CN108668288A

CN108668288A - 用于优化无线缓存网络中小基站位置的方法

Info

Publication number: CN108668288A
Application number: CN201810365986.0A
Authority: CN
Inventors: 廖玉成; 肖悦; 甘瑞蒙
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2018-04-23
Filing date: 2018-04-23
Publication date: 2018-10-16
Anticipated expiration: 2038-04-23
Also published as: CN108668288B

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是用于优化无线缓存网络中小基站位置的方法。本发明的方法在现有的基于路由优化的无线缓存技术的基础上，进一步对小基站的位置进行优化，本发明用于无线缓存网络，通过对小基站位置的优化，进一步降低网络中用户经历的平均延迟，减轻网络的负载，提高频谱的利用效率。

Description

用于优化无线缓存网络中小基站位置的方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是涉及用于优化无线缓存网络中小基站位置的方法。

背景技术

无线缓存(Wireless Caching)技术是一种减轻网络负载的技术，其基本原理是将受用户欢迎的数据缓存到网络边缘的小基站中，当用户需要下载这些数据的时候，可以直接从小基站的本地内存中获取，而不需要通过容量有限的无线链接从核心网络获取这些数据。该技术利用了一个统计事实，即大部分的用户请求都集中在一小部分的数据上，换句话说，数据的受欢迎程度服从zipf分布。与没有利用无线缓存的通信网络相比，无线缓存网络能够有效地降低用户经历的延迟，同时减轻网络的负载，提高频谱的利用效率。

近来，一种新的无线缓存方式——基于优化用户的路由策略的无线缓存技术被提出。对于该技术而言，除了需要优化用户的路由策略以外，其他的步骤和传统的无线缓存技术并没有任何差异。其中，最核心的用户的路由策略是指，在每一个小基站的有限的信道容量的前提下，用户请求的文件缓存在多个相邻的小基站中，用户选择恰当的小基站去下载文件的策略。由于每一个小基站的信道容量是有限的，因此合理地利用这些频谱资源对整个无线缓存网络的性能会有极大的影响。

现有的基于路由优化的无线缓存技术与传统的无线缓存技术相比，有着诸多优点，例如用户经历的延迟更小，更加适合实际的应用场景等等。缺点是需要优化路由决策的用户全都位于多个小基站的覆盖范围下，而这些用户的多少与小基站的位置息息相关，但是该技术并没有考虑小基站的位置的影响。

发明内容

本发明针对现有的基于路由优化的无线缓存技术没有考虑小基站的位置的影响的问题，提出一种对小基站位置优化的算法。从而使得既保留了基于路由优化的无线缓存技术本身的优势，又可以通过对小基站的位置优化进一步提高整个无线缓存网络的性能。

本发明的技术方案是：

用于优化无线缓存网络中小基站位置的方法，其特征在于，包括：

a.文件的受欢迎程度的模型：无线缓存网络中的所有文件的受欢迎程度服从zipf分布，即第i个文件的受欢迎程度为

其中，F为总的文件的数目，γ为控制分布陡峭程度的参数。

b.缓存文件模型：用0-1变量x_i,m来表示第i个文件是否缓存在第m个小基站中，对于任意一个小基站m而言，会有

其中S为小基站的内存大小，N为总的小基站的数目，M为小基站可以布置的待选位置的数目，并且m＝1表示宏基站，则

即宏基站中保存有所有的文件；

c.路由模型：用0-1变量q_k,m表示第k个用户是否连接第m个小基站，对于任意一个小基站m而言，会有

其中A_m是第m个小基站的信道容量大小，即第m个小基站最多只能同时服务A_m个用户，K为总的用户的数目，此外，每一个用户只能连接一个基站，即

d.位置优化模型：将连续的位置离散化，用0-1变量y_m表示是否在第m个位置上布置小基站，会有

即需要布置的总的小基站数目为N，此外，

y₁＝1。 (6)

表示宏基站是始终都存在的；

e.用户下载文件的流程：首先，用户根据最优的路由决策向小基站请求自己想要下载的文件，其次，小基站收到用户的请求后，先在自己的本地内存中搜索是否缓存有该文件，如果缓存有该文件的话，则直接传输给用户，否则将由宏基站来服务用户，这将会造成更大的延迟；

f.信道模型：假设任意两个小基站之间不存在干扰，则用户k和小基站m之间的信噪比为其中h_k,m为用户k和小基站m之间的信道增益，P_m为小基站m的发送功率，d_k,m为用户k和小基站m之间的距离，则相应的信道容量为C_k,m＝w_k,mlog(1+γ_k,m),m＝2,3,...,M+1，w_k,m为分配的带宽。而宏基站和任意一个用户k的信道容量为固定值C₀，并且成立，即用户会首先考虑从小基站中下载文件。则用户k下载文件的延迟为

其中L为每个文件的大小。

g.用户经历的平均延迟：系统的延迟来源于两个部分，一部分是小基站传输文件给用户带来的延迟，一部分是宏基站传输文件给用户带来的延迟。

当用户k和待选位置m(m≥2)相连时，即q_k,m＝1，此时用户k下载文件i经历的延迟为如果x_i,my_m＝1，即该位置布置了小基站(y_m＝1)，且用户想要下载的文件i缓存在该小基站中(x_i,m＝1)，此时延迟为小基站传输文件给用户所产生的延迟D_k,m,m≥2；否则，将由宏基站来服务该用户，产生的延迟为D_k,1。

当用户k和宏基站(m＝1)相连时，即q_k,1＝1，此时用户k下载文件i的延迟为

所以，用户经历的平均延迟为

h.小基站的服务成本：由于每一个小基站的资源是有限的，利用无线缓存降低用户延迟的同时还应该考虑自身的成本问题。每一个小基站的服务成本和它所要传输的数据量成二次的关系，即小基站服务的用户越多，则小基站消耗的能量、占用的频谱等就越多，相当于更高的服务成本。小基站m(m≥2)的服务成本为

其中，g_k,m为衡量资源消耗大小的参数，g_k,m越大，则消耗的资源相对越少，所以每个小基站的平均服务成本表示为

i.需要最小化的目标函数为用户经历的平均延迟和小基站的平均成本的加权和，

其中，θ∈[0，1]是一个平衡参数，θ越大，则平均服务成本的比重越大，反之，则越小。根据步骤a-h，建立如下优化问题：

本发明的有益效果为：在现有的基于路由优化的无线缓存技术的基础上，进一步优化小基站的位置，本发明用于无线缓存网络，通过联合优化小基站的位置，内容的缓存以及用户的路由，降低网络中用户经历的平均延迟，减轻网络的负载，提高频谱的利用效率。

附图说明

图1为两层异构蜂窝网络的结构图；其中MBS表示宏基站，SBS表示小基站，UE表示用户终端，实线表示有线的链接，虚线表示容量有限的无线链接；

图2为系统的性能(Balanced cost)即用户的平均延迟和小基站的平均服务成本的加权和，与zipf参数γ的关系图；圆形的实线为没有无线缓存(no cache)的性能曲线，方形的实线为随机选择小基站位置(RL)的性能曲线，星形的虚线为小基站位置优化(LS)的性能曲线；

图3为平均服务成本与zipf参数的关系图；虚线表示小基站位置优化(LS)的性能曲线，而实线表示位置随机选择(RL)的性能曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：

本发明以现有的基于路由优化的无线缓存技术为基础，与现有的基于路由优化的无线缓存技术不同的是，进一步优化了小基站的位置，对于小基站的布置具有指导作用，其中所涉及的缓存策略和路由策略等均与现有的基于路由优化的无线缓存技术相同。

实施例：

下面以离散化的小基站待选位置M＝10，布置的小基站数目N＝2，用户数目K＝20，总的文件数目F＝10，小基站的信道容量A_m＝5,m≥2，小基站的内存S＝1，文件大小L＝2，信噪比σ＝0.1，路径损耗指数α＝4，小基站发射功率P_m＝2,m≥2，信噪比阈值δ＝0.1，信道增益h_k,m服从(1,0.1)的高斯分布，为例介绍本发明的具体实施方式。

发送端：

如图1所示的两层异构蜂窝网络，具体实施过程大致分为如下几步：

步骤1-1：确定优化目标函数，即用户经历的平均延迟和小基站平均服务成本的加权和。以及各个约束条件。

步骤1-2：目标函数并不是一个凸优化函数，因为存在非凸项y_mx_i,mq_k,m。将非凸项进行线性化，引入辅助变量，则目标函数中的非凸项y_mx_i,mq_k,m用代替，然后利用McCormick envelopes的方法，将引入的等式约束等价转化为数个线性不等式约束，

则在变量松弛的情况下，优化问题变为凸优化问题。

步骤1-3：将0-1变量全部松弛化为0-1区间约束，利用凸优化问题的一般求解方法求解得到连续的解，然后结合问题的约束对解进行取整，例如在M＝3,N＝1的情况下，当求出的y＝(0.3 0.3 0.4)时，取整后的

基于本发明最终得到的次优的缓存策略x，路由策略q，以及小基站位置y。

Claims

1.用于优化无线缓存网络中小基站位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、初始化定义，具体包括：

a1、定义无线缓存网络中的所有文件的受欢迎程度服从zipf分布，即第i个文件的受欢迎程度为：

其中，F为总的文件的数目，γ为控制分布陡峭程度的参数；

a2、定义缓存文件模型：

用0-1变量x_i,m表示第i个文件是否缓存在第m个小基站中，对于任意一个小基站m而言，有其中S为小基站m的内存大小，N为总的小基站的数目，并且m＝1表示宏基站，则

即宏基站中保存有所有的文件；

a3、定义路由模型：

用0-1变量q_k,m表示第k个用户是否连接第m个小基站，对于任意一个小基站m而言，有其中A_m是第m个小基站的信道容量大小，即第m个小基站最多只能同时服务A_m个用户，K为总的用户的数目；此外，每一个用户只能连接一个基站，即

a4、定义小基站位置模型：

用0-1变量y_m表示是否在第m个位置上布置小基站，有即需要布置的总的小基站数目为N，令y₁＝1；

b、建立优化目标函数，具体包括：

b1、定义用户下载文件的流程为：用户根据路由决策向小基站请求自己想要下载的文件，小基站收到用户的请求后，先在自己的本地内存中搜索是否缓存有该文件，如果缓存有该文件的话，则直接传输给用户，否则将由宏基站来服务用户；

b2、建立用户从小基站下载文件的延迟模型：

设任意两个小基站之间不存在干扰，则用户k和小基站m之间的信噪比为：

其中h_k,m为用户k和小基站m之间的信道增益，P_m为小基站m的发送功率，d_k,m为用户k和小基站m之间的距离，则相应的信道容量为：

C_k,m＝w_k,mlog(1+γ_k,m),m＝2,3,...,M+1

w_k,m为分配的带宽；

设定宏基站和任意一个用户k的信道容量为固定值C₀，并且C_k,m>C₀,m成立，即用户会首先考虑从小基站中下载文件，则用户k下载文件的延迟为：

其中L为每个文件的大小；

b3、建立用户经历的平均延迟模型：

当用户k和待选位置m相连时，其中m≥2，即q_k,m＝1，此时用户k下载文件i经历的延迟为：

如果x_i,my_m＝1，即该位置布置了小基站，y_m＝1，且用户想要下载的文件i缓存在该小基站中，即x_i,m＝1，此时延迟为小基站传输文件给用户所产生的延迟D_k,m,m≥2；否则，将由宏基站来服务该用户，产生的延迟为D_k,1；

当用户k和宏基站相连时，即q_k,1＝1，此时用户k下载文件i的延迟为

得到用户经历的平均延迟为：

b4、建立小基站的服务成本模型：

设定每一个小基站的服务成本和它所要传输的数据量成二次的关系，即小基站服务的用户越多，则小基站消耗的能量、占用的频谱等就越多，小基站的服务成本为：

其中，g_k,m为衡量资源消耗大小的参数，g_k,m越大，则消耗的资源相对越少，每个小基站的平均服务成本表示为：

b5、将目标函数设定为用户经历的平均延迟和小基站的平均成本的加权和，即：

其中，θ∈[0，1]是一个平衡参数，θ越大，则平均服务成本的比重越大，反之，则越小；

以步骤a中的定义作为约束条件，建立优化问题模型如下：

s.t x,y,q∈{0,1}

c、对步骤b中获得的优化问题模型进行求解，即可获得缓存策略x，路由策略q，以及小基站位置y。