；

所述步骤4中判断是否需要调度上传的依据如下：

若当前状态满足以下条件中的任意一个时，执行步骤5，否则执行步骤2；

条件1：小基站缓存内容在当前时隙结束时存在到期内容，即内容的容忍时延t_d耗尽；

条件2：当前状态满足以下公式：

式中：K表示用户总数，n表示当前时隙为第n个时隙；d_k,n+1表示第k个用户在第(n+1)个时隙将要上传的发送速率；S表示小基站的缓存空间大小；

表示小基站在当前时隙结束时已经使用的缓存空间；

表示当前时隙结束时小基站的缓存状态，其中i≤n，下标i表示状态

指示的内容是用户k在第i个时隙上传的；

表示内容

的大小，

表示第k个用户在第i_n个时隙发送的内容，T_s表示时隙长度；

将第k个用户在第i个时隙发送的内容记为f_k,i，若f_k,i在第n个时隙结束时还缓存于小基站中，则令

否则

令i_n＝n-n_d+1，若用户在第i_n个时隙发送的内容没有被调度上传，则在第n个时隙结束时容忍时延到期，其中：当i_n≤0时，

2.根据权利要求1所述的基于缓存和冗余消除的上行链路小基站内容调度方法，其特征在于，所述步骤1包括：假设用户具有文件级去重能力，即当需要上传的内容已存在于目的服务器或者小基站时用户无需重复上传；构建包含相互独立的块内容的集合

记为：

其中：f₀表示用户不上传内容，f₁表示第1个块内容，f_F表示第F个块内容，f_j表示第j个块内容，j的取值范围为{0,1,2,…,F}；

具体地，第j个块内容大小记为l_j，集合

中最大块内容的长度记为l_max，请求上传第j个块内容的概率记为p_j，即内容流行度；每个时隙长度为T_s，所有的块内容上传持续时间固定为T_s，且内容在小基站的缓存时延的上限记为t_d，t_d＝n_dT_s，其中n_d为整数。

3.根据权利要求2所述的基于缓存和冗余消除的上行链路小基站内容调度方法，其特征在于，所述步骤2中所有用户向小基站发送的内容数据是根据内容的流行度从块内容的集合

中选取得到，并且不同时隙不同用户之间上传数据是相互独立的过程。

4.根据权利要求1所述的基于缓存和冗余消除的上行链路小基站内容调度方法，其特征在于，所述步骤3包括：假设包含K个用户，以下标{1，…,k,…,K}表示，其中下标k表示第k个用户；在每一个时隙结束，小基站将最近时隙内接收到的内容与已缓存在小基站的内容进行对比检测，判断是否存在重复；

若在最近时隙内接收的内容与已缓存的内容重复，则小基站删除最近时隙内接收的内容，保留该内容较早缓存的版本；

若最近时隙内接收的内容与已缓存的内容之间没有重复，而最近时隙内接收的内容之间存在重复，那么只保留具有最小下标k的用户上传的内容版本。

5.根据权利要求1所述的基于缓存和冗余消除的上行链路小基站内容调度方法，其特征在于，所述步骤5包括：

步骤5.1：若所述步骤4中的当前状态只满足条件1，则将容忍时延到期的内容上传到宏基站后执行步骤2；

若所述步骤4中当前状态只满足条件2，则执行步骤5.2；

若所述步骤4中当前状态同时满足条件1和条件2，则执行步骤5.3；

步骤5.2：求解如下0-1背包问题：

式中：

表示针对当前时隙结束时缓存在小基站的内容f_k,i的调度结果，如果内容f_k,_i被选择继续缓存在小基站，则

否则

其中

的值为零表示在当前时隙结束时开始上传内容f_k,i；i₀＝max{1,i_n+1}；p_k,i表示内容f_k,i的流行度；

w_k,i表示内容f_k,i的大小；

表示内容f_k,i在剩余的容忍时延[n_d-(n-i+1)]T_s内至少被发送一次的概率；

将0-1背包问题的解

的内容开始上传到宏基站后，执行步骤2；

步骤5.3：当i_n≥1并存在

时，则令

然后求解如下0-1背包问题：

对于当前时隙结束时所有小基站中的缓存内容，如果

则将内容f_k,i继续缓存在小基站中，如果

则该内容被上传到宏基站后执行步骤2。

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