CN107295619A

CN107295619A - 一种边缘缓存网络中基于用户连接矩阵的基站休眠方法

Info

Publication number: CN107295619A
Application number: CN201710681042.XA
Authority: CN
Inventors: 李曦; 吴天昊; 纪红; 张鹤立
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2017-08-10
Filing date: 2017-08-10
Publication date: 2017-10-24
Anticipated expiration: 2037-08-10
Also published as: CN107295619B

Abstract

本发明公开了一种边缘缓存网络中基于用户连接矩阵的基站休眠方法，属于无线移动通信领域。首先根据用户与小型基站之间的连接状态，建立用户连接矩阵并结合小基站状态最终确定了用户连接状态矩阵；同时，建立文件集合中所有文件的分块矩阵；根据基站状态矩阵和文件的分块矩阵建立了系统能耗优化模型并找出最优解，以确定网络中各小基站的工作与休眠状态以及文件内容的分发策略；最后用户连入基站并请求获取文件，如果用户从小基站的缓存中无法获得所需文件的全部内容，则小基站会通过宏基站向核心网获取该部分内容进而分发给该用户。本发明在保证满足所有用户服务要求的前提下进行部分小型基站的休眠工作，有效降低了系统的能耗并保证了命中率。

Description

一种边缘缓存网络中基于用户连接矩阵的基站休眠方法

技术领域

本发明属于无线移动通信领域，具体地说，是一种边缘缓存网络中基于用户连接矩阵的基站休眠方法。

背景技术

随着智能手机行业、多媒体服务、以及手机应用的爆炸式增长，出现了大量的移动数据。为了应对这种在未来网络中的巨大数据量，人们提出了一个很有前景的方案，即在宏基站的覆盖范围下布置众多的小型基站；但是小型基站的增多加剧了回程压力，采用将文件存储在小型基站中的边缘缓存技术能有效地缓解压力。然而这些小基站的存储能力有限，无法将用户可能需要的所有文件存入缓存中。因此现有的技术实现了将每个文件的一部分存入缓存中以适应有限的存储空间。

在边缘缓存网络中，能耗是一个值得研究的热点，尤其是在这种存在大量小型基站部署的场景下。基站休眠技术能够显著降低网络系统的能耗，但是在缓存容量有限的边缘缓存网络中，考虑到内容分发等因素，传统的基站休眠技术将面临诸多挑战。因此，如何较好地利用基站休眠技术降低边缘缓存网络下的能耗是需要重点考虑的问题。

文献[1]J.Kim,W.S.Jeon,and D.G.Jeong.在开放式接入家庭基站网络中的基站休眠管理技术In IEEE Transactions on Vehicular Technology,vol.65,no.5,pp.3786–3791,2016年5月；提出了一种结合用户与基站关系的基站休眠算法，此算法考虑了用户与其所能连接到的基站的状态，通过为每一个用户合理的分配基站保证了在存在休眠基站的条件下每一个用户的服务质量。但是该算法限定了每个用户仅能连接一个基站，而且应用的网络场景也不是边缘缓存网络。

文献[2]F.Gabry,V.Bioglio,and I.Land.异构网络中一种节能的边缘缓存策略，In IEEE Journal on Selected Areas in Communications,vol.34,no.12,pp.3288-3298,2016年9月；对边缘缓存网络中的内容分发策略进行了研究，通过确定最优的内容分发方案实现节约系统能耗。然而该方法没有考虑引入基站休眠，能耗节约效果有限。

文献[3]R.Li,Wei Wang,A.Huang,and Z.Zhang.异构网络中基于基站休眠的内容缓存策略In Wireless Communications&Signal Processing(WCSP),2016 8thInternational Conference on,13-15.2016年10月；综合考虑了边缘缓存网络中内容分发问题以及基站休眠问题，通过确定合理的基站休眠数量以及内容分发策略实现目标命中率最大化；但是该方案没有考虑系统的能耗，缺少能量方面的优化方案。

在边缘缓存网络中，很少有人能够利用基站休眠这一技术节约系统能耗。尤其是当基站缓存容量有限时，基站休眠可能会影响内容的分发进而影响网络性能。这使得基站休眠的问题更加复杂，传统的基站休眠算法已经无法适用。此外，在目前将基站休眠方案引入边缘缓存网络的技术中，关于优化网络能耗的研究并不多，存在很大的研究空间。

发明内容

本发明基于现有技术中，边缘缓存网络减轻了回程链路的压力，同时基站休眠技术又很好地节约了系统能耗；为了能够在存储空间有限的边缘缓存网络中成功使用基站休眠技术降低系统能耗，提出了一种边缘缓存网络中基于用户连接矩阵的基站休眠方法；

该方法首先对于每一个文件，使基站根据自身的存储能力随机存储该文件的部分内容；同时，为网络中的所有用户和基站建立了一个用户连接状态矩阵，并利用该矩阵计算出了网络中的文件传输能耗。然后，根据网络中没有休眠的基站数量列出了一个二维网络能耗优化表达式；最终通过找到该表达式的最优解确定基站的状态以及内容分发策略。

具体步骤如下：

步骤一、构建小基站、用户、宏基站以及服务器之间的边缘缓存网络场景。

在网络中，宏基站与服务器以及服务器与核心网之间均通过有线链路连接；小基站与宏基站，用户与小基站之间通过无线链路连接；用户与宏基站之间无连接；且小基站的覆盖范围存在重叠，即一个用户有可同时被多个基站提供服务。

步骤二、根据用户所在的位置以及基站的覆盖区域为网络中所有用户建立连接矩阵。

网络中小基站共有S个，集合为{1,2,...,s,...,S}；移动用户有J个，集合为U＝{U₁,U₂,...U_j,...,U_J}；

用户U_j与各个小基站的连接矩阵为：

其中是二值变量，表示用户U_j能够与基站s连接，表示用户U_j无法与基站s连接。

步骤三、根据边缘缓存网络中每个小基站的初始工作状态，建立基站状态矩阵B；

B＝[b₁,b₂...,b_s,...,b_S]

b_s＝1表示基站s处于正常工作状态，b_s＝0表示基站s处于休眠状态。

步骤四、针对用户U_j，基于初始状态矩阵B和连接矩阵A_j计算连接状态矩阵，并统计用户U_j连接到正常工作状态的小基站总数d_j；

连接状态矩阵如下：

是二值变量，当表示用户U_j连接到基站s，表示用户U_j不能连接到基站s。

用户U_j连接到正常工作状态的小基站总数为：

步骤五、文件集合F中有L个文件，根据小基站存储能力对每个文件随机分别划块，建立所有文件的分块矩阵M，每个小基站随机存储每个文件的一块；

集合F中共有L个文件，表示为F＝{f₁,f₂,...f_l,...,f_L}；每个文件大小均为Cbits；

针对文件f_l，将其划分为m_l个块，每块内容的大小均为C/m_lbits；且m_l≤N；N为门限值；集合F中所有文件的分块构成了分块矩阵M＝[m₁,m₂...,m_l,...,m_L]。

步骤六、利用基站状态矩阵B和文件的分块矩阵M计算边缘缓存网络的系统能耗；

系统能耗如下：

e_c表示用户从小基站获取文件过程的单位比特能量消耗；e_T表示小基站通过宏基站向核心网获取文件过程的单位比特能量消耗；P_l表示用户想要获取文件f_l的概率；且P_l满足齐普夫定律：β是常数；表示当用户从d_j个小基站的缓存获取文件时，其仍需小基站向核心网索取的文件部分大小的期望；e_F表示维持每个小基站处于活跃状态所需能耗；

步骤七、制定边缘缓存网络的系统能耗最小化的约束条件；

C1保证了每一个用户都至少有一个小基站为其服务；

C2表示每个文件的分块数都是整数，是整数集；

C3表示每个文件划分的块数均小于等于门限值N；

C4表示每个小基站上存储的所有文件块的内容总大小不超过该小基站的容量。Q表示每个基站的存储容量；所有小基站的存储容量相同。

步骤八、采用粒子群算法在约束条件下，求解当系统能耗最小时最优的基站状态矩阵B和文件的分块矩阵M；

步骤九、按照最优的基站状态矩阵B进行小基站的状态配置，同时按照最优的文件分块矩阵M对各个小基站进行文件分块并存储；

选择最优的基站状态矩阵B中为0的值，将对应的基站设为休眠状态；按照最优的文件分块矩阵M中的对应值将L个文件进行最优的分块；

每个文件按照最优分块矩阵M中的对应值进行分块后，每个小基站随机选取每个文件的一块；

步骤十、判断用户U_j从连接的d_j个小基站缓存中是否能够获取所需文件的完整内容，如果是，则用户直接从d_j个小基站中获取文件并结束；否则，小基站通过宏基站向核心网获取所缺的内容并分发给该用户。

本发明的优点在于：

1)、一种边缘缓存网络中基于用户连接矩阵的基站休眠方法，为小基站缓存内容的分发制定了策略，有效降低了系统的能耗并获得了不错的命中率。

2)、一种边缘缓存网络中基于用户连接矩阵的基站休眠方法，可以实现节约系统能耗的功能，在保证满足所有用户服务要求的前提下进行部分小型基站的休眠工作，能够大大减少系统能耗。

附图说明

图1是本发明基于用户连接矩阵的基站休眠算法中建立的边缘缓存网络模型；

图2是本发明边缘缓存网络中基于用户连接矩阵的基站休眠方法的原理图；

图3是本发明边缘缓存网络中基于用户连接矩阵的基站休眠方法的流程图；

图4是本发明不同SBS总数下有基站休眠和无基站休眠两种算法下的系统能耗对比图；

图5是本发明不同SBS总数下基于用户连接矩阵的基站休眠机制和负载均衡的基站休眠机制的平均命中率对比图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

现有技术中，在基站缓存容量有限的边缘缓存网络中，所有小型基站都存储每一个文件的部分内容，基于这一特点结合节约系统能耗问题，本发明提出了一种基于用户连接矩阵的基站休眠算法；该算法根据用户与小型基站之间的连接状态，建立用户连接矩阵并结合小基站状态最终确定了用户连接状态矩阵；根据该矩阵建立了系统能耗优化模型并找出最优解，确定网络中小型基站的工作与休眠状况，进而降低了网络能耗，节约系统能耗。

如图2所示，本发明所述的基站休眠方法被总结为如下步骤：

1)首先，根据用户的所在位置以及基站的覆盖区域为网络中所有用户建立用户连接矩阵。

2)为网络建立系统能耗优化表达式，找到最优解以确定基站状态和内容分发策略；各个基站按照策略选择工作模式并进行内容存储。

3)用户连入基站，进行文件的获取操作。如果用户从小基站的缓存中无法获得所需文件的全部内容，则小基站会通过宏基站向核心网获取所缺部分内容进而分发给该用户。

如图3所示，本发明具体步骤如下：

具体步骤如下：

如图1所示，在网络中，宏基站与服务器以及服务器与核心网之间均通过有线链路连接；小基站与宏基站，用户与小基站之间通过无线链路连接；用户与宏基站之间无连接；且小基站的覆盖范围存在重叠，即一个用户有可同时被多个基站提供服务。

网络中小基站共有S个，集合为{1,2,...,s,...,S}；s代表第s个小基站；移动用户有J个，集合为U＝{U₁,U₂,...U_j,...,U_J}；U_j代表第j个用户。

对于用户U_j，建立与各个小基站的连接矩阵：来表示该用户与各个基站的连接情况；其中是二值变量，表示用户U_j能够与基站s连接，表示用户U_j无法与基站s连接。

为了节约能耗，有的基站可能会选择睡眠模式；因此建立一个基站状态矩阵来表示网络中每一个小基站的状态：

B＝[b₁,b₂...,b_s,...,b_S]

连接状态矩阵如下：

根据式(1)能够算出用户U_j连接到正常工作状态的小基站总数为：

本发明假设所有的用户独立地从一个有限的文件集合F中选取一个文件并向小基站索要该文件；集合F中共有L个文件，表示为F＝{f₁,f₂,...f_l,...,f_L}；集合中的所有文件都已经按照文件自身的流行度进行了排序，序号小的文件流行度要高于序号大的文件；所有的文件大小都相同，每个文件大小均为Cbits；每个基站都有着相同的存储容量Qbits，在存储容量有限的情况下Q＜LC；因此所有的基站只存储每个文件的部分内容，在这种情况下需要先将每一个文件分成一定的部分。

针对文件f_l，将其划分为m_l个块，每块内容的大小均为C/m_lbits；为了避免将文件分的过碎，m_l≤N；N为门限值；为了表示集合F中每个文件的分块情况，建立了一个矩阵集合，分块矩阵M＝[m₁,m₂...,m_l,...,m_L]。

针对用户U_j连接了d_j个小型基站并且想要获得文件f_l：此时该用户可以从每个已连接的基站中获得C/m_lbits的文件内容；当用户U_j从一个小基站中获取文件内容后，其还需获取(1-1/m_l)Cbits的文件内容才会获得完整的文件f_l。针对文件f_l的一个块，其没有被存入一个小基站的概率为1-1/m_l。由于每一个小基站都是独立随机选取文件的一个部分存储，所以对于已连有d_j个小基站的用户U_j，该用户不能获得文件f_l的这一部分的概率为

现考虑文件f_l的所有m_l部分，该用户向小基站索要文件f_l后，无法获得的文件部分大小的期望为：

用户U_j想要获取文件f_l的概率为P_l，且满足齐普夫定律：

β是常数；

于是当用户U_j从d_j个小基站的缓存获取文件时，其仍需小基站向核心网索取的文件部分大小的期望为：

用户从小基站获取文件个过程的单位比特能量消耗为e_cJ/bit；小基站通过宏基站向核心网获取文件过程的单位比特能量消耗为e_TJ/bit；另外，维持每个小基站处于活跃状态所需能耗为e_F焦耳。

因此可以得出网络中为保证满足所有用户需求，所需的系统能耗为：

步骤七、制定边缘缓存网络的系统能耗最小化的约束条件；

上述的系统能耗引入了基站休眠机制，将选择一个有效的基站休眠策略转化为最小化系统能耗的问题；

所以最优化问题表示为：

minE_D(B,M)(7)

C1保证了每一个用户都至少有一个小基站为其服务；

C2表示每个文件的分块数都是整数，是整数集；

C3表示每个文件划分的所有块数均小于等于门限值N；

C4表示每个小基站上存储的所有文件块的内容总大小不超过该小基站的存储容量。Q表示每个基站的存储容量；所有小基站的存储容量相同。

通过分析式(6)中的第一项，可知系统能耗与基站状态矩阵B和文件的分块矩阵M的值无关，所以将上述的优化表达式简化为：

minE(B,M)(13)

在寻找最优解的过程中采用了粒子群算法，该算法步骤如下：

a)初始化算法中的各个参数，初始化基站状态矩阵B和文件的分块矩阵M，以及基站状态矩阵B和文件分块矩阵M的更新速度。

b)通过现有的参数计算每一个粒子对应的简化后优化表达式(12)的值，并从目前的粒子中找到较优解；

c)根据更新速度对基站状态矩阵B和文件分块矩阵M的值进行更新，同时对二者的速度也进行更新；找到目前的最优解，并进行反复迭代。

d)当达到预设的迭代次数后全局的最优解即可确定。

按照目前的最优解进行小基站的状态配置以及内容存储等工作。选择最优的基站状态矩阵B中为0的值，将对应的基站设为休眠状态；按照最优的文件分块矩阵M中的对应值将L个文件进行最优的分块；

每个文件按照最优分块矩阵M中的对应值进行分块后，每个小基站随机选取每个文件的一块进行存储；

用户从其连接的小基站缓存中获取所需文件的内容；如果用户无法获得完整的文件，则小基站通过宏基站向核心网获取所缺的内容并分发给该用户。

具体为：

针对用户U_j，当用户可以从所连接的所有d_j个小基站中获取请求的完整文件，则所有小基站合作传输该文件；

当d_j个小基站中某个基站存有完整的请求文件，则该基站将文件传输给用户；

当用户无法从所有基站中获取该完整文件，则其中一个小基站，或者某几个小基站，或者是用户所连接的所有小基站均可以通过宏基站向核心网索取到该文件后再发送至用户。

为了证明本发明提出的基于用户连接矩阵的基站休眠机制的性能，选用了没有引入基站休眠机制的内容分发策略进行了能耗比较，如图4所示，仿真参数的设定为：C＝10⁷bits，N＝10，L＝200，e_T＝0.5×10^-8J/bit，e_F＝28J，Q＝100，J＝100；根据仿真结果可以看出本发明通过基站休眠技术大大降低了系统能耗，在用户数量不变，基站增多，即用户密度较小的情况下，能耗节约效果显著。同时本发明与负载均衡的基站休眠机制进行对比；仿真结果如图5所示，本发明同时可以获得不错的平均命中率。

Claims

1.一种边缘缓存网络中基于用户连接矩阵的基站休眠方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、构建小基站、用户、宏基站以及服务器之间的边缘缓存网络场景；

步骤二、根据用户所在的位置以及基站的覆盖区域为网络中所有用户建立连接矩阵；

用户U_j与各个小基站的连接矩阵为：

其中是二值变量，表示用户U_j能够与基站s连接，表示用户U_j无法与基站s连接；

B＝[b₁,b₂...,b_s,...,b_S]

b_s＝1表示基站s处于正常工作状态，b_s＝0表示基站s处于休眠状态；

连接状态矩阵为：

<mrow> <msub> <mi>A</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>B</mi> <mo>=</mo> <mo>&lsqb;</mo> <msub> <mi>b</mi> <mn>1</mn> </msub> <msubsup> <mi>a</mi> <mi>j</mi> <mn>1</mn> </msubsup> <mo>,</mo> <msub> <mi>b</mi> <mn>2</mn> </msub> <msubsup> <mi>a</mi> <mi>j</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <msub> <mi>b</mi> <mi>s</mi> </msub> <msubsup> <mi>a</mi> <mi>j</mi> <mi>s</mi> </msubsup> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mo>,</mo> <msub> <mi>b</mi> <mi>S</mi> </msub> <msubsup> <mi>a</mi> <mi>j</mi> <mi>S</mi> </msubsup> <mo>&rsqb;</mo> </mrow>

是二值变量，当表示用户U_j连接到基站s，表示用户U_j不能连接到基站s；

用户U_j连接到正常工作状态的小基站总数d_j计算如下：

<mrow> <msub> <mi>d</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>s</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>S</mi> </munderover> <msub> <mi>b</mi> <mi>s</mi> </msub> <msubsup> <mi>a</mi> <mi>j</mi> <mi>s</mi> </msubsup> <mo>;</mo> </mrow>

系统能耗如下：

<mrow> <msub> <mi>E</mi> <mi>D</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>B</mi> <mo>,</mo> <mi>M</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>e</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>C</mi> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>J</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>e</mi> <mi>T</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>J</mi> </munderover> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>l</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>L</mi> </munderover> <msub> <mi>P</mi> <mi>l</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>C</mi> <mo>&CenterDot;</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <msub> <mi>m</mi> <mi>l</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>d</mi> <mi>j</mi> </msub> </msup> <mo>+</mo> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>b</mi> <mo>&Element;</mo> <mi>B</mi> </mrow> </munder> <msub> <mi>e</mi> <mi>F</mi> </msub> </mrow>

e_c表示用户从小基站获取文件过程的单位比特能量消耗；C为每个文件大小；

e_T表示小基站通过宏基站向核心网获取文件过程的单位比特能量消耗；P_l表示用户想要获取文件f_l的概率；e_F表示维持每个小基站处于活跃状态所需能耗；

步骤七、制定边缘缓存网络的系统能耗最小化的约束条件；

C1:

C2:

C3:

C4:

C1保证了每一个用户都至少有一个小基站为其服务；

C2表示每个文件的分块数都是整数，是整数集；

C3表示每个文件划分的块数均小于等于门限值N；

C4表示每个小基站上存储的所有文件块的内容总大小不超过该小基站的容量；Q表示每个基站的存储容量；所有小基站的存储容量相同；

2.如权利要求1所述的一种边缘缓存网络中基于用户连接矩阵的基站休眠方法，其特征在于，所述的步骤一中，边缘缓存网络场景的构建为：

在网络中，宏基站与服务器以及服务器与核心网之间均通过有线链路连接；小基站与宏基站，用户与小基站之间通过无线链路连接；用户与宏基站之间无连接；且小基站的覆盖范围存在重叠。

3.如权利要求1所述的一种边缘缓存网络中基于用户连接矩阵的基站休眠方法，其特征在于，所述的步骤五中，集合F中L个文件表示为F＝{f₁,f₂,...f_l,...,f_L}；每个文件大小均为C bits；

针对文件f_l，将其划分为m_l个块，每块内容的大小均为C/m_l bits；且m_l≤N；N为门限值；集合F中所有文件的分块构成了分块矩阵M＝[m₁,m₂...,m_l,...,m_L]。

4.如权利要求1所述的一种边缘缓存网络中基于用户连接矩阵的基站休眠方法，其特征在于，所述步骤六中，系统能耗具体过程如下：

针对用户U_j连接了d_j个小型基站并且想要获得文件f_l：此时该用户从每个已连接的基站中获得C/m_l bits的文件内容；当用户U_j从一个小基站中获取文件内容后，其还需获取(1-1/m_l)Cbits的文件内容才会获得完整的文件f_l；

针对文件f_l的一个块，其没有被存入一个小基站的概率为1-1/m_l；对于已连有d_j个小基站的用户U_j，该用户不能获得文件f_l的这一块的概率为

针对文件f_l的所有m_l块，该用户向小基站索要文件f_l后，无法获得的文件块大小的期望为：

用户U_j要获取文件f_l的概率为P_l，且满足齐普夫定律：

β是常数；

用户从小基站获取文件过程的单位比特能量消耗为e_cJ/bit；小基站通过宏基站向核心网获取文件过程的单位比特能量消耗为e_TJ/bit；另外，维持每个小基站处于活跃状态所需能耗为e_F焦耳；因此得出网络中为保证满足所有用户需求，所需的系统能耗E_D(B,M)。

5.如权利要求1所述的一种边缘缓存网络中基于用户连接矩阵的基站休眠方法，其特征在于，所述的步骤十具体为：

针对用户U_j，当请求的文件从用户所连接的d_j个小基站中完整获取时，则所有小基站合作传输该文件；

当d_j个小基站中至少一个基站存有完整的请求文件，则该基站将文件传输给用户；

当所有基站存有文件部分不完整时，则其中一个小基站，或者某几个小基站，或者是用户连接的所有小基站均能通过宏基站向核心网索取到该文件后再发送至用户。