CN109495865B - 一种基于d2d辅助的自适应缓存内容放置方法及系统 - Google Patents

一种基于d2d辅助的自适应缓存内容放置方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于D2D辅助的自适应缓存内容放置方法及系统，涉及无线通信网络技术领域，采用双层缓存网络，接入节点被固定放置在优化的位置上，超出流行度阈值的内容进行缓存，不超出的不进行缓存。针对超出阈值内容，取流行度最高的内容按照基于文件流行度Zipf分布缓存策略缓存在接入节点，而剩余的部分按照等概率随机缓存策略缓存在用户节点。当有用户请求未被缓存的内容时，基站将给其提供相应内容，并对请求用户进行计数。当计数值超出预先设定的阈值时会触发基站重新计算新的流行度阈值。本发明提出的方法可以实现自适应放置内容的调整，而且相比现有的基于复杂优化算法的缓存放置方案而言，能够有效降低复杂度，利于在实际系统中部署。

Description

一种基于D2D辅助的自适应缓存内容放置方法及系统
技术领域
本发明涉及无线通信网络技术领域，特别是涉及基于D2D辅助的自适应缓存内容放置方法及系统。
背景技术
由于大屏幕多功能移动设备的快速激增导致人们对无线多媒体业务的需求空前增长。思科最新研究报告表明预计到2021年，多媒体数据将占总移动流量业务的78％，移动多媒体业务的一个特点是传输时需要占用较大的带宽资源。另一方面，用户对多媒体内容的需求是高度冗余的，比如视频点播类业务，不同的用户通常会在不同的时间请求相同的视频内容。若基站采用传统的传输方式为每个请求用户单独传输内容的话，随着请求用户数目的增加大量的频率资源将耗费在少数流行的多媒体内容传输上，这会对蜂窝网回程链路造成很大的压力。
在网络中不同节点上缓存流行的内容是缓解网络瓶颈的一个有效途径之一。通过缓存技术，基站可以在业务负载小的时间段，提前把多媒体内容缓存到接入节点和用户节点的存储器中。这样用户访问相关内容时就可以从本地缓存中直接获取无需通过基站传输，把用户从本地缓存获取内容的概率称为卸载概率。目前本地缓存技术主要包括接入节点缓存和移动用户缓存。移动用户缓存的内容可以通过D2D方式在请求用户之间共享。由于D2D技术无需事先进行网络架构的部署，组网灵活，因而成为业界研究的热点之一。
目前在无线缓存网络中采用的缓存策略主要有三大类：1)等概率随机缓存策略：即所有存储器等概率缓存所有的内容，这种方案的优点是简单，当需要缓存的内容数目少时可以获得较好的卸载概率。该方式的不足：随着内容数目的增加，卸载概率会急剧下降。此外，当缓存节点数目少时卸载概率很低并且卸载概率不会随着节目流行度的增加而提升。2)基于文件流行度Zipf分布的缓存策略：所有缓存节点中存放流行度最高的内容，实现简单，当缓存节点数目少时能获得较好性能。该方式的不足：当缓存节点数目增加时，卸载概率不会随着缓存节点的增加而明显增加；此外，当内容流行度常数γ较小时，这种缓存方式的卸载概率最差。3)基于优化的缓存策略：在同样条件下，这种策略较之上述两种策略可以获得更高的卸载概率，但涉及到复杂的优化算法和迭代过程，难以在实际系统中实施。
发明内容
本发明实施例提供了基于D2D辅助的自适应缓存内容放置方法及系统，可以解决现有技术中存在的问题。
本发明提供了一种基于D2D辅助的自适应缓存内容放置方法，包括以下步骤：
对所有内容按照流行度进行排列，排序后的文件列表为L；
基站按照上一次设定的流行度阈值T把排序后的文件列表L分为两部分：超出流行度阈值的内容集合和未超出流行度阈值的内容集合，前者包含MC个内容，对MC个内容中数量符合接入节点缓存能力CH的流行度最高的内容按照基于流行度Zipf的分布策略在接入节点缓存，剩余的MC-CH个内容按照等概率随机缓存策略在用户节点中缓存；
用户请求内容时，如果本地缓存能满足，直接从本地缓存获取相应内容；否则，请求基站为其传输相关内容，基站满足请求用户的同时对请求的用户进行计数；
基站判断请求的用户数是否超出预先设定的阈值K，如果超出，则基站重新计算阈值T’，如果上一次设定的流行度阈值T和重新计算得到的流行度阈值T’差值的绝对值大于预先设定的差值最大值，则用T’替换当前阈值T，并且计数器归零，重新对所有内容进行排序。
本发明还提供了一种基于D2D辅助的自适应缓存内容放置系统，包括基站、接入节点和用户节点，所述基站对所有内容按照流行度进行排列，排序后的文件列表为L；
基站按照上一次设定的流行度阈值T把排序后的文件列表L分为两部分：超出流行度阈值的内容集合和未超出流行度阈值的内容集合，前者包含MC个内容，对MC个内容中数量符合接入节点缓存能力CH的流行度最高的内容按照基于流行度Zipf的分布策略在接入节点缓存，剩余的MC-CH个内容按照等概率随机缓存策略在用户节点中缓存；
用户请求内容时，如果本地缓存能满足，直接从本地缓存获取相应内容；否则，请求基站为其传输相关内容，基站满足请求用户的同时对请求的用户进行计数；
基站判断请求的用户数是否超出预先设定的阈值K，如果超出，则基站重新计算阈值T’，如果上一次设定的流行度阈值T和重新计算得到的流行度阈值T’差值的绝对值大于预先设定的差值最大值，则用T’替换当前阈值T，并且计数器归零，重新对所有内容进行排序。
本发明给出了一种基于D2D辅助的自适应缓存内容放置方法及系统，该方法实现简单结合了等概率随机缓存策略和基于文件流行度Zipf分布缓存策略方式的优点，不用涉及到复杂的优化过程，同时，为避免现有技术的不足，本发明中采用了双层缓存网络，接入节点被固定放置在优化的位置上。同时设定一个内容流行度阈值，超出流行度阈值的内容进行缓存，不超出的不进行缓存。针对超出阈值内容，取排在和接入节点缓存大小相同的前若干个流行度最高的内容按照基于文件流行度Zipf分布缓存策略缓存在接入节点，而剩余的部分按照等概率随机缓存策略缓存在用户节点。当有用户请求未被缓存的内容时，基站将给其提供相应内容，并对请求用户进行计数。当计数值超出预先设定的阈值时会触发基站重新计算新的流行度阈值。因此，当流行度常数、用户数和内容总数变化时会被基站及时捕获并对流行度阈值做出对应调整，因而本发明提出的方法可以实现自适应放置内容的调整。此外，该方式相比现有的基于复杂优化算法的缓存放置方案而言，能够有效降低复杂度，利于在实际系统中部署。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中应用基于D2D辅助的自适应缓存内容放置方法的系统模型图；
图2是本发明中基于D2D辅助的自适应缓存内容放置方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1和图2，本发明实施例提供了一种基于D2D辅助的自适应缓存内容放置方法及系统，基站(BS)位于圆形小区的中心。接入节点被固定均匀放置在相距基站等距离的位置处，用户节点在蜂窝小区内服从密度为λUE的齐次泊松过程。为简单起见，本发明中假定所有内容的大小均为1，并且节点只完整缓存整条内容(不会只缓存一条内容的一部分)。所有的用户节点都有缓存能力，每个接入节点的缓存能力为CH，每个用户节点的缓存容量大小为CUE。每个用户均可以采用三种通信模式：蜂窝通信模式，接入节点和用户者通信模式，D2D通信模式(即用户和用户之间直接通信)。基站采用低频段资源，接入节点采用中频或高频段资源，用户复用基站的低频段资源。
图2是本发明的基本流程图，主要步骤如下：
步骤1，初始化，初始基站的计数器为零，设定两次相邻流行度阈值T和T’的差值绝对值的最大值ε，设定计数器的最大值K。
步骤2，对所有内容按照流行度进行降序排列，排序后的文件列表用L＝[1,2,…,M]表示，M表示流行度最小的内容排名。
步骤3，基站按照设定的流行度阈值T把排序后的文件列表L分为LC和LNC两部分，LC表示超出流行度阈值的内容集合，共包含MC个内容，对这MC个内容进行缓存；LNC表示未超出流行度阈值的内容集合，共包含MNC个内容，其中，MC+MNC＝M。对于集合LNC中的内容，不进行本地缓存；对MC个内容中前CH个流行度最高的内容按照基于流行度Zipf的分布策略在接入节点缓存，剩余的MC-CH个内容按照等概率随机缓存策略在用户节点中缓存。
步骤4，用户请求内容时，如果本地缓存能满足，直接从本地缓存获取相应内容；否则，请求基站为其传输相关内容，基站满足请求用户的同时并会对请求的用户进行计数。
步骤5，基站判断请求的用户数是否超出预先设定的阈值K，如果超出，将转入步骤6；否则保持当前缓存放置状态。
步骤6，如果请求的用户数目超出预先设定的阈值，则基站重新计算阈值T’，如果|T-T'|>ε，则立即用T’替换当前阈值T，并且计数器归零，返回步骤2；否则保持当前缓存放置状态。
基于相同的发明构思，本发明还提供了一种基于D2D辅助的自适应缓存内容放置系统，该系统的实施可参照上述方法的实施，重复之处不再赘述。所述系统包括基站、接入节点和用户节点，所述基站对所有内容按照流行度进行降序或升序排列，排序后的文件列表为L；
基站按照上一次设定的流行度阈值T把排序后的文件列表L分为两部分：超出流行度阈值的内容集合和未超出流行度阈值的内容集合，前者包含MC个内容，后者包含MNC个内容，对MC个内容中符合接入节点缓存能力CH的流行度最高的内容按照基于流行度Zipf的分布策略在接入节点缓存，剩余的MC-CH个内容按照等概率随机缓存策略在用户节点中缓存；
用户请求内容时，如果本地缓存能满足，直接从本地缓存获取相应内容；否则，请求基站为其传输相关内容，基站满足请求用户的同时并会对请求的用户进行计数；
基站判断请求的用户数是否超出预先设定的阈值K，如果超出，则基站重新计算阈值T’，如果上一次设定的流行度阈值T和重新计算得到的流行度阈值T’差值的绝对值大于预先设定的差值最大值，则立即用T’替换当前阈值T，并且计数器归零，重新对所有内容进行排序。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种基于D2D辅助的自适应缓存内容放置方法，其特征在于，包括以下步骤：
对所有内容按照流行度进行排列，排序后的文件列表为L；
基站按照上一次设定的流行度阈值T把排序后的文件列表L分为两部分：超出流行度阈值的内容集合和未超出流行度阈值的内容集合，前者包含MC个内容，对MC个内容中数量符合接入节点缓存能力CH的流行度最高的内容按照基于流行度Zipf的分布策略在接入节点缓存，剩余的MC-CH个内容按照等概率随机缓存策略在用户节点中缓存；
用户请求内容时，如果本地缓存能满足，直接从本地缓存获取相应内容；否则，请求基站为其传输相关内容，基站满足请求用户的同时对请求的用户进行计数；
基站判断请求的用户数是否超出预先设定的阈值K，如果超出，则基站重新计算阈值T’，如果上一次设定的流行度阈值T和重新计算得到的流行度阈值T’差值的绝对值大于预先设定的差值最大值，则用T’替换当前阈值T，并且计数器归零，重新对所有内容进行排序。
2.如权利要求1所述的基于D2D辅助的自适应缓存内容放置方法，其特征在于，如果向基站请求内容的用户数未超出预先设定的阈值K，或者上一次设定的流行度阈值T和重新计算得到的流行度阈值T’差值的绝对值小于或等于预先设定的差值最大值，则保持当前的缓存放置状态。
3.一种基于D2D辅助的自适应缓存内容放置系统，其特征在于，包括基站、接入节点和用户节点，所述基站对所有内容按照流行度进行排列，排序后的文件列表为L；
基站按照上一次设定的流行度阈值T把排序后的文件列表L分为两部分：超出流行度阈值的内容集合和未超出流行度阈值的内容集合，前者包含MC个内容，对MC个内容中数量符合接入节点缓存能力CH的流行度最高的内容按照基于流行度Zipf的分布策略在接入节点缓存，剩余的MC-CH个内容按照等概率随机缓存策略在用户节点中缓存；
用户请求内容时，如果本地缓存能满足，直接从本地缓存获取相应内容；否则，请求基站为其传输相关内容，基站满足请求用户的同时对请求的用户进行计数；
基站判断请求的用户数是否超出预先设定的阈值K，如果超出，则基站重新计算阈值T’，如果上一次设定的流行度阈值T和重新计算得到的流行度阈值T’差值的绝对值大于预先设定的差值最大值，则用T’替换当前阈值T，并且计数器归零，重新对所有内容进行排序。
4.如权利要求3所述的基于D2D辅助的自适应缓存内容放置系统，其特征在于，所述基站位于圆形小区的中心，接入节点均匀放置在相距基站等距离的位置处，用户节点在蜂窝小区内服从密度为λUE的齐次泊松过程。
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