CN107276788B - 一种基于休眠控制的带缓存基站通信模型构建方法 - Google Patents

一种基于休眠控制的带缓存基站通信模型构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于休眠控制的带缓存基站通信模型构建方法，获取网络内容请求数据，提取内容相关的信息；分析网络内容流行度特征，设计内容流行度模型；探索缓存对传统基站通信模式的影响，基于设计的网络内容流行度模型，构建带缓存基站的功耗与时延模型；同时考虑功耗与时延的综合影响，构建带缓存基站功耗与时延均衡的通信模型；设计休眠策略，并讨论休眠策略对带缓存基站功耗与时延均衡的通信模型的影响；构建基于休眠控制的带缓存基站通信模型；分析设计模型中各因素之间的关系，仿真验证设计模型的有效性。

Description

一种基于休眠控制的带缓存基站通信模型构建方法
技术领域
本发明属于移动通信领域，尤其涉及一种基于休眠控制的带缓存基站通信模型构建方法。
背景技术
随着4G、5G等无线通信技术的快速发展，我国移动宽带用户数已经超过固网用户，但 是移动用户的快速增长为移动通信网络的运行与管理带了严峻的挑战。通过分析移动通信网 络的运营现状，发现网络流量的快速增长成为制约运营商发展的关键因素。因此，当前运营 商亟待解决的问题是如何在满足用户日益增长的服务需求的同时有效降低网络传输流量，进 而提高网络资源利用率，降低网络能耗与时延。
通过深入分析网络流量，发现现有网络中存在大量的网络内容冗余传输问题，其中，音 视频、图片、微博等内容分发型应用重复传输问题尤为严重。这表明目前网络关注的重点发 生了根本变化，即互联网通信更关心网络内容本身，而非内容在网络中的位置。但是，传统 的基于端到端的互联网通信模型难以有效地解决网络内容冗余传输问题。为了在移动通信网 络接入侧尽可能地满足用户的内容请求，避免网络内容跨域或跨网传输，研究人员提出在基 站部署缓存并存储临近区域用户感兴趣的热门内容，使得用户能够就近获取所需的网络内容。 虽然在基站侧部署缓存能够提高网络资源利用率与内容分发效率，但是在保障移动通信网络 服务质量的同时，如何进一步提高网络能效是一个重要且具有挑战性的问题。
相比传统移动通信网络模型，通过在网络基站侧部署缓存，可以在基站侧缓存网络热门 内容，使得对热门内容的请求不需要路由到源服务器来获取内容，直接从临近基站请求用户 感兴趣的内容。然而在网络基站侧部署缓存会增加额外的成本，如缓存设备成本、缓存能耗 等，因此，需要构建科学的网络通信模型，提高网络资源利用率与网络内容分发效率。此外， 在带缓存基站的通信模型中设计合适的休眠策略，在保障用户服务质量的同时，能够进一步 降低网络能耗。
发明内容
针对传统移动通信网络面临的网络内容冗余传输问题，本发明提供一种基于休眠控制的 带缓存基站通信模型构建方法，在借鉴现有网内缓存与设备休眠思想的基础上，从网络功耗 与时延的角度为带缓存基站构建全新的网络通信模型，提高网络资源利用率与内容分发效率， 尽可能地降低网络能耗。
实现本发明方法的主要思路是：获取网络内容请求数据，提取内容相关的信息；分析网 络内容流行度特征，设计内容流行度模型；探索缓存对传统基站通信模式的影响，基于设计 的网络内容流行度模型，构建带缓存基站的功耗与时延模型；同时考虑功耗与时延的综合影 响，构建带缓存基站功耗与时延均衡的通信模型；设计休眠策略，并讨论休眠策略对带缓存 基站功耗与时延均衡的通信模型的影响；构建基于休眠控制的带缓存基站通信模型；分析设 计模型中各因素之间的关系，仿真验证设计模型的有效性。
一种基于休眠控制的带缓存基站通信模型的构建方法，包括如下步骤：
(1)获取内容请求数据，提取与网络内容相关的信息
对路由到移动通信网络接入侧的每个用户请求，使用深度包检测(Deep PacketInspection， DPI)技术分析请求数据包的相关字段，提取出用户所请求的内容名称及其相关信息，并将这 些信息存储在设计的数据库中。
(2)统计内容分布特点，设计内容流行度模型
基于步骤(1)中提取与存储的内容相关信息，统计在某一段时间内容同一内容的请求次 数(即内容流行度)。分析网络内容流行度的统计特点，然后设计合适的内容流行度模型来表 征内容请求的流行度。
(3)构建带缓存基站的功耗模型
在传统基站功耗模型基础上，分析带缓存基站的功耗组成。带缓存基站功耗由传统基站 功耗与缓存功耗两部分组成，基于步骤(2)中设计的内容流行度模型，构建移动通信接入侧 带缓存基站的功耗模型。
(4)构建带缓存基站的时延模型
在传统基站时延模型的基础上，分析移动通信接入侧部署缓存对传统基站时延模型的影 响，然后基于步骤(2)中设计的内容流行度模型，构建移动通信接入侧带缓存基站的时延模 型。
(5)构建带缓存基站功耗与时延均衡的通信模型
结合步骤(3)(4)中的带缓存基站功耗模型与时延模型，为实现移动通信接入侧带缓存 基站功耗与时延的均衡，以功耗与时延综合成本为带缓存基站性能的衡量指标，构建带缓存 基站功耗与时延均衡的通信模型。
(6)设计休眠策略，讨论休眠策略对通信模型的影响
设计一种基于休眠参数N的休眠机制，当基站处于休眠期间，如果有N个用户请求到达 该基站，那么基站退出休眠状态并进行正常工作。基于休眠机制的状态转换概率，获得基站 处于休眠状态的概率以及平均队列长度模型，进而重新设计基站在休眠状态下的能耗模型与 时延模型。
(7)构建基于休眠控制的带缓存基站通信模型
基于步骤(6)设计的休眠状态下的能耗模型与时延模型，参考步骤(5)通信模型构建 方法，设计基于休眠控制的缓存基站通信模型。
(8)模型分析与仿真验证
对于步骤(7)中设计的基于休眠控制的带缓存基站通信模型，从基站休眠、功耗与时延 均衡的角度来分析二者对移动通信接入侧带缓存基站性能的影响，并探究二者之间的内在联 系，最后通过仿真实验来验证设计的基于休眠控制的带缓存基站通信模型的科学性，并对模 型参数进行反馈调节。
作为优选，步骤(2)具体为：基于步骤(1)中数据库中存储的视频内容相关信息，计算每种视频内容的内容流行度，并按照齐普夫(Zipf)分布模型来设计网络视频内容的流行度模型；假设视频内容种类数为F，按照从1到F给视频内容编号。在一段时间内，带缓存 基站总的请求数为R，那么内容编号为k的视频流行度的分布为：
Figure BDA0001300306830000031
其中，a0为常数，表示归一化的请求率，α表征了流行内容的数量。
作为优选，步骤(3)具体为：带缓存基站功耗P’BS由引入的缓存功耗Pcache与传统基站功 耗PBS两部分组成，即P’BS＝Pcache+PBS；缓存功耗模型可以设计为 Pcache＝Ps+Nc*l*wca,Nc∈[0,C]，其中，Ps为缓存的固有功耗，Nc为缓存里存储的内容数，l 为缓存内容的平均大小，wca为缓存设备功效；负载降低后的基站功耗模型可以设计为
Figure RE-GDA0001400304890000032
其中，
Figure RE-GDA0001400304890000033
η为比特错误率相关的常数，g为信道增益，N0为噪声密度，B为信道带宽，P0为传统基站工作下静态功耗，
Figure RE-GDA0001400304890000034
为基站流量负载， Δp为基站负载独立功耗模型的斜率，x为基站服务率。
作为优选，步骤(4)具体为：负载降低后的带缓存基站时延模型可以设计为：
Figure BDA0001300306830000041
作为优选，步骤(5)具体为：结合步骤(3)(4)中的带缓存基站功耗模型与时延模型， 采用线性组合的方式，以功耗与时延综合成本为带缓存基站性能的衡量指标，构建带缓存基 站功耗与时延均衡的通信模型，即移动通信网络基站侧功耗与时延总成本可以设计为 z＝PB'S+β*DBS，其中，β为取值大于零的参数，用来衡量带缓存基站时延成本对功耗成本 的相对重要性。
作为优选，步骤(6)具体为：在步骤(5)中引入基于休眠参数N的休眠机制，分析休眠机制对步骤(5)表征的通信模型；利用马尔科夫链得出带缓存基站的状态转移概率Pr(i,j)， 其中，i取值为为0或1，用来表示标识带缓存基站处于休眠或工作状态，j表示接入到该基 站的移动用户数；基于状态转移概率Pr(i,j)，可以计算出带缓存基站处于休眠模式的概率以 及平均队列长度，进而获得带缓存基站在基于N休眠策略下的功耗成本
Figure BDA0001300306830000042
与平均时延成本 D′N,q。
作为优选，步骤(7)具体为：基于步骤(5)(6)的结果，引入休眠机制后的带缓存基站通信模型可以调整为
Figure BDA0001300306830000043
与现有技术相比，本发明具有以下明显的优势和有益效果：
(1)本发明提出一种基于休眠控制的带缓存基站通信模型，通过在移动通信网络接入侧 部署缓存与引入休眠机制，降低网络冗余传输与内容能耗，提高了移动通信网络整体服务能 力与用户体验。
(2)本发明借鉴传统基站的功耗与时延模型，考虑到缓存在降低网络内容冗余传输方面 的巨大优势，在基站侧引入网内缓存思想与休眠机制，以功耗与时延均衡的角度来构建移动 通信接入侧全新的通信模型。相比传统基站通信模型，本发明在保障用户服务质量的同时， 能够有效降低移动通信网络基站侧的功耗与时延成本。实验表明，运用本发明方法进行仿真 实验分析，当缓存大小为1％，休眠参数为5时，系统具有较好的性能。此时，本发明方法相 比传统基站通信模型，能够节省近33％的功耗与时延成本(内容流行度为0.8)。
附图说明
图1为本发明所涉及的内容请求数据获取与相关信息提取的示意图；
图2为本发明的基于休眠控制的带缓存基站通信模型构建方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，以网络视频内容为研究对象，对本发明做进一步的描述。
如图2所示，本发明提供一种基于休眠控制的带缓存基站通信模型构建方法，包括以下 步骤：
(1)获取视频内容请求数据，提取与视频内容相关的信息
将移动通信网络接入侧用户视频内容请求镜像到DPI系统，DPI识别不同用户请求协议， 提取相应协议中视频内容信息相关的关键字，如请求时间、请求视频内容、请求IP与MAC 地址等，按照提取的不同类型关键字信息来构建数据库，并存储每条内容请求信息的相关关 键字信息，如图1所示。
(2)统计视频内容分布特点，设计视频内容流行度模型
基于步骤(1)中数据库中存储的视频内容相关信息，计算每种视频内容的内容流行度， 并按照齐普夫(Zipf)分布模型来设计网络视频内容的流行度模型。假设视频内容种类数为F， 按照从1到F给视频内容编号。在一段时间内，带缓存基站总的请求数为R，那么内容编号 为k的视频流行度的分布为：
Figure BDA0001300306830000051
其中，a0为常数， 表示归一化的请求率，α表征了流行内容的数量，α取值越大，表明网络流行视频数越多。
(3)构建带缓存基站的功耗模型
带缓存基站功耗PB'S由引入的缓存功耗Pcache与传统基站功耗PBS两部分组成，即PB'S＝Pcache+PBS。缓存功耗模型可以设计为Pcache＝Ps+Nc*l*wca,Nc∈[0,C]，其中，Ps为缓存的固有功耗，Nc为缓存里存储的内容数，l为缓存内容的平均大小，wca为缓存设备功效。考虑到基站侧部署缓存后，大部分的视频内容由缓存来提供，基站本身的负载会大幅降低。因此，负载降低后的传统基站功耗模型可以设计为
Figure BDA0001300306830000052
其中，
Figure BDA0001300306830000053
η为比特错误率相关的常数，g为信道增益，N0为噪声密度，B为信道带宽。此 外，P0为传统基站工作下静态功耗，
Figure BDA0001300306830000054
为基站流量负载，Δp为基站负载独立功耗模型的斜 率，x为基站服务率。
(4)构建带缓存基站的时延模型
传统基站采用排队论与律特法则设计基站时延模型，考虑到基站侧部署缓存后，大部分 的内容由缓存来服务，基站本身的负载会大幅降低。因此，负载降低后的带缓存基站时延模 型可以设计为
Figure BDA0001300306830000061
(5)构建带缓存基站功耗与时延均衡的通信模型
结合步骤(3)(4)中的带缓存基站功耗模型与时延模型，采用线性组合的方式，以功耗 与时延综合成本为带缓存基站性能的衡量指标，构建带缓存基站功耗与时延均衡的通信模型， 即移动通信网络基站侧功耗与时延总成本可以设计为z＝PB'S+β*DBS，其中，β为取值大于 零的参数，用来衡量带缓存基站时延成本对功耗成本的相对重要性。
(6)设计休眠策略，讨论休眠策略对通信模型的影响
在步骤(5)中引入基于休眠参数N的休眠机制，分析休眠机制对步骤(5)表征的通信 模型。利用马尔科夫链得出带缓存基站的状态转移概率Pr(i,j)，其中，i取值为为0或1，用 来表示标识带缓存基站处于休眠或工作状态，j表示接入到该基站的移动用户数。基于状态 转移概率Pr(i,j)，可以计算出带缓存基站处于休眠模式的概率以及平均队列长度，进而获得 带缓存基站在基于N休眠策略下的功耗成本
Figure BDA0001300306830000062
与平均时延成本D'N,q。
(7)构建基于休眠控制的带缓存基站通信模型
基于步骤(5)(6)的结果，引入休眠机制后的带缓存基站通信模型总成本可以调整为
Figure BDA0001300306830000063
基于休眠控制的带缓存基站通信模型在提高网络资源利用率与内容分发效 率的同时，充分考虑了能耗与时延的均衡问题。另外，当基站负载较低时，带缓存基站可以 处于休眠状态，进一步降低了网络能耗。
(8)模型分析与仿真验证
对于步骤(7)中设计的基于休眠控制的带缓存基站通信模型，为了使引入休眠机制后的 通信基站侧功耗与时延联合成本最小，仿真实验从休眠机制、功耗与时延均衡的角度来分析 二者对移动通信接入侧带缓存基站性能的影响，分析二者之间的内在联系，实现通信基站侧 功耗与时延成本的均衡，尽可能降低网络能耗。最后，由于网络视频内容流行度一段时间后 会发生变化，步骤(1)需要感知网络视频内容流行度的变化，并及时调节系统模型中的有关 参数。
为了验证本发明的有效性，以及与传统基站通信模式相比性能的优劣，进行了一组对比 实验。
表1本发明方法与传统基站通信模式功耗与时延综合成本的比较结果
Figure BDA0001300306830000071
由表1可以看出，运用本发明方法设计的基于休眠控制的带缓存基站通信模型在不同缓 存大小、视频内容流行度下，相比传统基站模型，能够有效降低功耗与时延综合成本。这是 因为在移动通信基站侧部署缓存后，虽然引入了缓存功耗，但是由于用户感兴趣的视频内容 大部分存储在基站缓存处，使得用户请求不需要路由到源服务器来获取所需的视频内容，有 效地降低基站负载，进而降低了基站功耗与基站时延。此外，引入基于N的休眠机制后，可 以进一步降低网络能耗。此外，通过上述过程，可以发现在基站处部署缓存可以降低移动通 信网域内与域间流量，进而节能网络资源，提高网络整体服务质量和用户体验。虽然在基站 侧部署缓存能够降低带缓存基站的功耗与时延成本，但是并不意味着部署的缓存越大，越能 降低接入侧带缓存基站的成本，这是因为缓存大小会的增加会带来额外的缓存功耗。因此， 合适的缓存大小能够在实现功耗与时延均衡的同时，尽可能降低网络系统成本。通过仿真实 验发现，当缓存大小为1％左右(即缓存能够缓存的内容数为F*0.1)时，系统具有较好的性 能。此时，本发明方法相比传统基站通信模型，能够节省带缓存基站34.1％的功耗与时延成 本(内容流行度为0.8，N＝5)。
表2本发明方法与传统基站通信模式功耗与时延综合成本的比较结果
Figure BDA0001300306830000072
由表2可以看出，运用本发明方法设计的基于休眠控制的带缓存基站通信模型在不同缓 存大小、休眠参数下，相比传统基站模型，能够有效降低功耗与时延综合成本，并且其变化 趋势近似于表1。当休眠参数N增大时，虽然可以进一步降低网络能耗，但同时也会增大网 络时延，无法显著提高网络性能。因此，选择合适的休眠参数，既可以保障网络服务质量， 又能尽可能降低网络能耗与时延。通过仿真实验发现，当休眠参数N＝5时，系统具有较好的 性能。此时，本发明方法相比传统基站通信模型，能够节省带缓存基站32.7％的功耗与时延 成本(内容流行度为0.8)。

Claims (5)

1.一种基于休眠控制的带缓存基站通信模型的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)、获取内容请求数据，提取与网络内容相关的信息；
步骤(2)、统计内容分布特点，设计内容流行度模型：
基于步骤(1)中提取与存储的内容相关信息，统计在某一段时间内容同一内容的请求次数，同时分析网络内容流行度的统计特点，然后设计合适的内容流行度模型来表征内容请求的流行度；
步骤(3)构建带缓存基站的功耗模型：
基于步骤(2)中设计的内容流行度模型，构建移动通信接入侧带缓存基站的功耗模型；
步骤(4)构建带缓存基站的时延模型：
基于步骤(2)中设计的内容流行度模型，构建移动通信接入侧带缓存基站的时延模型；
步骤(5)构建带缓存基站功耗与时延均衡的通信模型：
结合步骤(3)(4)中的带缓存基站功耗模型与时延模型，为实现移动通信接入侧带缓存基站功耗与时延的均衡，以功耗与时延综合成本为带缓存基站性能的衡量指标，构建带缓存基站功耗与时延均衡的通信模型；
步骤(6)设计休眠策略，讨论休眠策略对通信模型的影响：
设计基于休眠参数N的休眠机制，当基站处于休眠期间，如果有N个用户请求到达该基站，那么基站退出休眠状态并进行正常工作，基于休眠机制的状态转换概率，获得基站处于休眠状态的概率以及平均队列长度模型，进而重新设计基站在休眠状态下的能耗模型与时延模型；
步骤(7)构建基于休眠控制的带缓存基站通信模型：
基于步骤(6)设计的休眠状态下的能耗模型与时延模型，参考步骤(5)通信模型构建方法，设计基于休眠控制的缓存基站通信模型；
步骤(3)具体为：带缓存基站功耗P′BS由引入的缓存功耗Pcache与传统基站功耗PBS两部分组成，即P′BS＝Pcache+PBS；缓存功耗模型可以设计为Pcache＝Ps+Nc*l*wca,Nc∈[0,C]，其中，Ps为缓存的固有功耗，Nc为缓存里存储的内容数，l为缓存内容的平均大小，wca为缓存设备功效，C为缓存最大存储空间；负载降低后的基站功耗模型可以设计为
Figure FDA0002438047560000021
其中，
Figure FDA0002438047560000022
η为比特错误率相关的常数，g为信道增益，N0为噪声密度，B为信道带宽，P0为传统基站工作下静态功耗，
Figure FDA0002438047560000023
为基站流量负载，Δp为基站负载独立功耗模型的斜率，x为基站服务率，λ为泊松分布的到达率，l为缓存内容的平均值，α0为归一化请求率，α表征了流行内容的数量，F为视频内容种类数，k为内容编号；
步骤(4)具体为：负载降低后的带缓存基站时延模型可以设计为：
Figure FDA0002438047560000024
步骤(5)具体为：结合步骤(3)(4)中的带缓存基站功耗模型与时延模型，采用线性组合的方式，以功耗与时延综合成本为带缓存基站性能的衡量指标，构建带缓存基站功耗与时延均衡的通信模型，即移动通信网络基站侧功耗与时延总成本可以设计为z＝P′BS+β*DBS，其中，β为取值大于零的参数，用来衡量带缓存基站时延成本对功耗成本的相对重要性，P′BS为带缓存基站功耗，DBS带缓存基站时延模型。
2.如权利要求1所述的基于休眠控制的带缓存基站通信模型的构建方法，其特征在于，步骤(1)具体为：对路由到移动通信网络接入侧的每个用户请求，使用深度包检测技术分析请求数据包的相关字段，提取出用户所请求的内容名称及其相关信息，并将这些信息存储在设计的数据库中。
3.如权利要求1所述的基于休眠控制的带缓存基站通信模型的构建方法，其特征在于，步骤(2)具体为：基于步骤(1)中数据库中存储的视频内容相关信息，计算每种视频内容的内容流行度，并按照齐普夫(Zipf)分布模型来设计网络视频内容的流行度模型；假设视频内容种类数为F，按照从1到F给视频内容编号，在一段时间内，带缓存基站总的请求数为R，那么内容编号为k的视频流行度的分布为：
Figure FDA0002438047560000031
其中，a0为常数，表示归一化的请求率，α表征了流行内容的数量。
4.如权利要求1所述的基于休眠控制的带缓存基站通信模型的构建方法，其特征在于，步骤(6)具体为：在步骤(5)中引入基于休眠参数N的休眠机制，分析休眠机制对步骤(5)表征的通信模型；利用马尔科夫链得出带缓存基站的状态转移概率Pr(i，j)，其中，i取值为为0或1，用来表示标识带缓存基站处于休眠或工作状态，j表示接入到该基站的移动用户数；基于状态转移概率Pr(i，j)，可以计算出带缓存基站处于休眠模式的概率以及平均队列长度，进而获得带缓存基站在基于N休眠策略下的功耗成本
Figure FDA0002438047560000034
与平均时延成本D’N，q，其中，q为服务率，tot为total缩写，表征总共。
5.如权利要求4所述的基于休眠控制的带缓存基站通信模型的构建方法，其特征在于，步骤(7)具体为：基于步骤(5)(6)的结果，引入休眠机制后的带缓存基站通信模型可以调整为
Figure FDA0002438047560000033
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