CN108432337A - 一种用于管理向用户设备分发多个文件的基站和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基站(100)，用于管理向位于所述基站(100)的服务区域(100a)内的用户设备(111a‑c)分发多个文件，其中所述多个文件中的每一个文件都可以被分解成多个文件片段。所述基站(100)包括：选择器(101)，用于为位于所述基站(100)的服务区域(100a)内的多个微基站(109a‑d)中的每一个微基站以及为所述多个文件中的每一个文件选择所述文件的多个文件片段的子集；分发器(103)，用于将针对所述多个文件中的每一个文件所选择的多个文件片段的子集分发至所述多个微基站(109a‑d)中的每一个微基站，在各自微基站(109a‑d)缓存所选择的多个文件片段的子集以可供用户设备(111a‑c)下载。此外，本发明还涉及一种用于管理向位于基站等的服务区域内的用户设备分发多个文件的方法。

Description

一种用于管理向用户设备分发多个文件的基站和方法
技术领域
大体来说，本发明涉及无线通信。更具体地，本发明涉及一种基站，用于管理向位于所述基站的服务区域内的用户设备分发多个文件，以及一种用于管理向位于基站的服务区域内的用户设备分发多个文件的方法。
背景技术
未来无线网络例如5G网络中的内容缓存已经提出作为一种通过回传分流提高网络性能的技术，从而降低向终端用户传送内容的时延(X.Wang、M.Chen、T.Taleb、A.Ksentini以及V.C.M.Leung，“空中缓存：针对5G系统利用内容缓存和传送技术”，IEEE通信杂志，第52卷，第2期，第131至139页，2014年2月)。最近已经提出通过在无线边缘缓存将内容尽可能近地传递给用户的理念(E.Bastug、M.Bennis以及M.Debbah，“生活在边缘：5G无线网络中主动缓存的作用”，IEEE通信杂志，第52卷，第8期，第82至89页，2014年8月)。特别地，分布式缓存适用于未来多层网络的异构结构(J.G.Andrews，“HetNets是蜂窝范式转变的七种方法”，IEEE通信杂志，第51卷，第3期，第136至144页，2013年3月)，除了传统上存在于当前蜂窝网络中的宏小区基站(macro-cell base station，简称MBS)之外，具备存储能力的密集部署的微小区基站或小基站(small-cell base station，简称SBS)也预计为移动用户服务。
近来已经从多个角度研究了在网络边缘缓存内容的理念，以应对未来无线网络中日益增长的数据流量。在文献中，已经提出了就中断概率而言用于测量缓存使能的SBS中的缓存性能的模型(E.Bastug、M.Bennis以及M.Debbah，“缓存使能的小基站网络：建模和权衡”，IEEE国际无线通信系统研讨会(International Symposium on WirelessCommunications Systems，简称ISWCS)，巴塞罗那，西班牙，2014年8月)。此外，从信息-理论的角度研究了缓存，其中为大型网络定义和分析了缓存指标(U.Niesen、D.Shah以及G.W.Wornell，“无线网络中的缓存”，IEEE信息理论汇刊，第58卷，第10期，第6524至6540页，2012年10月)。已经表明，在无线网络边缘缓存就能效而言提供了显著增益，这被认为是未来无线网络的基本指标(B.Perabathini、E.Bastug、M.Kountouris、M.Debbah以及A.Contey，“边缘缓存：5G网络的绿色视角”，IEEE通信国际会议(InternationalConference on Communications，简称ICC)，伦敦，英国，2015年6月)。
最近工作中的另一个有趣方法源自利用网络编码技术将内容放置且传递到无线边缘的缓存器的理念，以改善未编码缓存的理论性能限制(K.Poularakis、V.Sourlas、P.Flegkas以及L.Tassiulas，“在具有缓存能力的小基站网络中利用网络编码”，IEEE计算机和通信研讨会(IEEE Symposium on Computers and Communications，简称ISCC)，丰沙尔，葡萄牙，2014年6月)。边缘缓存的其它方面已经在文献中讨论过，例如，利用网络中的用户的移动性增加缓存增益的理念，或通过直接在用户设备上缓存内容利用移动电话的存储能力的可能性(N.Golrezaei、A.G.Dimakis以及A.F.Molisch，“利用分布式缓存的无线设备到设备通信”，IEEE国际信息论研讨会(International Symposium on InformationTheory，简称ISIT)，剑桥，美国，2012年7月)。K.Shanmugam、N.Golrezaei、A.G.Dimakis、A.F.Molisch以及G.Caire在“毫微微缓存：通过分布式缓存助手进行无线内容传送”(IEEE信息理论汇刊，第59卷，第12期，第8402至8413页，2013年12月)中假设连通图的知识，这导致NP完整性的问题。此外，M.Ji、A.M.Tulino、J.Llorca以及G.Caire在“关于具有随机需求的缓存和编码多播的平均性能”(IEEE国际无线通信系统研讨会(InternationalSymposium on Wireless Communications Systems，简称ISWCS)，巴塞罗那，西班牙，2014年8月)中假设连通图的知识，这导致NP完整性的问题，并描述网络编码的使用。A.Sengupta等人在“学习小基站网络中的分布式缓存策略”(IEEE国际无线通信系统研讨会(International Symposium on Wireless Communications Systems，简称ISWCS)，巴塞罗那，西班牙，2014年8月)中揭露了一种复杂的缓存方案，也假设了完整的连通图的知识。
尽管上文描述的一些内容缓存的尝试已经使得网络性能得以改善，但仍需要进一步提高。因此，需要一种改善的基站，用于管理向至少一个用户设备分发多个文件，以及一种用于管理向位于基站的服务区域内的至少一个用户设备分发多个文件的改善的方法。
发明内容
本发明的目标是提供一种改善的基站，用于管理向至少一个用户设备分发多个文件，以及一种用于管理向位于基站的服务区域内的至少一个用户设备分发多个文件的改善的方法。
独立权利要求的主题是实现上述和其它目的。根据从属权利要求、说明书以及附图会使其它实施方式更易于理解。
第一方面，本发明涉及一种基站(也称为宏基站或宏小区基站)，用于管理向位于所述基站的服务区域内的至少一个用户设备分发多个文件，其中所述多个文件中的每一个文件都可以被分解成多个文件片段。所述基站包括：选择器，用于为位于所述基站的服务区域内的多个微基站中的每一个微基站(也称作微小区或者小基站)以及为所述多个文件中的每一个文件选择所述文件的多个文件片段的子集；分发器，用于将针对所述多个文件中的每一个文件所选择的所述多个文件片段的子集分发至所述多个微基站中的每一个微基站，以在各自微基站缓存所选择的所述多个文件片段的子集可供用户设备下载。
将文件划分为文件片段并在各自的微基站缓存文件片段的各自子集使得回传流量减小。从而提供了一种用于管理向至少一个用户设备分发多个文件的改善的基站。
根据本发明的第一方面，在所述基站的第一种可能的实施方式中，所述基站还包括存储器，用于针对每个文件存储所述多个文件片段，以供用户设备直接下载。
有利地，如果无法从服务用户设备的微基站获得任何文件片段，则所述基站可以用作备份。可替代地，文件片段可以存储于后端系统例如移动网络的数据库中。
根据本发明的第一方面或者第一方面的第一种实施方式，在所述基站的第二种可能的实施方式中，所述基站还包括分解器，用于将所述多个文件的每一个文件分解成所述多个文件片段。
有利地，待下载至用户设备的文件可以由基站分解成多个文件片段。可替代地，文件片段可以由后端系统例如移动网络提供给基站。
根据第一方面或者第一方面的第一种或第二种实施方式，在所述基站的第三种可能的实施方式中，所述选择器用于通过为每个微基站以及为每个文件随机选择所述多个文件片段中的文件片段来为每个微基站以及为每个文件选择所述文件的所述多个文件片段的子集。
有利地，随机选择使得具有重叠服务区域的相邻微基站向用户设备提供同一个文件的不同文件片段成为可能。
根据第一方面或者第一方面的第一种至第三种实施方式中的任一种实施方式，在所述基站的第四种可能的实施方式中，所述选择器用于通过为每个微基站选择所述多个文件片段中相同数量的文件片段来为每个微基站以及为每个文件选择所述文件的所述多个文件片段的子集。有利地，给定文件具有相同数量的文件片段可以简化文件片段的选择过程。
根据第一方面或者第一方面的第一种至第四种实施方式中的任一种实施方式，在所述基站的第五种可能的实施方式中，所述选择器用于通过为每个微基站选择所述多个文件片段中相同数量的文件片段来为每个微基站以及为每个文件选择所述文件的所述多个文件片段的子集，其中给定文件的文件片段的数量取决于给定文件的需求。
有利地，相比不太受欢迎的文件，越受欢迎的文件即越经常被下载的文件就可以有越多的文件片段在微基站本地缓存。
根据第一方面的第五种实施方式，在所述基站的第六种可能的实施方式中，所述选择器和所述分发器均用于基于所述多个文件的需求变化周期性地调整为所述微基站选择和分发的文件片段。动态调整可以有利地对文件需求的变化即文件热度的变化作出反应。
根据第一方面或者第一方面的第一种至第六种实施方式中的任一种实施方式，在所述基站的第七种可能的实施方式中，所述选择器用于通过最小化平均回传速率、时延和/或能量损耗来为每个微基站以及为每个文件选择所述文件的所述多个文件片段的子集。
有利地，关于与文件下载相关的回传流量、时延和/或能量损耗，可以以应用特定的方式进行优化。
根据第一方面或者第一方面的第一种至第七种实施方式中的任一种实施方式，在所述基站的第八种可能的实施方式中，所述选择器用于通过确定文件片段的标准数量qj来为每个微基站以及为每个文件选择所述文件的所述多个文件片段的子集，其中0≤qj≤1，j大于等于1小于等于N，且以下等式小于预定阈值，特别是最小值：
其中N表示文件数量，S表示所述基站的服务区域内的微基站的总数，ai表示i个微基站所覆盖的用户设备的比例，pj表示第j个文件的热度度量，其中M表示所述微基站的缓存大小的度量。
根据第一方面或者第一方面的第一种至第八种实施方式中的任一种实施方式，在所述基站的第九种可能的实施方式中，所述分发器用于当网络流量低于特定阈值时，不时地将针对所述多个文件中的每一个文件所选择的所述多个文件片段的子集分发至所述多个微基站中的每一个微基站。
有利地，这种实施方式允许在低网络流量如夜晚时分发文件片段，从而减小对网络的压力。根据第一方面或者第一方面的第一种至第九种实施方式中的任一种实施方式，在所述基站的第十种可能的实施方式中，所述文件片段的大小相同。
第二方面，本发明涉及一种微基站，用于针对多个文件中的每一个文件缓存可供用户设备下载的文件片段的各自子集。
第三方面，本发明涉及一种用于管理向位于基站的服务区域内的用户设备分发多个文件的方法，其中所述多个文件中的每一个文件都可以被分解成多个文件片段，所述方法包括以下步骤：为位于所述基站的服务区域内的多个微基站中的每一个微基站以及为所述多个文件中的每一个文件选择该文件的多个文件片段的子集；将针对所述多个文件中的每一个文件所选择的所述多个文件片段的子集分发至所述多个微基站中的每一个微基站，以在各自微基站缓存所选择的多个文件片段的子集可供用户设备下载。
本发明第三方面提供的方法可以由本发明第一方面提供的基站执行。本发明第三方面提供的方法的其它特征直接从本发明第一方面及其不同的实施方式所述的基站的功能中得到。
第四方面，本发明涉及一种计算机程序，包括：程序代码，用于在计算机上运行时，执行本发明的第三方面提供的方法。
本发明可以以硬件和/或软件形式实现。
附图说明
本发明的其它实施例将结合以下附图进行描述，其中：
图1示出一个实施例提供的用于管理向多个用户设备分发多个文件的基站的示意图；
图2示出一个实施例提供的用于管理向多个用户设备分发多个文件的基站的示意图；
图3示出一个实施例提供的用于管理向多个用户设备分发多个文件的基站的示意图；
图4示出一个实施例提供的用于管理向多个用户设备分发多个文件的方法的步骤的示意图；
图5示出一个实施例提供的用于管理向多个用户设备分发多个文件的基站的示意图；
图6示出一个实施例提供的根据四种不同的文件分发方案(其中包括在基站中实现的文件分发方案)的缓存大小的函数得到的回传速率的示意图；
图7示出一个实施例提供的根据四种不同的文件分发方案(其中包括在基站中实现的文件分发方案)的微基站覆盖半径的函数得到的回传速率的示意图；
图8示出一个实施例提供的根据四种不同的文件分发方案(其中包括在基站中实现的文件分发方案)的Zipf参数的函数得到的回传速率的示意图；
图9示出一个实施例提供的根据四种不同的文件分发方案(其中包括在基站中实现的文件分发方案)的文件数量的函数得到的回传速率的示意图。
具体实施方式
以下结合附图进行详细描述，所述附图是描述的一部分，并通过图解说明的方式示出可以实施本发明的具体方面。可以理解的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以利用其它方面，并做出结构或逻辑上的改变。因此，以下详细的描述并不当作限定，本发明的范围由所附权利要求书界定。
例如，可以理解的是与所描述方法有关的披露对于用于执行所述方法的对应设备或系统也同样适用，反之亦然。例如，如果描述了一个具体的方法步骤，对应的设备可以包括用于执行所描述方法步骤的单元，即使这样的单元并没有在附图中明确阐述或说明。进一步地，可以理解的是本文所描述的各种示例性方面的特征可以互相结合，除非另有说明。
图1、图2和图3示出了本发明实施例提供的基站100(在本文也称作宏基站(macrobase station，简称MBS)或者宏小区基站100)的示意图。所述基站100是无线通信网络的一部分，用于与位于所述基站100的服务区域100a内的多个微基站109a-d(本文也称作微小区基站或者小基站109a-d)以及多个用户设备或者移动台111a-c通信。所述多个微基站109a-d反过来用于与位于各自微基站的服务区域内的多个用户设备111a-c中的一个或多个用户设备通信。作为示例，在图1所示的实施例中，所述微基站109a和109d均用于与用户设备111a通信，所述微基站109b用于与用户设备111b通信，所述微基站109c用于与用户设备111c通信。本领域技术人员应该理解，尽管为了简明起见，图1仅示出了示例性的4个微基站和3个用户设备，但是本发明实施例也可以方便地用于具有不同数量特别是更多数量的微基站和/或用户设备的场景。优选地，多个微基站密集部署在所述基站100的服务区域100a内，即覆盖所述服务区域100a的重叠区域。对应的实施例会在下面图5的上下文中进一步描述。
所述多个用户设备111a-c中的用户设备可以是移动电话、智能手机、平板电脑、车载通信模块、M2M模块或者任意其它类型的用于通过无线通信网络下载文件的移动无线通信设备等等。如本领域技术人员所熟知的，这样的用户设备可以包括硬件组件，例如天线、收发器、LTE模块、WiFi模块、处理器等等，用于通过无线通信网络通信。用于所述宏基站100和所述多个微基站109a-d以及所述多个用户设备111a-c之间的通信的无线通信网络可以是蜂窝无线通信网络，例如LTE网络、LTE-A网络或者其未来演进网络，如5G或者WiFi网络等。
所述基站100用于通过所述无线通信网络管理向所述多个用户设备111a-c分发多个文件，其中所述多个文件中的每一个文件都可以被分解成多个文件片段。举例进行以下讨论，假设所述基站100支持N个文件Fi的库，其中i＝1,2,…,N，以向所述多个用户设备111a-c分发。如图3所示，在一个实施例中，这些N个文件Fi可以由核心网或后端系统中的文件库或者服务器提供，并且在提供给所述基站100时会产生流量。进一步如图3所示，例如文件Fi可以被分解或分段成n个文件片段在一个实施例中，所述多个文件片段的大小可能相同。
从图1的放大图可以看出，所述宏基站100包括选择器101，用于为每一个微基站109a-d以及为所述多个文件F1至FN中的每一个文件Fi选择所述文件的所述多个文件片段的子集。
此外，所述宏基站100包括分发器103，用于将针对所述多个文件F1至FN中的每一个文件Fi所选择的所述多个文件片段的子集分发至每一个微基站109a-d，使得所选择的所述多个文件片段的子集可以在各自微基站109a-d缓存，以供用户设备111a-c下载。
在一个实施例中，所述基站100还包括存储器105，用于针对每个文件Fi存储所述多个文件片段以供用户设备111a-c直接下载。在这个实施例中，如果无法从服务用户设备111a的微基站109a-d获得任何文件片段，则所述宏基站100可以用作备份。
在一个实施例中，所述基站100还包括分解器107，用于将所述多个文件F1至FN中的每一个文件Fi分解成所述多个文件片段在这个实施例中，所述基站100可以通过所述分解器107将所述后端系统提供的任意文件Fi分解成多个文件片段以将选择的文件片段分发至所述多个微基站109a-d。可替代地或者另外地，文件片段可以由后端系统提供给所述基站100。
在一个实施例中，所述选择器101用于为每个微基站109a-d以及为每个文件Fi从所述多个文件片段中随机选择构成文件片段子集的文件片段。从所述多个文件片段中随机选择使得具有重叠的服务区域的相邻微基站109a-d向所述用户设备111a-c提供文件Fi的不同文件片段成为可能。
在一个实施例中，所述选择器101用于为每个微基站109a-d选择相同数量的文件片段。有利地，给定文件具有相同数量的文件片段可以简化文件片段的选择过程。
在一个实施例中，所述选择器101用于通过为每个微基站109a-d选择所述多个文件片段中相同数量的文件片段来为每个微基站109a-d以及为每个文件Fi选择所述文件Fi的多个文件片段的子集，其中给定文件Fi的文件片段的数量mi取决于所述文件Fi的需求。例如，在一个实施例中，所述选择器101用于对文件F1选择m1个文件片段，对文件F2选择m2个文件片段，其中，在文件F1比文件F2需求更大即更受欢迎的情况下，m1大于m2。因此，有利地，相比不太受欢迎的文件，越受欢迎的文件就可以有越多的文件片段在微基站本地缓存。
在一个实施例中，所述基站100的所述选择器101和所述分发器103均用于基于所述多个文件的需求变化为所述多个微基站109a-d周期性地调整所选择和分发的每个文件Fi的文件片段动态调整可以有利地对文件需求的变化作出反应。
在一个实施例中，所述选择器101用于通过最小化平均回传速率、时延和/或能量损耗来为每个微基站109a-d以及为每个文件Fi选择所述文件的多个文件片段的子集。有利地，关于文件传输的回传流量、时延和/或能量损耗，可以以应用特定的方式进行优化。
在下文描述的实施例中，所述选择器101用于为每个微基站109a-d以及为每个文件Fi选择所述文件的多个文件片段的子集，以使平均回传速率最小。在这个实施例中，每个微基站109a-d都有缓存器或者存储器用于存储文件片段，其中所述缓存器的大小M(文件数量)小于文件数量N。在一个实施例中，假设所述N个文件F1至FN大小相同。
如上所述，所述选择器101从所述文件Fi的多个文件片段中选择的文件片段的数量表示为mi。标准版本的mi由qi＝mi/n给出，其中，如上所述，n是构成文件Fi的文件片段的数量。每个文件Fi都与表示为pi的文件需求或者热度度量相关。在一个实施例中，可以利用以下等式将文件需求分发建模为参数α的Zipf定律：
其中α表示分发的偏度，并且取值通常在0.5到1.5之间。但是本发明不限于Zipf热度分发的情况。
在一个实施例中，所述基站100覆盖的所述服务区域100a的大小为A＝πD2，其中所述服务区域100a是圆形，所述基站的传输范围是D。每个微基站109a-d都可以覆盖较小的区域，但是微基站的服务区域或者覆盖区域优选重叠，将服务区域100a划分为K个子区域，其中用户设备111a-c可以由不止一个微基站服务。这里的Rk i指的是大小为Ak i的第k个子区域，其中下标i表示可以服务此子区域的微基站109a-d的数量。一般来说，即使两个子区域Rk i和Rk’ i是由相同数量的i个微基站109a-d覆盖，其大小也可能会不同，因为本发明不限于均匀分布的微基站。这里的ρk表示子区域Rk i中的用户设备111a-c的密度。因此，用户设备111a-c位于由i个微基站109a-d服务的子区域中的概率ai可以通过以下等式计算：
如上所述，每个微基站109a-d接收待存储在其缓存器中的文件Fj的mj个随机抽取的不同片段，其中0≦mj≦n。寻找最佳分发方案等同于针对每个文件Fj寻找待存储在所述微基站109a-d中的片段的最佳数量mj，以最小化所述基站100的服务区域100a中用户设备所经历的平均回传速率，其在本文中定义为在文件请求的情况下需要从基站100(因此可能从核心网)下载的文件的平均片段数。这个问题可以改写为易处理的凸优化问题。利用qi＝mi/n，即由qi＝mi/n给出标准版本的mi，待存储在所述微基站109a-d的每个文件Fj的片段的最佳数量mj可以通过求解以下等式确定(给定约束条件是)，其中最佳数量是用于最小化所述基站100的服务区域100a中用户设备所经历的平均回传速率：
其中S表示所述基站100的服务区域100a中微基站109a-d的总数。本领域技术人员应该理解，改进的分发方案可能已经由一组qi值提供，上述等式不是最小值，而是小于预定阈值。由上述等式定义的凸优化问题可以通过标准的凸优化方法直接求解(参考“凸优化”，S.Boyd，剑桥大学出版社2004)。
如上所述，根据实施例在所述基站100中实现的文件分发方案可以认为是由两个阶段组成，即文件片段分发阶段和文件传送阶段。
在文件片段分发阶段，所述基站100基于上述文件片段分发方案填充所述微基站109a-d的缓存器。在一个实施例中，所述基站100的分发器103用于网络流量低于特定阈值时，不时地将针对所述多个文件中的每一个文件Fi所选定的所述多个文件片段的子集分发至所述多个微基站109a-d中的每一个微基站。有利地，这允许在低网络流量如夜晚时分发文件片段，从而减小对网络的压力。
在传送阶段，请求文件的用户设备111a-c最初由覆盖其位置的微基站109a-d服务。如果所请求的文件的片段不存在于所述微基站109a-d的缓存器中，则这些文件片段必须通过所述基站100的回传传送。
图4示出用于管理向位于基站，例如图1至3中示出的基站100，的服务区域内的用户设备分发多个文件的方法400的步骤的示意图，其中所述多个文件中的每一个文件都可以被分解成多个文件片段。所述方法400包括：第一步骤401，即为位于所述基站的服务区域内的多个微基站中的每一个微基站以及为所述多个文件中的每一个文件选择该文件的多个文件片段的子集；第二步骤403，即将针对所述多个文件中的每一个文件所选择的多个文件片段的子集分发至所述多个微基站中的每一个微基站，在各自微基站缓存所选择的多个文件片段的子集以可供用户设备下载。
作为示例，图5示出基站100的示意图，所述基站100用于根据在示例性的HetNet拓扑(异构网络拓扑)的上下文中实现的实施例管理向多个用户设备分发多个文件。作为示例，根据每个微基站之间距离d＝60米的规则网格部署多个微基站。为了清楚起见，图5中仅参考四个示例性的微基站，即微基站109a-d。作为示例，假定为圆形的所述基站100的服务区域100a的覆盖半径D＝500米。为了触及所述基站100的服务区域100a中的任意用户设备，每个微基站都具有半径为r的服务区域，使得d/√2≤r≤d，这意味着微基站的各自服务区域在例如图5所示的突出显示的正方形处重叠。针对这种示例性的布置，可以利用简单的几何计算从理论上近似估计系数Ak i。作为示例，假设多个用户设备均匀分布在所述基站100的服务区域100a内，其中密度ρ＝0.05(用户设备)/m2。为了清楚起见，图5中仅参考了三个示例性的用户设备，即用户设备111a-c。上文选择的示例性参数对应于覆盖示例性的共31415个用户设备的示例性的共316个微基站。
为了根据本发明实施例评估将文件片段从所述基站100最佳分发至多个微基站的性能增益，在下文中，将本发明实施例提供的最佳文件片段分发方案C(opt)获得的可实现的回传速率R(opt)与其它三种分发方案进行比较，即：
1)均匀分发方案C(unif)：将文件片段均匀放置在各个微基站，即每个微基站存储每个文件的Mn/N个片段。通过此方案可实现的回传速率表示为R(unif)；
2)“最受欢迎”的分发方案C(pop)：每个微基站存储有完整的M个最受欢迎的文件，即文件F1，...，FM的所有片段都存储在所有微基站中。通过此方案可实现的回传速率表示为R(pop)；
3)比例分发方案C(prop)：针对每个文件Fj，存储在微基站的片段数量mj与其热度pj成正比，同时满足存储约束条件。通过此方案可实现的回传速率表示为R(prop)。
本文提出的理论结果的有效性可以从图6看出，图6示出了基于本文提出的理论结果的回传速率以及通过将上述四个分发方案的文件分发实际模拟为每个微型基站的缓存大小M的函数所得到的回传速率。作为示例，假设用户设备的文件请求根据参数α＝0.7的Zipf定律随机抽取。在图6中，这些线描述了理论回传速率，而标记描述了模拟的分发方案进程。由于平均理论回传速率与模拟的回传速率之间存在很好的匹配，下文中仅针对上述四种不同的分发方案的理论回传速率进行更详细的说明。
如上所述，图6示出根据微基站的缓存大小M的函数得到的回传速率。正如预期，当微基站的存储容量M增加时，回传速率下降，并且由本发明实施例提供的最佳分发方案优于其它三种分发方案。此外，可以看出，根据本发明实施例的最佳分发方案提供的回传速率R(opt)与其它分发方案提供的回传速率之间的差值随着缓存大小M的增加而增加。最后，可以注意到“最受欢迎”的分发方案C(pop)最接近本发明实施例提供的最佳分发方案。但是，回传速率之间相当小的差值是因为图6选择的示例性几何配置的相邻微基站的服务区域的相当小的重叠所致，并且针对不同的参数选择差值会变大。
图7示出根据上述四种不同的文件分发方案的微基站覆盖半径r的函数得到的回传速率的示意图，确认了图6的先前结果，即本发明实施例提供的最佳分发方案优于其它三种分发方案。可以从图7中看出C(pop)分发方案的明显行为，因为其回传速率不依赖于微基站覆盖半径，即回传速率恒定不变。此行为是因为最受欢迎的文件存储在此方案的微基站中。由更多微基站服务不会增加访问新文件的可能性，因为相同的文件存储在每个微基站中。与C(pop)分发方案相反，其它分发方案的性能随着微基站覆盖区域的增加而增加，并且显而易见地，由本发明实施例提供的最佳方案明显优于用于较大半径的其它两种方案，其可以通过以下示例说明。在一种场景中，存在200个文件，例如视频文件，每个文件的大小为100兆比特，本发明实施例提供的最佳回传速率R(opt)与次最佳回传速率R(prop)之间的差值在r＝60时为0.07。这表示在基站100定义的宏小区中每秒1个文件请求的情况下，回传负载的差值为7Mbits/s，这对于现今最大回传容量来说是相当可观的增益。
图8是根据上述四种不同的文件分发方案的Zipf参数的函数得到的回传速率的示意图。如上所述，Zipf参数α的值越小，请求概率分发或文件热度越“均匀”。这个事实解释了图8中α＝0.5的最小值时所有方案性能相当的原因。但是，由于均匀分发方案C(unif)不使用请求分发的统计结果，因此与其它方案相反，随着α值增大，该方案的回传速率性能没有改善。为了得到图8所示的结果，假定微基站的覆盖半径r＝60米，由于图7中已经解释的原因，可以观察到比例分布方案C(prop)优于“最受欢迎”的分发方案C(pop)。对于这两种分发方案，即C(prop)和C(pop)，可实现的回传速率基本上都大于本发明实施例提供的最佳分发方案的回传速率。
图9是根据上述四种不同的文件分发方案的文件数量N的函数得到的回传速率的示意图，同时保留微基站的缓存大小M不变。对于小型文件库，即文件数量N较小，“最受欢迎”的分发方案C(pop)优于其它分发方案，因为相比仅存储几个完整的文件，文件片段在微基站缓存器上的扩展更加高效。另一方面，随着库大小N的增加，与其它分发方案相比，“最受欢迎”的分发方案C(pop)的性能更好。但是，C(pop)分发方案仍然优于C(prop)分发方案，因为在这个例子中，C(pop)分发方案不支持假设的微基站覆盖半径r＝60米。此外，该图清楚地示出了本发明实施例提供的最佳文件片段分发方案C(opt)如何优于其它三种分发方案，特别是对于文件数量N较大的情况。
根据本发明实施例，通常是当前无线通信网络的瓶颈的回传负载明显降低。本发明实施例允许利用诸如HetNets、5G等未来无线网络的特性，即微基站的重叠服务区域提供的空间冗余以及无线通信网络边缘处的廉价存储能力。关于时延降低和回传分流，本发明实施例明显优于当前文件分发或内容缓存方案。本发明实施例固有地支持用户移动性(实际上移动性能增强)。可以针对各种网络拓扑有效实现本发明实施例，并且可以通过优化微基站的部署进一步改进本发明实施例。
尽管本发明的特定特征或方面可能已经仅结合几种实施方式或实施例中的一种进行公开，但此类特征或方面可以和其它实施方式或实施例中的一个或多个特征或方面相结合，只要对于任何给定或特定的应用是有需要或有利。而且，在一定程度上，术语“包括”、“有”、“具有”或这些词的其它变形在详细的说明书或权利要求书中使用，这类术语和术语“包含”相似，都是表示包括的含义。同样，术语“示例性地”、“例如”以及“等等”仅表示为示例，而不是最好或最佳的。可以使用术语“耦合”和“连接”及其派生词。应当理解，这些术语可以用于指示两个元件彼此互相协作或交互，无论它们是直接物理接触还是电接触，或者它们彼此不直接接触。
尽管本文中已说明和描述特定方面，但本领域普通技术人员应了解，各种替代和/或等效的实施方式可在不脱离本发明的范围的情况下代替所示和描述的特定方面。该申请旨在覆盖本文论述的特定方面的任何调整或变更。
尽管下文权利要求书中的元件是利用对应的标签按照特定顺序描述，除非对权利要求的阐述另有暗示用于实施部分或所有这些元件的特定顺序，否则这些元件不必限于以所述特定顺序来实施。
通过以上启示，对于本领域技术人员来说，许多替代、修改和变更都是显而易见的。当然，本领域技术人员容易认识到除本文所述的应用之外，本发明还存在众多其它应用。虽然已参考一个或多个特定实施例描述了本发明，但本领域技术人员应认识到在不偏离本发明的范围的前提下，仍可对本发明作出许多改变。因此，应理解，只要是在所附权利要求书及其等效物的范围内，可以利用不同于本文具体描述的方式来实践本发明。

Claims (15)

1.一种基站(100)，其特征在于，用于管理向位于所述基站(100)的服务区域(100a)内的用户设备(111a-c)分发多个文件，所述多个文件中的每一个文件都可以被分解成多个文件片段，所述基站(100)包括：
选择器(101)，用于为位于所述基站(100)的服务区域(100a)内的多个微基站(109a-d)中的每一个微基站以及为所述多个文件中的每一个文件选择所述文件的多个文件片段的子集；
分发器(103)，用于将针对所述多个文件中的每一个文件所选择的所述多个文件片段的子集分发至所述多个微基站(109a-d)中的每一个微基站，以在各自微基站(109a-d)缓存所选择的所述多个文件片段的子集可供用户设备(111a-c)下载。
2.根据权利要求1所述的基站(100)，其特征在于，所述基站(100)还包括存储器(105)，用于针对每个文件存储所述多个文件片段，以供用户设备(111a-c)下载。
3.根据权利要求1或2所述的基站(100)，其特征在于，所述基站(100)还包括分解器(107)，用于将所述多个文件的每一个文件分解成所述多个文件片段。
4.根据上述权利要求任一项所述的基站(100)，其特征在于，所述选择器(101)用于通过为每个微基站(109a-d)以及为每个文件随机选择所述多个文件片段中的文件片段来为每个微基站(109a-d)以及为每个文件选择所述文件的所述多个文件片段的子集。
5.根据上述权利要求任一项所述的基站(100)，其特征在于，所述选择器(101)用于通过为每个微基站(109a-d)选择所述多个文件片段中相同数量的文件片段来为每个微基站(109a-d)以及为每个文件选择所述文件的所述多个文件片段的子集。
6.根据上述权利要求任一项所述的基站(100)，其特征在于，所述选择器(101)用于通过为每个微基站(109a-d)选择所述多个文件片段中相同数量的文件片段来为每个微基站(109a-d)以及为每个文件选择所述文件的所述多个文件片段的子集，其中给定文件的文件片段的数量取决于给定文件的需求。
7.根据权利要求6所述的基站(100)，其特征在于，所述选择器(101)和所述分配器(103)均用于基于所述多个文件的需求变化周期性地调整为所述多个微基站(109a-d)选择和分发的文件片段。
8.根据上述权利要求任一项所述的基站(100)，其特征在于，所述选择器(101)用于通过最小化平均回传速率、时延和/或能量损耗来为每个微基站(109a-d)以及为每个文件选择所述文件的所述多个文件片段的子集。
9.根据上述权利要求任一项所述的基站(100)，其特征在于，所述选择器(101)用于通过确定文件片段的标准数量qj来为每个微基站(109a-d)以及为每个文件选择所述文件的所述多个文件片段的子集，其中0≤qj≤1，j大于等于1小于等于N，且以下等式小于预定阈值，特别是最小值：
其中N表示文件数量，S表示所述基站(100)的服务区域内(100a)的微基站(109a-d)的总数，ai表示i个微基站(109a-d)所覆盖的用户设备(111a-c)的比例，pj表示第j个文件的热度度量，其中M表示所述微基站(109a-d)用于存储文件片段的缓存大小的度量。
10.根据上述权利要求任一项所述的基站(100)，其特征在于，所述分发器(103)用于当网络流量低于特定阈值时，不时地将针对所述多个文件中的每一个文件所选择的所述多个文件片段的子集分发至所述多个微基站(109a-d)中的每一个微基站。
11.根据上述权利要求任一项所述的基站(100)，其特征在于，所述文件片段的大小相同。
12.一种微基站(109a-d)，其特征在于，用于针对多个文件中的每一个文件缓存可供用户设备(111a-c)下载的文件片段的各自子集。
13.一种用于管理向位于基站(100)的服务区域(100a)内的用户设备(111a-c)分发多个文件的方法(400)，其特征在于，所述多个文件中的每一个文件都可以被分解成多个文件片段，所述方法(400)包括以下步骤：
为位于所述基站(100)的服务区域(100a)内的多个微基站(109a-d)中的每一个微基站以及为所述多个文件中的每一个文件选择(401)所述文件的多个文件片段的子集；
将针对所述多个文件中的每一个文件所选择的所述多个文件片段的子集分发(403)至所述多个微基站(109a-d)中的每一个微基站，以在各自微基站(109a-d)缓存所选择的所述多个文件片段的子集可供用户设备(111a-c)下载。
14.根据权利要求13所述的方法(400)，其特征在于，所述选择所述文件的多个文件片段的子集的步骤(401)还包括以下步骤：确定文件片段的标准数量qj，其中0≤qj≤1，j大于等于1小于等于N，且以下等式小于预定阈值，特别是最小值：
其中N表示文件数量，S表示所述基站(100)的服务区域内(100a)的微基站(109a-d)的总数，ai表示i个微基站(109a-d)所覆盖的用户设备(111a-c)的比例，pj表示第j个文件的热度度量，其中M表示所述微基站(109a-d)用于存储文件片段的缓存大小的度量。
15.一种计算机程序，其特征在于，包括：程序代码，用于在计算机上运行时，执行权利要求13或14所述的方法(200)。
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