CN106686655B - 一种异构网络联合用户关联及内容缓存方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异构网络联合用户关联及内容缓存方法，包括：步骤1)、建模用户业务需求特性；步骤2)、构建蜂窝基站BS及WLAN接入点AP的内容缓存变量，建模限定条件；步骤3)、建模用户关联变量及限定条件；步骤4)、建模用户总传输时延；步骤5)、建模用户接入BS对应的传输时延；步骤6)、建模用户接入AP对应的传输时延；步骤7)、建模用户在BS或AP的回程链路传输对应的传输时延；步骤8)、建模用户传输数据速率及限定条件；步骤9)、基于用户总传输时延最小化，确定用户关联及缓存内容分配优化策略。本方法可以有效保障传输性能及用户体验，个性化进行内容缓存，达到用户关联及内容缓存分配最优，实现用户业务总传输时延最小化。

Description

一种异构网络联合用户关联及内容缓存方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别是异构网络资源分配技术领域，涉及一种异构网络联合用户关联及内容缓存方法。

背景技术

随着计算机、通信技术的高速发展，用户业务需求日趋多元化，下一代通信网络将朝向异构化趋势发展，并逐步走向互联互通。为满足市场需求，相继出现了种类纷呈的无线接入技术，如蜂窝网络、局域网等。由于单一无线接入技术在覆盖范围，传输速率等方面的局限，无法完全满足不同用户的业务需求，而未来通信网络将实现多种接入技术的有效融合，为用户提供多样化网络服务。

在异构融合网络场景下，随着多媒体业务需求的增长，用户对网络资源的需求日益迫切，如何综合考虑各接入技术的差异性、用户业务需求的多样性、网络资源状态的差异性及网络、用户和各类业务之间的竞争与合作关系等各种因素，设计合理有效的异构无线资源管理算法，实现网络资源的联合优化管理，是当今热点研究课题。

随着移动通信、社交网络、移动智能终端的发展，人们对高质量实时数据业务有更强烈的需求，特别是在线视频和社交业务。传统内容分发网(Content Delivery Network，CDN)远离用户，导致传输距离远和延时高。然而未来业务本地化趋势越来越明显，特别是社交网络发展使得内容分发更加边缘化、小圈子化，边缘网络的缓存受到广泛的关注。因此，边缘网络内容缓存技术能够减少网络内不必要的重复内容传输，减少回程链路的开销以及减小整个网络的传输时延，提升网络性能。

目前已有研究考虑异构网络内容缓存方案，如提出了一种分布式的内容缓存和分发策略，联合考虑内容流行程度分布，不同缓存容量和用户移动性，以实现内容检索时延降低及核心网业务流量的减少；也有研究提出了一种缓存设计方法，首先利用边缘网络用户的内容偏好的聚集效应，使用聚类算法来聚合用户和分割内容空间，从而达到降低用户维度和内容维度，并在新的用户空间和内容的维度空间，设计一个贪婪缓存算法。

以上研究通过建模特定网络性能函数，基于优化理论确定对应性能函数最优的资源分配策略，但现有研究较少综合考虑异构网络的差异性、用户业务需求的多样性以及网络资源状态的差异性等问题，难以实现网络综合性能优化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种异构网络联合用户关联及内容缓存方法，在该方法中，针对包含多个BS和多个AP的异构网络场景，假设各个BS及AP均具有内容缓存的功能，在满足用户业务需求特性条件下，建模用户总传输时延为优化目标，实现联合用户关联及缓存内容分配优化策略。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种异构网络联合用户关联及内容缓存方法，在该方法中，针对包含多个BS(BaseStation，蜂窝基站)和多个AP(Access Point，接入点)的异构网络场景，假设各个BS及AP均具有内容缓存的功能，在满足用户业务需求特性条件下，建模用户总传输时延为优化目标，实现联合用户关联及缓存内容分配优化策略；该方法具体包括：

步骤1)、建模用户业务需求特性；

步骤2)、构建蜂窝基站BS及WLAN接入点AP的内容缓存变量，建模限定条件；

步骤3)、建模用户关联变量及限定条件；

步骤4)、建模用户总传输时延；

步骤5)、建模用户接入BS对应的传输时延；

步骤6)、建模用户接入AP对应的传输时延；

步骤7)、建模用户在BS或AP的回程链路传输对应的传输时延；

步骤8)、建模用户传输数据速率及限定条件；

步骤9)、基于用户总传输时延最小化，确定用户关联及缓存内容分配优化策略。

进一步，在步骤1)中，建模用户业务需求特性，具体为用户内容需求及最小数据速率，令α_jk∈{0,1}表示用户j对内容k的需求变量，α_jk＝1表示用户j需要内容k，反之则不需要，假设每个用户在给定时段只有一个内容需求，则α_jk应满足令表示用户j传输所需内容k所要求的最小数据速率，1≤k≤K，1≤j≤N,其中，K为用户所需的内容数目，N为网络中用户数目。

进一步，在步骤2)中，假设BS及AP都具有内容缓存的功能，构建BS及AP的内容缓存变量，具体为：令δ_ijk∈{0,1}表示用户j所需内容k在BS_i或AP_i处的缓存状态，δ_ijk＝1表示用户j所需内容k缓存在BS_i或AP_i中，否则，δ_ijk＝0；令L_k为内容k的数据包长度，令K_i表示BS_i或AP_i的缓存器容量，则BS_i或AP_i缓存的内容不能超过其缓存器容量限制，即δ_ijk应满足1≤j≤N，1≤i≤M，其中，M为网络中BS及AP的总数，令M₁表示BS的数目，方便起见，BS表示为AP表示为

进一步，在步骤3)中，所述建模用户关联变量及限定条件，具体为：x_ijk∈{0,1}表示用户j所需内容k时与BS_i或AP_i的关联标识，x_ijk＝1即表示具有内容k需求的用户j接入BS_i或AP_i，否则，x_ijk＝0，且假设每个用户只能关联一个BS或AP，则

进一步，在步骤4)中，建模用户总传输时延D为所有用户业务传输时延之和，即其中，D_j为第j个用户业务传输时延；根据公式计算用户j的业务传输时延，其中，D_ijk表示有内容k需求的用户j接入BS_i或AP_i时对应的传输时延；

根据公式计算用户的传输时延，其中，表示用户接入BS_i或AP_i对应的传输时延，表示用户在BS或AP的回程链路传输对应的传输时延。

进一步，在步骤5)中，建模用户接入BS对应的传输时延，即1≤i≤M₁，根据公式计算用户接入BS的传输时延，其中，表示有内容k需求的用户j接入BS_i时对应的传输时延，表示有内容k需求的用户j接入BS_i时的排队时延；

建模有内容k需求的用户j接入BSi时对应的传输时延为：其中，1≤i≤M₁，R_ij为接入BS_i的用户j的数据传输速率；建模有内容k需求的用户j接入BS_i时的排队时延为：其中，μ_i及λ_i分别表示BSi的服务速率及业务到达速率。

进一步，在步骤6)中，建模用户接入AP对应的传输时延，即M₁+1≤i≤M，根据公式计算用户接入AP的传输时延，其中，表示有内容k需求的用户j接入AP_i时对应的传输时延，表示有内容k需求的用户j接入AP_i时的接入时延；

建模有内容k需求的用户j接入APi时对应的传输时延为：其中，M₁+1≤i≤M，R_ij为接入AP_i的用户j的数据传输速率；建模有内容k需求的用户j接入AP_i时的接入时延为：其中，及分别表示AP_i一次成功传输的时间及平均信道忙的时间，表示此刻接入AP_i的用户总数，τ_i及σ_i分别表示AP_i的用户传输概率及一个空时隙的持续时间。

进一步，在步骤8)中，建模用户传输数据速率及限定条件，具体为：根据公式计算用户j与BS_i或AP_i相连时的传输数据速率，其中，B_i表示BS_i或AP_i的带宽，p_i表示BS_i或AP_i的发送功率，g_ij表示用户j与BS_i或AP_i之间的信道增益，σ²表示噪声功率，根据公式可得用户j的数据速率，应满足

进一步，在步骤9)中，综合考虑用户业务需求、用户关联及缓存内容限定条件，基于用户总传输时延最小化，确定联合用户关联及缓存内容分配优化策略，记

本发明的有益效果在于：本发明所述方法可以有效保障传输性能及用户体验，个性化进行内容缓存，达到用户关联及内容缓存分配最优，实现用户业务总传输时延最小化。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为具有缓存功能的异构网络场景示意图；

图2为本发明所述方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为具有缓存功能的异构网络场景示意图，如图所示，该异构网络中存在多个用户，且用户位于多个BS及AP的网络覆盖区域，根据用户的内容需求与业务服务质量需求，可选择与合适的BS或AP建立关联；建模用户总传输时延为所有用户的总业务传输时延之和，基于用户总传输时延最小化实现联合用户关联及缓存内容分配最优策略。

图2为本发明所述方法的流程示意图，如图所示，本发明所述方法具体包括以下步骤：

1)建模用户业务需求特性：

具体为用户内容需求及最小数据速率，令α_jk∈{0,1}表示用户j对内容k的需求变量，α_jk＝1表示用户j需要内容k，反之则不需要，假设每个用户在给定时段只有一个内容需求，则α_jk应满足令表示用户j传输所需内容k所要求的最小数据速率，1≤k≤K，1≤j≤N,其中，K为用户所需的内容数目，N为网络中用户数目。

2)构建BS及AP的内容缓存变量，建模限定条件：

假设BS及AP都具有内容缓存的功能，构建BS及AP的内容缓存变量，具体为：令δ_ijk∈{0,1}表示用户j所需内容k在BS_i或AP_i处的缓存状态，δ_ijk＝1表示用户j所需内容k缓存在BS_i或AP_i中，否则，δ_ijk＝0；令L_k为内容k的数据包长度，令K_i表示BS_i或AP_i的缓存器容量，则BS_i或AP_i缓存的内容不能超过其缓存器容量限制，即δ_ijk应满足1≤j≤N，1≤i≤M，其中，M为网络中BS及AP的总数，令M₁表示BS的数目，方便起见，BS表示为AP表示为

3)建模用户关联变量及限定条件：

具体为：x_ijk∈{0,1}表示用户j所需内容k时与BS_i或AP_i的关联标识，x_ijk＝1即表示具有内容k需求的用户j接入BS_i或AP_i，否则，x_ijk＝0，且假设每个用户只能关联一个BS或AP，则

4)建模用户总传输时延：

具体为：建模用户总传输时延D为所有用户业务传输时延之和，即其中，D_j为第j个用户业务传输时延；根据公式计算用户j的业务传输时延，其中，D_ijk表示有内容k需求的用户j接入BS_i或AP_i时对应的传输时延。进而，根据公式计算用户的传输时延，其中，表示用户接入BS_i或AP_i对应的传输时延，表示用户在BS或AP的回程链路传输对应的传输时延。

5)建模用户接入BS对应的传输时延：

具体为：建模用户接入BS对应的传输时延，即1≤i≤M₁，根据公式计算用户接入BS的传输时延，其中，表示有内容k需求的用户j接入BS_i时对应的传输时延，表示有内容k需求的用户j接入BS_i时的排队时延。进而，建模有内容k需求的用户j接入BSi时对应的传输时延为：其中，1≤i≤M₁，R_ij为接入BS_i的用户j的数据传输速率；建模有内容k需求的用户j接入BS_i时的排队时延为：其中，μ_i及λ_i分别表示BSi的服务速率及业务到达速率。

6)建模用户接入AP对应的传输时延：

具体为：建模用户接入AP对应的传输时延，即M₁+1≤i≤M，根据公式计算用户接入AP的传输时延，其中，表示有内容k需求的用户j接入AP_i时对应的传输时延，表示有内容k需求的用户j接入AP_i时的接入时延。进而，建模有内容k需求的用户j接入APi时对应的传输时延为：其中，M₁+1≤i≤M，R_ij为接入AP_i的用户j的数据传输速率；建模有内容k需求的用户j接入AP_i时的接入时延为：其中，及分别表示AP_i一次成功传输的时间及平均信道忙的时间，表示此刻接入AP_i的用户总数，τ_i及σ_i分别表示AP_i的用户传输概率及一个空时隙的持续时间。

7)建模用户传输数据速率及限定条件：

具体为：根据公式计算用户j与BS_i或AP_i相连时的传输数据速率，其中，B_i表示BS_i或AP_i的带宽，p_i表示BS_i或AP_i的发送功率，g_ij表示用户j与BS_i或AP_i之间的信道增益，σ²表示噪声功率，根据公式可得用户j的数据速率，应满足

8)基于用户总传输时延最小化，确定用户关联及缓存内容分配优化策略：

综合考虑用户业务需求、用户关联及缓存内容限定条件，基于用户总传输时延最小化，确定联合用户关联及缓存内容分配优化策略，记

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.一种异构网络联合用户关联及内容缓存方法，其特征在于：在该方法中，针对包含多个BS(Base Station，蜂窝基站)和多个AP(Access Point，接入点)的异构网络场景，假设各个BS及AP均具有内容缓存的功能，在满足用户业务需求特性条件下，建模用户总传输时延为优化目标，实现联合用户关联及缓存内容分配优化策略；该方法具体包括：

步骤1)、建模用户业务需求特性；

步骤2)、构建蜂窝基站BS及WLAN接入点AP的内容缓存变量，建模限定条件；

步骤3)、建模用户关联变量及限定条件；

步骤4)、建模用户总传输时延；

步骤5)、建模用户接入BS对应的传输时延；

步骤6)、建模用户接入AP对应的传输时延；

步骤7)、建模用户在BS或AP的回程链路传输对应的传输时延；

步骤8)、建模用户传输数据速率及限定条件；

步骤9)、基于用户总传输时延最小化，确定用户关联及缓存内容分配优化策略；

在步骤1)中，建模用户业务需求特性，具体为用户内容需求及最小数据速率，令α_jk∈{0,1}表示用户j对内容k的需求变量，α_jk＝1表示用户j需要内容k，反之则不需要，假设每个用户在给定时段只有一个内容需求，则α_jk应满足令表示用户j传输所需内容k所要求的最小数据速率，1≤k≤K，1≤j≤N,其中，K为用户所需的内容数目，N为网络中用户数目；

在步骤2)中，假设BS及AP都具有内容缓存的功能，构建BS及AP的内容缓存变量，具体为：令δ_ijk∈{0,1}表示用户j所需内容k在BS_i或AP_i处的缓存状态，δ_ijk＝1表示用户j所需内容k缓存在BS_i或AP_i中，否则，δ_ijk＝0；令L_k为内容k的数据包长度，令K_i表示BS_i或AP_i的缓存器容量，则BS_i或AP_i缓存的内容不能超过其缓存器容量限制，即δ_ijk应满足1≤j≤N，1≤i≤M，其中，M为网络中BS及AP的总数，令M₁表示BS的数目，方便起见，BS表示为AP表示为

在步骤3)中，所述建模用户关联变量及限定条件，具体为：x_ijk∈{0,1}表示用户j所需内容k时与BS_i或AP_i的关联标识，x_ijk＝1即表示具有内容k需求的用户j接入BS_i或AP_i，否则，x_ijk＝0，且假设每个用户只能关联一个BS或AP，则

在步骤4)中，建模用户总传输时延D为所有用户业务传输时延之和，即其中，D_j为第j个用户业务传输时延；根据公式计算用户j的业务传输时延，其中，D_ijk表示有内容k需求的用户j接入BS_i或AP_i时对应的传输时延；

根据公式计算用户的传输时延，其中，表示用户接入BS_i或AP_i对应的传输时延，表示用户在BS或AP的回程链路传输对应的传输时延；

在步骤5)中，建模用户接入BS对应的传输时延，即1≤i≤M₁，根据公式计算用户接入BS的传输时延，其中，表示有内容k需求的用户j接入BS_i时对应的传输时延，表示有内容k需求的用户j接入BS_i时的排队时延；

建模有内容k需求的用户j接入BSi时对应的传输时延为：其中，1≤i≤M₁，R_ij为接入BS_i的用户j的数据传输速率；建模有内容k需求的用户j接入BS_i时的排队时延为：其中，μ_i及λ_i分别表示BSi的服务速率及业务到达速率；

在步骤6)中，建模用户接入AP对应的传输时延，即M₁+1≤i≤M，根据公式计算用户接入AP的传输时延，其中，表示有内容k需求的用户j接入AP_i时对应的传输时延，表示有内容k需求的用户j接入AP_i时的接入时延；

建模有内容k需求的用户j接入APi时对应的传输时延为：其中，M₁+1≤i≤M，R_ij为接入AP_i的用户j的数据传输速率；建模有内容k需求的用户j接入AP_i时的接入时延为：其中，及分别表示AP_i一次成功传输的时间及平均信道忙的时间，表示此刻接入AP_i的用户总数，τ_i及σ_i分别表示AP_i的用户传输概率及一个空时隙的持续时间；

在步骤8)中，建模用户传输数据速率及限定条件，具体为：根据公式计算用户j与BS_i或AP_i相连时的传输数据速率，其中，B_i表示BS_i或AP_i的带宽，p_i表示BS_i或AP_i的发送功率，g_ij表示用户j与BS_i或AP_i之间的信道增益，σ²表示噪声功率，根据公式可得用户j的数据速率，应满足

在步骤9)中，综合考虑用户业务需求、用户关联及缓存内容限定条件，基于用户总传输时延最小化，确定联合用户关联及缓存内容分配优化策略，记