CN108156596A - 支持d2d-蜂窝异构网络联合用户关联及内容缓存方法 - Google Patents

支持d2d-蜂窝异构网络联合用户关联及内容缓存方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及支持D2D‑蜂窝异构网络联合用户关联及内容缓存方法，属于无线通信技术领域。该方法步骤为：S1建模用户内容需求标识；S2建模用户关联变量；S3建模用户内容缓存变量；S4建模用户数据传输速率；S5建模用户总传输时延；S6建模用户D2D模式传输时延；S7建模用户小蜂窝基站关联模式传输时延；S8建模用户宏蜂窝基站关联模式传输时延；S9建模联合用户关联及内容缓存限制条件；S10基于用户总传输时延最小化确定用户关联模式及内容缓存优化策略。本发明可以有效保证每个用户最小数据速率要求前提下用户关联网络策略最优，内容放置最优，实现用户内容总传输时延最小化。

Description

支持D2D-蜂窝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，涉及支持D2D-蜂窝异构网络联合用户关联及内容缓存方法。
背景技术
近年来，随着移动互联网及智能终端等技术的快速发展，无线业务已呈爆炸式增长，传统蜂窝网络技术已难以有效应对快速增长的移动业务需求，因此，迫切需要研究新的技术以满足用户服务质量要求，提升网络性能。终端直通技术(Device-to-Device)通过实现用户终端之间的直接通信，而无需基站进行转发，能够很好地支持未来网络中大数据量的本地业务。在蜂窝网络中引入D2D通信技术可有效降低终端功耗及网络负载，实现谱效及能效的提升。蜂窝D2D网络中，用户终端可选择蜂窝基站实现关联或接入D2D对端实现内容传输，如何综合网络用户终端需求及网络特性，优化设计蜂窝D2D网络用户关联模式是亟待解决的问题。
随着用户应用的快速发展，部分应用如高清视频流、在线游戏等对网络承载能力，特别是网络容量及端到端传输时延提出挑战。通过采用缓存技术，即将部分用户需求内容放置在接入网节点处，如宏蜂窝基站(MacroBase Station，MBS)、小蜂窝基站(SmallBaseStation)或用户终端设备中，用户可通过接入邻近基站或终端用户获取内容，从而可有效降低内容传输时延，提升业务体验，同时，也可有效缓解蜂窝网络回程链路负载，提升网络性能。
已有文章针对蜂窝D2D网络用户关联问题开展研究，如提出了一种基于网络吞吐量优化或移动网络运营商总收益最大化的用户关联模式；针对蜂窝D2D网络缓存部署问题，已有文章提出基于缓存命中率最大化或基于缓存开销优化的方案，但现有研究较少考虑端到端传输时延优化问题，导致用户传输性能受限；此外，较少研究联合考虑用户关联及内容缓存策略，导致所提算法难以实现网络性能优化。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供支持D2D-蜂窝异构网络联合用户关联及内容缓存方法，在该方法中，假设网络由一个MBS和多个SBS组成，网络中的用户分为蜂窝用户和D2D用户，此外，D2D模式中的用户进一步分为请求用户和服务用户，其中，SBS和服务用户具备一定缓存能力。假设该网路中请求用户可以选择三种网络接入模式，分别为D2D模式、MBS关联模式及MBS关联模式，建模用户总传输时延为优化目标，确定用户关联模式及内容缓存优化策略。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
支持D2D-蜂窝异构网络联合用户关联及内容缓存方法，包括以下步骤：
S1：建模用户内容需求标识；
S2：建模用户关联变量；
S3：建模用户内容缓存变量；
S4：建模用户数据传输速率；
S5：建模用户总传输时延；
S6：建模用户D2D模式传输时延；
S7：建模用户小蜂窝基站(SmallBase Station,SBS)关联模式传输时延；
S8：建模用户宏蜂窝基站(Macro Base Station,MBS)关联模式传输时延；
S9：建模联合用户关联及内容缓存限制条件；
S10：基于用户总传输时延最小化确定用户关联模式及内容缓存优化策略。
进一步，所述步骤S1具体为：令Ur＝{r1,...,rM}表示请求内容的用户集合，其中，ri表示第i个请求用户，1≤i≤M，M为请求用户数目，令F＝{f1,...,fL}表示内容集合，其中，fc表示第c个内容，1≤c≤L，L为内容数目；令ai,c∈{0,1}表示请求用户ri对内容fc的需求标识，若ai,c＝1，表示请求用户ri需获取内容fc，反之，ai,c＝0；设每个用户在给定时段只有一个内容需求，即
进一步，所述步骤S2具体为：用户关联模式包括：用户通过D2D获取内容模式、通过SBS关联获取内容模式和通过MBS关联获取内容模式；
(1)通过D2D获取内容模式具体为：假设网络中存在部分用户，即服务用户，具有一定缓存能力，且已缓存某些内容，令Us＝{s1,...,sK}表示服务用户集合，其中，sj表示第j个服务用户，1≤j≤K，K为服务用户数目；令表示请求内容fc的用户ri与服务用户sj建立D2D链路的关联变量，若表示请求内容fc的用户ri与服务用户sj进行关联，反之，
(2)通过SBS关联获取内容模式具体为：令SBSj表示第j个SBS，1≤j≤N，N为SBS数目；令表示请求内容fc的用户ri与SBSj的关联变量，若表示请求内容fc的用户ri与SBSj进行关联，反之，
(3)通过MBS关联获取内容模式具体为：令xi,c∈{0,1}表示请求内容fc的用户ri与MBS的关联变量，若xi,c＝1，表示请求内容fc的用户ri与MBS进行关联，反之，xi,c＝0。
进一步，所述步骤S3具体为：令为服务用户sj对内容fc缓存标识，若表示服务用户sj已缓存内容fc，否则，令为SBSj对内容fc的缓存变量，若表示将内容fc缓存至SBSj缓存器，否则，
进一步，所述步骤S4具体为：
(1)建模D2D模式传输速率：根据公式计算请求用户ri与服务用户sj之间的链路传输速率，其中，Wd表示D2D链路可用带宽，表示服务用户sj发送功率，表示请求用户ri与服务用户sj之间的链路信道增益，σ2表示链路噪声功率；
(2)建模SBS关联模式传输速率：根据公式计算请求用户ri与SBSj之间的链路传输速率，其中，表示SBSj子信道带宽，表示SBSj发送功率，表示请求用户ri与SBSj之间的链路信道增益；
(3)建模SBS与MBS之间链路传输速率：根据公式计算SBSj与MBS之间的链路传输速率，其中，Wm表示MBS子信道带宽，Pm表示MBS发送功率，表示SBSj与MBS之间的链路信道增益；
(4)建模MBS关联模式传输速率：根据公式计算请求用户ri与MBS之间的链路传输速率，其中，表示请求用户ri与MBS之间的链路信道增益。
进一步，在步骤S5中，所述建模用户总传输时延D为所有用户内容传输时延之和，即其中，表示请求用户ri通过D2D模式获取内容对应的传输时延，表示请求用户ri通过SBS获取内容对应的传输时延，表示请求用户ri通过MBS获取内容对应的传输时延。
进一步，所述步骤S6具体为：根据公式计算请求用户ri通过D2D模式获取内容对应的传输时延，其中，表示请求内容fc的用户ri关联到服务用户sj获取内容对应的传输时延，建模为
进一步，所述步骤S7具体为：根据公式计算请求用户ri通过SBS关联模式获取内容对应的传输时延，其中，分别表示请求文件fc的用户ri关联到SBSj获取内容对应的传输时延，排队时延，及MBS的回程链路传输时延，建模为建模为其中，γj，βj分别表示SBSj平均服务率和平均业务到达率。
进一步，所述步骤S8具体为：根据公式计算请求用户ri通过MBS关联模式获取内容对应的传输时延，其中，分别表示请求内容fc的用户ri关联到MBS获取内容对应的传输时延，排队时延；建模为建模为其中，γ，β分别表示MBS平均服务率和平均业务到达率。
进一步，所述步骤S9具体为：用户内容关联限制条件建模为 内容缓存限制条件建模为其中，Sc为内容fc的大小，表示SBSj缓存器容量；用户传输速率限制条件建模为其中，表示请求用户ri最低服务数据速率，
所述步骤S10具体为：在满足用户业联合用户关联及内容缓存限制条件下，以用户总时延最小化为目标，优化确定用户关联模式及内容缓存策略，记
本发明的有益效果在于：本发明可以有效保证每个用户最小数据速率要求前提下用户关联网络策略最优，内容放置最优，实现用户内容总传输时延最小化。
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为蜂窝D2D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。
本发明提出支持D2D-蜂窝异构网络联合用户关联及内容缓存方法，根据用户服务质量需求、信道条件以及内容可用性，请求用户可选择三种关联模式，分别为D2D模式、SBS关联模式及MBS关联模式，其中，SBS和部分用户(称为服务用户)具有一定缓存能力且服务用户已缓存某些内容。假设每个请求用户在给定时段只有一个内容需求，服务用户至多服务一个请求用户，基站服务的用户不超过所分配的带宽容量约束。为避免干扰，考虑将下行链路带宽按比例分配给SBS、MBS及D2D对用户，SBS和用户之间以及MBS和用户之间采用正交的频谱方案，利用SBS缓存能力和D2D通信能力，建模用户总传输时延为所有用户获取内容传输时延之和，基于用户总传输时延最小化确定联合用户关联及内容缓存优化策略。
如图1、2所示，网络中请求用户可以根据信道条件和服务质量要求等灵活选择D2D模式、SBS关联模式及MBS关联模式，SBS可以缓存部分内容。通过联合设计最优用户关联模式及缓存内容分配策略以最小化用户总传输时延。
1)建模用户内容需求标识
建模用户内容需求标识，令Ur＝{r1,...,rM}表示请求内容的用户集合，其中，ri表示第i个请求用户，1≤i≤M，M为请求用户数目，令F＝{f1,...,fL}表示内容集合，其中，fc表示第c个内容，1≤c≤L，L为内容数目。令ai,c∈{0,1}表示请求用户ri对内容fc的需求标识，若ai,c＝1，表示请求用户ri需获取内容fc，反之，ai,c＝0。假设每个用户在给定时段只有一个内容需求，即
2)建模用户关联变量
建模用户关联变量，其中，用户关联模式具体包括三种，即用户通过D2D获取内容，通过SBS关联模式或MBS关联模式获取内容。
(1)D2D模式，具体为：假设网络中存在部分用户(称为服务用户)具有一定缓存能力，且已缓存某些内容，令Us＝{s1,...,sK}表示服务用户集合，其中，sj表示第j个服务用户，1≤j≤K，K为服务用户数目。令表示请求内容fc的用户ri与服务用户sj建立D2D链路的关联变量，若表示请求内容fc的用户ri与服务用户sj进行关联，反之，
(2)SBS关联模式，具体为：令SBSj表示第j个SBS，1≤j≤N，N为SBS数目。令表示请求内容fc的用户ri与SBSj的关联变量，若表示请求内容fc的用户ri与SBSj进行关联，反之，
(3)MBS关联模式，具体为：令xi,c∈{0,1}表示请求内容fc的用户ri与MBS的关联变量，若xi,c＝1，表示请求内容fc的用户ri与MBS进行关联，反之，xi,c＝0。
3)建模用户内容缓存变量
建模用户内容缓存变量，令为服务用户sj对内容fc缓存标识，若表示服务用户sj已缓存内容fc，否则，令为SBSj对内容fc的缓存变量，若表示将内容fc缓存至SBSj缓存器，否则，
4)建模用户传输数据速率
建模用户传输数据速率，其中，用户传输数据速率具体包括四种，即D2D模式传输速率，SBS关联模式传输速率，SBS与MBS之间链路传输速率和MBS关联模式传输速率。
(1)建模D2D模式传输速率，具体为：根据公式计算请求用户ri与服务用户sj之间的链路传输速率，其中，Wd表示D2D链路可用带宽，表示服务用户sj发送功率，表示请求用户ri与服务用户sj之间的链路信道增益，σ2表示链路噪声功率。
(2)建模SBS关联模式传输速率，具体为：根据公式计算请求用户ri与SBSj之间的链路传输速率，其中，表示SBSj子信道带宽，表示SBSj发送功率，表示请求用户ri与SBSj之间的链路信道增益。
(3)建模SBS与MBS之间链路传输速率，具体为：根据公式计算SBSj与MBS之间的链路传输速率，其中，Wm表示MBS子信道带宽，Pm表示MBS发送功率，表示SBSj与MBS之间的链路信道增益。
(4)建模MBS关联模式传输速率，具体为：根据公式计算请求用户ri与MBS之间的链路传输速率，其中，表示请求用户ri与MBS之间的链路信道增益。
5)建模用户总传输时延D为所有用户内容传输时延之和
建模用户总传输时延D为所有用户内容传输时延之和，即其中，表示请求用户ri通过D2D模式获取内容对应的传输时延，表示请求用户ri通过SBS获取内容对应的传输时延，表示请求用户ri通过MBS获取内容对应的传输时延。
6)建模用户D2D模式传输时延；
根据公式计算请求用户ri通过D2D模式获取内容对应的传输时延，其中，表示请求内容fc的用户ri关联到服务用户sj获取内容对应的传输时延，建模为
7)建模用户小蜂窝基站(Small Base Station，SBS)关联模式传输时延
根据公式计算请求用户ri通过SBS关联模式获取内容对应的传输时延，其中，分别表示请求文件fc的用户ri关联到SBSj获取内容对应的传输时延，排队时延，和通过MBS对应的回程链路传输时延，建模为建模其中，γj，βj分别表示SBSj平均服务率和平均业务到达率。
8)建模用户MBS关联模式传输时延；
根据公式计算请求用户ri通过MBS关联模式获取内容对应的传输时延，其中，分别表示请求内容fc的用户ri关联到MBS获取内容对应的传输时延，排队时延。建模为建模为其中，γ，β分别表示MBS平均服务率和平均业务到达率。
9)建模联合用户关联及内容缓存限制条件
建模联合用户关联及内容缓存限制条件，其中，用户内容关联限制条件建模为(1-ai,c)xi,c＝0，内容缓存限制条件建模为其中，Sc为内容fc的大小，表示SBSj缓存器容量；用户传输速率限制条件建模为其中，表示请求用户ri最低服务数据速率，
10)基于用户总时延最小化确定联合用户关联及内容缓存优化策略
基于用户总时延最小化确定联合用户关联及内容缓存优化策略，在满足用户业联合用户关联及内容缓存限制条件下，以用户总时延最小化为目标，优化确定用户关联模式及内容缓存策略，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 (10)

1.支持D2D-蜂窝异构网络联合用户关联及内容缓存方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：建模用户内容需求标识；
S2：建模用户关联变量；
S3：建模用户内容缓存变量；
S4：建模用户数据传输速率；
S5：建模用户总传输时延；
S6：建模用户D2D模式传输时延；
S7：建模用户小蜂窝基站(SmallBase Station,SBS)关联模式传输时延；
S8：建模用户宏蜂窝基站(Macro Base Station,MBS)关联模式传输时延；
S9：建模联合用户关联及内容缓存限制条件；
S10：基于用户总传输时延最小化确定用户关联模式及内容缓存优化策略。
2.根据权利要求1所述的支持D2D-蜂窝异构网络联合用户关联及内容缓存方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：令Ur＝{r1,...,rM}表示请求内容的用户集合，其中，ri表示第i个请求用户，1≤i≤M，M为请求用户数目，令F＝{f1,...,fL}表示内容集合，其中，fc表示第c个内容，1≤c≤L，L为内容数目；令ai,c∈{0,1}表示请求用户ri对内容fc的需求标识，若ai,c＝1，表示请求用户ri需获取内容fc，反之，ai,c＝0；设每个用户在给定时段只有一个内容需求，即
3.根据权利要求1所述的支持D2D-蜂窝异构网络联合用户关联及内容缓存方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：用户关联模式包括：用户通过D2D获取内容模式、通过SBS关联获取内容模式和通过MBS关联获取内容模式；
(1)通过D2D获取内容模式具体为：假设网络中存在部分用户，即服务用户，具有一定缓存能力，且已缓存某些内容，令Us＝{s1,...,sK}表示服务用户集合，其中，sj表示第j个服务用户，1≤j≤K，K为服务用户数目；令表示请求内容fc的用户ri与服务用户sj建立D2D链路的关联变量，若表示请求内容fc的用户ri与服务用户sj进行关联，反之，
(2)通过SBS关联获取内容模式具体为：令SBSj表示第j个SBS，1≤j≤N，N为SBS数目；令表示请求内容fc的用户ri与SBSj的关联变量，若表示请求内容fc的用户ri与SBSj进行关联，反之，
(3)通过MBS关联获取内容模式具体为：令xi,c∈{0,1}表示请求内容fc的用户ri与MBS的关联变量，若xi,c＝1，表示请求内容fc的用户ri与MBS进行关联，反之，xi,c＝0。
4.根据权利要求1所述的支持D2D-蜂窝异构网络联合用户关联及内容缓存方法，其特征在于：所述步骤S3具体为：令为服务用户sj对内容fc缓存标识，若表示服务用户sj已缓存内容fc，否则，令为SBSj对内容fc的缓存变量，若表示将内容fc缓存至SBSj缓存器，否则，
5.根据权利要求1所述的支持D2D-蜂窝异构网络联合用户关联及内容缓存方法，其特征在于：所述步骤S4具体为：
(1)建模D2D模式传输速率：根据公式计算请求用户ri与服务用户sj之间的链路传输速率，其中，Wd表示D2D链路可用带宽，表示服务用户sj发送功率，表示请求用户ri与服务用户sj之间的链路信道增益，σ2表示链路噪声功率；
(2)建模SBS关联模式传输速率：根据公式计算请求用户ri与SBSj之间的链路传输速率，其中，表示SBSj子信道带宽，表示SBSj发送功率，表示请求用户ri与SBSj之间的链路信道增益；
(3)建模SBS与MBS之间链路传输速率：根据公式计算SBSj与MBS之间的链路传输速率，其中，Wm表示MBS子信道带宽，Pm表示MBS发送功率，表示SBSj与MBS之间的链路信道增益；
(4)建模MBS关联模式传输速率：根据公式计算请求用户ri与MBS之间的链路传输速率，其中，表示请求用户ri与MBS之间的链路信道增益。
6.根据权利要求1所述的支持D2D-蜂窝异构网络联合用户关联及内容缓存方法，其特征在于：在步骤S5中，所述建模用户总传输时延D为所有用户内容传输时延之和，即其中，表示请求用户ri通过D2D模式获取内容对应的传输时延，表示请求用户ri通过SBS获取内容对应的传输时延，表示请求用户ri通过MBS获取内容对应的传输时延。
7.根据权利要求1所述的支持D2D-蜂窝异构网络联合用户关联及内容缓存方法，其特征在于：所述步骤S6具体为：根据公式计算请求用户ri通过D2D模式获取内容对应的传输时延，其中，表示请求内容fc的用户ri关联到服务用户sj获取内容对应的传输时延，建模为
8.根据权利要求1所述的支持D2D-蜂窝异构网络联合用户关联及内容缓存方法，其特征在于：所述步骤S7具体为：根据公式计算请求用户ri通过SBS关联模式获取内容对应的传输时延，其中，分别表示请求文件fc的用户ri关联到SBSj获取内容对应的传输时延，排队时延，及MBS的回程链路传输时延，建模为建模其中，γj，βj分别表示SBSj平均服务率和平均业务到达率。
9.根据权利要求1所述的支持D2D-蜂窝异构网络联合用户关联及内容缓存方法，其特征在于：所述步骤S8具体为：根据公式计算请求用户ri通过MBS关联模式获取内容对应的传输时延，其中，分别表示请求内容fc的用户ri关联到MBS获取内容对应的传输时延，排队时延；建模为建模为其中，γ，β分别表示MBS平均服务率和平均业务到达率。
10.根据权利要求9所述的支持D2D-蜂窝异构网络联合用户关联及内容缓存方法，其特征在于：所述步骤S9具体为：用户内容关联限制条件建模为(1-ai,c)xi,c＝0，内容缓存限制条件建模为其中，Sc为内容fc的大小，表示SBSj缓存器容量；用户传输速率限制条件建模为其中，表示请求用户ri最低服务数据速率，
所述步骤S10具体为：在满足用户业联合用户关联及内容缓存限制条件下，以用户总时延最小化为目标，优化确定用户关联模式及内容缓存策略，记
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