CN109450512B - 一种网络编码与无线中继在边缘缓存协作的方法 - Google Patents

Abstract

一种网络编码与无线中继在边缘缓存协作的方法，核心网在接收到边缘设备的需求后，会相应生成需要缓存的未来使用文件，除此之外核心网处还有此时正常通信的正常文件。核心网将正常文件传输至宏基站以及中继基站，将未来使用文件传输至宏基站，宏基站对正常文件与未来使用文件进行“异或”无线网络编码后传输至中继基站，中继基站可以解码得到正常文件与未来使用文件，将未来使用文件缓存至MEC服务器中用于未来的文件访问，将正常文件用于给予分集增益或者是重传请求。本申请可以在确保正常通信内容传输的同时将MEC需要提前缓存的内容缓存至边缘中继基站，在解决MEC传输资源问题的同时还可以一定程度上满足正常通信内容的分集增益、重传请求，是一种具有可行性、实用性、创新性的高效应用方案。

Description

一种网络编码与无线中继在边缘缓存协作的方法

技术领域

涉及无线通信技术领域，涉及到如今移动蜂窝网中相当常用的中继基站以及21世纪初才开始兴起研究的网络编码技术，还涉及到近年来最新的热门技术MEC(移动边缘缓存，后文简称MEC或边缘缓存)。

背景技术

在蜂窝网络中，“中继”具体指无线中继站(Relay Station)，也称直放站，是一个双向的射频、同频、宽频带线性放大接力设备。中继蜂窝网是将中继技术、多跳结构与传统蜂窝网络融合的产物。蜂窝网中继由于功能上接近于宏基站，但是造价成本上低于宏基站，同时极具灵活性，因此在如今的蜂窝网中被大量使用。具体的实用意义包含：(1)用于提升小区边缘用户的通信性能，(2)用于增加系统容量，(3)扩展小区覆盖范围，(4)消除小区中的覆盖盲点，(5)提供建筑物、隧道和地下通信场所的通信覆盖，(6)提供临时性的应急通信。

中继基站在如今的蜂窝网中是相当常见且使用的基站，由于它特有的优势因此可以灵活地与其他网络技术协作结合，以此来实现更多更高效的通信方案。

网络编码则是近年来兴起的研究热点。传统的编码思想集中于信源端，或者说编码的主要工作是由信源承担的。而网络编码的核心思想是允许网络中间节点对不同的信息流进行重新编码，成为一路信息流。网络编码是在网络中的各个节点上，对各条信道上收到的信息进行线性或者非线性的处理，然后转发给下游节点，中间节点扮演着编码器或信号处理器的角色。具体核心思想是对收到的数据包按照一定的映射规则在伽罗华域上进行线性方程的编码运算，将原始的数据包经过编码之后转发的则是编码结果以及编码系数向量。当信宿节点接收到足够多线性不相关的编码向量后，即可在伽罗华域上完成逆运算并且通过映射返回得到原始的数据。

目前在无线网络、P2P系统、分布式文件存储和网络安全等领域发展结合应用。从目前的研究成果来看，网络编码的优势包含：(1)提高网络吞吐量，(2)均衡网络负载，(3)提高带宽利用率，(4)提升网络鲁棒性。

网络编码可以带来给网络整体的运作效率带来极大的提升，由于其在一定程度上会增加网络的工作量、增加运算复杂度并且带来更大的开销因此近年来还未得到非常广泛的落地应用。“异或”网络编码则是线性方程编码最简化的一种方案，虽然其在整体庞大的网络环境中具有应用的局限性，但是在独立的部分模型中具有相当高的便捷性、高效性、可行性，非常适合与其他网络技术结合产生新得、高效的通信方案。

另外需要强调提及的是，无线网络编码(PNC,也称物理层网络编码)是网络编码研究到一定阶段产生的一项新型技术。他与传统网络编码的最大差异在于：(1)使用无线信号传输(2)在物理层完成编码工作，节点进行编码时直接对波信号进行叠加处理不需要先解码。后文提及的专利方案将是基于无线网络编码进行实施。

移动边缘计算(MEC:Mobile Edge Computing)则是为了迎接5G时代的到在2014年被欧洲电信标准化协会ETSI提出的一种新型网络通信方案。移动边缘计算MEC，可将网络的部分热点内容、智能计算功能卸载至靠近终端用户的边缘，从而提高终端用户访问网络内容的效率，减少传统通信网络的负担，带来更加高效化、人性化的服务。具体可以归纳为如下三点优势：

·低时延、高带宽；由于缓存的内容在边缘接近用户，因此减少了网络资源的频繁占用，并一定程度减少了响应时延，提高了网络实时的反应能力，这是MEC最突出的特点。

·网络信息上下文智能感知；过去的通信链路常称为“哑管道”，而之后由MEC支持的通信链路可以获取诸如位置信息等许多用户信息，同时在运营商的方面也可以获取通信参数，这为后续的大数据应用提供了基础。

·网络信息计算管理；MEC服务器将布置在相应的移动基站，可以针对获取的用户信息进行分析计算，对网络内容进行智能管理，同时开放接口给第三方应用，从而使得更多人性化智能化的服务成为可能。

MEC虽然是近年才被提出的新兴技术，但是由于其实用性强，非常适用于我们即将到来的5G网络通信，因此有相当多学者以及互联网公司都致力于开发MEC服务器，力求MEC技术的早日落地实现。

MEC边缘缓存其中一部分核心功能是感知边缘用户的潜在需求进行提前缓存，但是这在一定程度上会给现有网络通信带来新的开销负担，甚至有一定几率会占用正常网络通讯的资源，因此关于网络传输资源的协调是一个需要迫切深入讨论的话题。本发明方案正是针对如何协调正常通信内容与MEC提前内容缓存所需的时隙资源进行深入讨论从而提出解决方案。

发明内容

本发明提出一种将网络编码与无线中继协作应用在边缘缓存的方案，以此来解决提前缓存周边潜在需求文件时会影响正常实时通信的传输资源协调问题。在解决该问题的同时，该方案还可以给正常实时通信的数据包带来一定的分集增益以及重传补给，不仅提高了网络的运作效率，还一定程度提升了信息传输的可靠性。

本发明采用如下技术方案：

一种网络编码与无线中继在边缘缓存协作的方法，将中继基站、宏基站接入核心网络，其特征在于，中继基站设有MEC服务器，该MEC服务器通过上下文感知分析周边用户的潜在需求，结合网络实时热点内容以及文件大小进行机器学习智能分析，得出适合该周边用户的潜在文件需求，该中继基站设置为半双工模式，具体协作方法如下：

1)中继基站将潜在文件需求发送至核心网；

2)核心网根据潜在文件需求生成未来使用文件，并与正常文件一起发送至宏基站，正常文件还在同一时隙发送至中继基站；

3)宏基站将接收到的未来使用文件和正常文件进行无线网络编码后，将编码数据包在下一时隙传输至中继基站，同时核心网发送正常文件至中继基站；

4)中继基站得到编码数据包，并结合正常文件解码得到未来使用文件和正常文件，该未来使用文件存储在MEC服务器等待调用，该正常文件用于分集增益或重传请求。

优选的，在步骤3)中，所述无线网络编码为异或。

优选的，在步骤2)中，若所述中继基站未收到所述正常文件，则核心网在下一时隙重发正常文件。

优选的，在步骤2)中，若所述宏基站未收到所述正常文件，则步骤3)中，所述宏基站下一时隙仅发送未来使用文件。

优选的，在步骤2)中，若所述宏基站未收到所述未来使用文件，则核心网在下一时隙重发未来使用文件，在步骤3)中，所述宏基站在下一时隙不发送数据，仅接受接收核心网发送的正常文件和重发的未来使用文件。

优选的，在步骤3)中，若所述中继基站未收到所述正常文件，则在下一时隙所述核心网重传所述正常文件至所述中继基站和所述宏基站。

优选的，在步骤3)中，若所述中继基站未收到所述编码数据包，所述宏基站在下一时隙重传所述编码数据包。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明将无线中继与无线网络编码相结合，将MEC服务器设定在中继基站处，提出了一种新的协作应用方案以及相配套设备，可以在确保正常通信内容传输的同时将MEC需要提前缓存的内容缓存至边缘中继基站，在解决MEC传输资源问题的同时还可以一定程度上满足正常通信内容的分集增益、重传请求，是一种具有可行性、实用性、创新性的高效应用方案。

本发明将近年来兴起的MEC、网络编码等技术借用中继基站实现了技术融合，并且使得MEC的智能性、便捷性通过网络编码的高效性以及中继基站的灵活性付诸实现，是一个具有创新性、实用性以及可行性的应用方案，同时该思路还可以拓展至不同的场景以此带来不同场景下的创新优化效果。

本发明在一定程度上顺利解决了MEC边缘缓存进行提前缓存时遇到的与正常通信内容间资源协调的问题，不仅满足了MEC缓存的资源需求问题，还确保了正常通信的有序进行，并在一定情况下可以给正常通信的内容带来分集增益或者重传请求服务，总体来说提高了网络运作效率。

本发明在一定程度上提升了网络编码的鲁棒性(由于近年来若干研究表明对同一文件不同数据包进行截获还是有一定几率可以破解出若干有效信息，该方案中编码的内容是此时正常传输的数据包与未来使用文件的数据包，一般情况下两数据包不存在相关性)，同时针对通讯可能出现的传输错误预先罗列了解决方案，具有较强适应性。

附图说明

图1为本发明模型传输示意图；

图2为本发明传输时隙1的示意图；

图3为本发明传输时隙2的示意图；

图4为本发明传输时隙3的示意图；

图5为本发明传输时隙4的示意图；

图6为本发明方法的流程图；

图7为本发明出错处理方案示意图；

图8为本发明出错处理方案示意图；

图9本发明出错处理方案示意图；

图10本发明出错处理方案示意图；

图11本发明出错处理方案示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

一种网络编码与无线中继在边缘缓冲协作的方法，配套设备是一种带有MEC服务器功能的中继基站RS和宏基站BS，设定该中继基站设备工作在半双工模式。宏基站BS以及该新型的中继基站均可以接入核心网通讯。

先明确各个设备的工作状态以及场景说明：该申请建立在无线通信的场景，仅使用复用信道资源的单一平面(即各个信道之间彼此不正交)，不引入串行干扰消除技术，采用的是无线网络编码技术来处理多信道数据的同时传输，其中各个基站均工作在半双工模式。

宏基站BS负责接收数据、物理层编码、发送编码数据(不需要对数据包进行解码)。

带有MEC服务器功能的中继基站RS，需要使用到的技术是(1)接收数据包、(2)物理层网络编码解码、(3)存储数据包以及文件、(4)MEC的智能感知模块、(5)与核心网建立通信以及反馈。该中继基站RS不仅具有基站的通讯、无线传输能力，同时还具有MEC内容智能感知、存储数据的能力。可以通过收集周边用户通信的潜在需求，并且同时结合网络中的热点内容以及相关内容的文件格式、大小等情况通过机器学习的方式输出得到最适合该周边用户的若干潜在需求文件，将该需求反馈至核心网处，在核心网生成相应需求文件后与当前需要正常传输的文件通过相应的网络编码方式同时传输至边缘基站处。

核心网在接收到边缘设备的需求后，会相应生成需要缓存的未来使用文件B，除此之外核心网处还有此时正常通信的正常文件A。

参见图1、图6，本发明方法具体如下：

1)中继基站RS将潜在文件需求发送至核心网。

2)核心网根据潜在文件需求生成未来使用文件B，并与正常文件A一起发送至宏基站BS，正常文件A还在同一时隙发送至中继基站RS。

3)宏基站BS将接收到的未来使用文件B和正常文件A进行无线网络编码后，将编码数据包A⊕B在下一时隙传输至中继基站RS，同时核心网发送正常文件至中继基站。

4)中继基站RS得到编码数据包，并结合步骤2)的正常文件A解码得到未来使用文件B和正常文件A，该未来使用文件B存储在MEC服务器等待调用，该解码得到的正常文件A可用于正常通讯传输中给予分集增益或是用于重传请求。

按照如上步骤有序进行，便可做到保证正常通信的进行同时又进行了提前边缘缓存。

为了使本发明的方案运作流程更加直观，将采用运作时隙图以及特殊情况时隙图来进一步细节描述该发明模型。

首先将采用动态时隙图来描述该方案模型的传输动态。对于下文一系列时隙图中的标注先做出如下先见说明：

·正常文件A将分为若干个数据包A1，A2，……An；MEC需要提前缓存的未来使用文件B同样分为若干个数据包B1，B2，……Bm。

·每个时隙的信道容量可以传输一个数据包，即一个An或Bm。

·“⊕”代表网络编码的异或运算，该运算并不会改变数据包文件大小，即两个数据包经过该编码运算后的容量仍然是一个数据包的文件大小。

·RS收到无论是内容A的数据包还是内容B的数据包均会存储，内容A的数据包待全部接收成功并且传输至终端用户使用完成后可以释放，内容B是MEC提前缓存的文件则是在MEC服务器中存储等待周边用户未来的调用。

·“MEC缓存需求”通信链路是带有MEC服务器功能的新型中继基站RS实时向核心网反馈周边潜在需求文件的通信链路，实时进行，并且不影响该模型的其他部分。

参见图2至图5，是在正常通信情况下的运作时隙图，假设图中所有的传输内容均能被正确接收。

经过如上的4个时隙动态图，可以充分展示该发明方案的工作模式，针对该模型的传输效果作如下几点解释说明：

·本申请的核心目的是为了确保MEC缓存内容即未来使用文件B能顺利提前缓存至边缘中继基站RS处。因此，对于正常文件A可能带来的附加的分集增益或是信息重传仅是附加效果，可以为了配合MEC内容的传输在必要的时候作必要舍弃。

·该本申请中，每2个传输时隙可看成是一个小运作周期。

·该本申请模型中，假设正常文件A有n个数据包，那么n个时隙之后A文件传输完成，未来使用文件B的数据包传输n/2个。

针对传输过程中可能出现的错误情况给出更加详细的处理方案，由于已经说明一个小的运作周期可以看做是包含了两个传输时隙，因此针对两个时隙的不同情况进行分别讨论说明:

(1)第一时隙出错(图2)，该情况下存在以下3种错误情况：

·中继基站RS出错，即步骤2)中继基站RS未收到正常文件A1，则下一时隙宏基站BS-中继基站RS间照常发送编码内容A1⊕B1，由核心网重发正常文件A1，参见图7。

·宏基站BS出错，即步骤2)中，宏基站未接收到正常文件A1，则下一时隙，宏基站仅发送未来使用文件B1，参见图8。

·宏基站BS出错，即步骤2)中，宏基站未接收到未来使用文件B1，则下一时隙，核心网重发未来使用文件B1，宏基站不发送数据包，仅接收新的正常文件A2和重传的未来使用文件B1，参见图9。

(2)第二时隙出错(图3)，该情况下存在以下2种错误情况：

·中继基站RS出错，即中继基站RS未收到正常文件A2，则下一时隙，核心网重传正常文件A2至中继基站RS和宏基站BS，参见图10。

·中继基站未收到所述编码数据包A1⊕B1，宏基站在下一时隙重传编码数据包A1⊕B1，参见图11。

网络编码的技术近年来已经发展相对成熟，之所以暂时缺少落地应用是因为完整的网络编码工作是相当庞大的运算工程体系，需要大规模从设备上予以支持，本申请中，使用的网络编码则是最基础的编码方式，相对简单同时效果明显、实施可行性强。

目前MEC的开发工作虽然仍在进行中但是已有一些大型企业产商可以实现部分功能，另外各式各样集合不同功能的中继基站RS市场上已经比比皆是。因此当MEC技术相对成熟之时，将MEC技术集合至中继基站RS设备是具有可行的。

在本申请方法相关的硬件配套设备实现之后，仅需布置替换在生活中现有的RS处，在针对网络的部分结构工作模式按照专利方案做出适当调整，即可实现本发明方案，解决MEC缓存与正常网络通信内容之间的时隙资源问题，从而提高网络的运作效率。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (7)

1.一种网络编码与无线中继在边缘缓存协作的方法，将中继基站、宏基站接入核心网络，其特征在于，中继基站设有MEC服务器，该MEC服务器通过上下文感知分析周边用户的潜在需求，结合网络实时热点内容以及文件大小进行机器学习智能分析，得出适合该周边用户的潜在文件需求，该中继基站设置为半双工模式，具体协作方法如下：

1)中继基站将潜在文件需求发送至核心网；

2)核心网根据潜在文件需求生成未来使用文件，并与正常文件一起发送至宏基站，正常文件还在同一时隙发送至中继基站；

3)宏基站将接收到的未来使用文件和正常文件进行无线网络编码后，将编码数据包在下一时隙传输至中继基站，同时核心网发送正常文件至中继基站；

4)中继基站得到编码数据包，并结合正常文件解码得到未来使用文件和正常文件，该未来使用文件存储在MEC服务器等待调用，该正常文件用于分集增益或重传请求。

2.如权利要求1所述的一种网络编码与无线中继在边缘缓存协作的方法，其特征在于，在步骤3)中，所述无线网络编码为异或。

3.如权利要求1所述的一种网络编码与无线中继在边缘缓存协作的方法，其特征在于，在步骤2)中，若所述中继基站未收到所述正常文件，则核心网在下一时隙重发正常文件。

4.如权利要求1所述的一种网络编码与无线中继在边缘缓存协作的方法，其特征在于，在步骤2)中，若所述宏基站未收到所述使用文件，则步骤3)中，所述宏基站下一时隙仅发送未来使用文件。

5.如权利要求1所述的一种网络编码与无线中继在边缘缓存协作的方法，其特征在于，在步骤2)中，若所述宏基站未收到所述未来使用文件，则核心网在下一时隙重发未来使用文件，在步骤3)中，所述宏基站在下一时隙不发送数据，仅接受接收核心网发送的正常文件和重发的未来使用文件。

6.如权利要求1所述的一种网络编码与无线中继在边缘缓存协作的方法，其特征在于，在步骤3)中，若所述中继基站未收到所述正常文件，则在下一时隙所述核心网重传所述正常文件至所述中继基站和所述宏基站。

7.如权利要求1所述的一种网络编码与无线中继在边缘缓存协作的方法，其特征在于，在步骤3)中，若所述中继基站未收到所述编码数据包，所述宏基站在下一时隙重传所述编码数据包。

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