CN110290507B - 一种d2d通信辅助边缘缓存系统的缓存策略及频谱分配方法 - Google Patents

一种d2d通信辅助边缘缓存系统的缓存策略及频谱分配方法 Download PDF

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CN110290507B CN201910454056.7A CN201910454056A CN110290507B CN 110290507 B CN110290507 B CN 110290507B CN 201910454056 A CN201910454056 A CN 201910454056A CN 110290507 B CN110290507 B CN 110290507B
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Abstract

本发明揭示了一种D2D通信辅助边缘缓存系统的缓存策略及频谱分配方法，包括至少两个小基站，至少两个具有边缘缓存功能的用户设备，用户之间能够通过D2D通信传输缓存的内容，D2D通信采用Overlay Inband模式，即在蜂窝频谱资源中划出一部分专用于D2D通信；整个缓存策略方案分为两个阶段，在第一阶段用户设备根据缓存策略主动缓存一个文件，在第二阶段用户通过D2D连接附近空闲用户或者通过小基站连接远端服务器，获取所请求的文件。与现有的仅考虑优化缓存内容的算法相比，本发明充分考虑了通信信道对整个系统的影响，能够增大用户传输速率，提高系统吞吐量。

Description

一种D2D通信辅助边缘缓存系统的缓存策略及频谱分配方法
技术领域
本发明涉及一种D2D通信辅助边缘缓存系统的缓存策略及频谱分配方法，可用于移动边缘缓存领域和D2D通信资源分配技术领域。
背景技术
移动边缘缓存技术主要用于缓解回程链路的压力，减少传输时延。研究发现，用户请求的内容具有重复性、可预测性的特点，热门内容会在一定时间内被大量用户重复请求，而用户的请求行为也可通过大量的历史数据进行预估。在实际的蜂窝接入网中，用户请求内容时需要通过基站连接远端服务器，当大量用户集中请求热门内容时，会对回程链路造成巨大的压力。因此，在网络边缘节点主动缓存一些热门资源，当用户请求内容时就无需云端传输数据，减少回程链路拥塞的发生；直接由本地节点传输内容，也降低了时延。衡量移动边缘缓存的指标之一是缓存命中率，而缓存命中率受限于边缘节点(如微基站和用户设备)较小的缓存空间。为了提高缓存空间容量，可以采用相互协作的缓存策略，如基站与基站、用户与用户，或者基站与用户相互协作，形成大“缓存池”。在用户与用户协作中，用户可以通过设备到设备通信技术(D2D,Device to Device)直接传输请求内容，提高网络吞吐量。
D2D技术是指通信网络中近邻设备之间直接交换信息的技术。一旦D2D通信链路建立起来，传输数据就无需核心设备或中间设备的介入，这样可降低通信系统核心网络的数据压力，大大提高频谱利用率和吞吐量，扩大网络容量，保证通信网络能更为灵活、智能、高效地运行，为大规模网络的零延迟通信、移动终端的海量接入及大数据传输开辟了新的途径。
从与蜂窝系统的频段划分来看，D2D通信可分为Underlay D2D和Overlay D2D。Underlay D2D指D2D通信复用蜂窝通信的频段，Overlay D2D指在现有频谱资源中划分出一部分专门用于D2D通信，优点是D2D通信与蜂窝通信之间互不干扰，但频谱划分后带宽有限，因此，对Overlay D2D的研究重点更多的放在频谱资源分配上。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种D2D通信辅助边缘缓存系统的缓存策略及频谱分配方法。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种D2D通信辅助边缘缓存系统的缓存策略，包括至少两个小基站，至少两个具有边缘缓存功能的用户设备，用户之间能够通过D2D通信传输缓存的内容，D2D通信采用Overlay Inband模式，即在蜂窝频谱资源中划出一部分专用于D2D通信；整个缓存策略方案分为两个阶段，在第一阶段用户设备根据缓存策略主动缓存一个文件，在第二阶段用户通过D2D连接附近空闲用户或者通过小基站连接远端服务器，获取所请求的文件。
优选地，用户设备与小基站、用户设备与用户设备之间的接入方式均采用TDMA。
本发明还揭示了一种D2D通信辅助边缘缓存系统的频谱分配方法，该方法包括以下步骤：
S1：基站首先根据服务器内文件的数量、种类、流行度等来估计用户对各文件的请求概率Q，Q＝{q1,q2,…,qF},
Figure GDA0003671270570000021
F为库内文件总数，然后，将用户分布和小基站分布分别建模成PPP分布Φu和Φb，密度分别为λu和λb，根据已知的最大D2D通信距离rc，计算得到用户的请求可以卸载到本地经由D2D通信完成的概率Po，
Figure GDA0003671270570000022
其中P＝{p1,p2,…,pF},
Figure GDA0003671270570000023
表示用户缓存各文件的概率，即缓存策略；α∈(0,1)，表示空闲用户占比；
S2：基站已知蜂窝信道和D2D信道的统计状态信息，根据S1步骤求得的用户请求卸载概率Po，计算得到用户通过D2D传输第i个文件的平均传输速率
Figure GDA0003671270570000031
和用户通过小基站传输文件的平均传输速率
Figure GDA0003671270570000032
S3：用户可由D2D通信传输第i个文件的概率记为Po,i，
Figure GDA0003671270570000033
基站根据S1步骤得到的请求概率Q以及S2步骤得到的
Figure GDA0003671270570000034
和
Figure GDA0003671270570000035
计算得到用户的平均传输速率
Figure GDA0003671270570000036
S4：通过迭代算法，最大化S3步骤计算出的
Figure GDA0003671270570000037
求得最优的缓存策略P＝{p1,p2,…,pF}和频谱分配比ξ。
优选地，在S1步骤中，用户在文件传输阶段，首先检索本地缓存空间，若本地缓存未命中，则检索附近空闲设备的缓存空间并选择最近的连接，检索范围限制在最大D2D通信距离rc内；若附近的空闲设备缓存未命中，则连接最近的小基站，向远端服务器索取文件。
优选地，在S1步骤中，对各文件请求概率的估计一般采用Zipf分布，用户被建模成PPP分布，密度为λu，则缓存了第i个文件的空闲用户分布依旧服从PPP分布，密度为piαλu，用户可由D2D通信传输第i个文件的条件为周围半径为rc的圆形范围内存在缓存了第i个文件的空闲用户，概率为
Figure GDA0003671270570000038
Figure GDA0003671270570000039
则用户请求被卸载概率为
Figure GDA00036712705700000310
优选地，在S2步骤中，系统中设备均为单天线，小基站为全双工，用户设备为半双工，接入采用TDMA，信道建模为瑞利信道，由香农公式，D2D传输第i个文件的速率为
Figure GDA00036712705700000311
h是小尺度衰落系数，h～E(1)，Pu是用户设备发送功率，β是路径损耗系数，rd表示D2D链路传输距离；N0表示噪声功率谱密度，ξ是频谱划分比，表示分配给D2D的带宽占比，W是频谱带宽，Kd2d是该用户所在微小区中通过D2D传输的用户数；小基站传输文件的速率为
Figure GDA00036712705700000312
Pb是小基站发送功率，rb表示小基站蜂窝传输距离，Kbs是该用户所在微小区中通过小基站传输的用户数。
优选地，D2D链路传输距离rd和小基站蜂窝传输距离rb为随机变量，概率密度函数分别为
Figure GDA0003671270570000041
0≤rd≤rc,i＝1,2,…,F；
Figure GDA0003671270570000042
rb≥0。对Rd2d,i和Rbs分别求期望，能够得到用户通过D2D传输第i个文件的平均传输速率
Figure GDA0003671270570000043
和用户通过小基站传输文件的平均传输速率
Figure GDA0003671270570000044
优选地，在S3步骤中，请求第i个文件的用户有概率为Po,i的能够通过D2D完成传输，另外有(1-Po,i)的概率通过蜂窝网完成传输；则用户获取第i个文件的平均传输速率为
Figure GDA0003671270570000045
用户的平均传输速率为
Figure GDA0003671270570000046
在S4步骤中，通过迭代法求得最优的缓存策略P＝{p1,p2,…,pF}和频谱分配比ξ的步骤如下：
S41：设定一个判决门限ε，给p1,p2,…,pF和ξ赋初始值，得到
Figure GDA0003671270570000047
带入
Figure GDA0003671270570000048
表达式，求得
Figure GDA0003671270570000049
S42：指定p1为变量，由于
Figure GDA00036712705700000410
令
Figure GDA00036712705700000411
Figure GDA00036712705700000412
通过一维搜索找到使
Figure GDA00036712705700000413
最大的
Figure GDA00036712705700000414
令
Figure GDA00036712705700000415
S43：指定p2为变量，令
Figure GDA00036712705700000416
同样通过一维搜索找到使
Figure GDA00036712705700000417
最大的
Figure GDA00036712705700000418
令
Figure GDA00036712705700000419
S44：以此类推，依次得到
Figure GDA00036712705700000420
再指定ξ为变量，将
Figure GDA00036712705700000421
带入
Figure GDA00036712705700000422
通过一维搜索找到使
Figure GDA00036712705700000423
最大的ξ*和最大值
Figure GDA00036712705700000424
令ξ(1)＝ξ*,
Figure GDA00036712705700000425
S45：判断
Figure GDA00036712705700000426
是否成立；
S46：如果
Figure GDA00036712705700000427
不成立，则将
Figure GDA00036712705700000428
的值对应赋值给
Figure GDA00036712705700000429
返回S42步骤；
S47：如果
Figure GDA00036712705700000430
成立，则迭代算法结束，输出
Figure GDA00036712705700000431
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明对D2D通信辅助边缘缓存系统做了数学建模，给出了业务卸载概率Po的表达式；并基于概率论，计算出用户平均传输速率
Figure GDA0003671270570000051
同时将用户平均传输速率
Figure GDA0003671270570000052
作为最终的优化目标函数，联合优化了缓存策略P＝{p1,p2,…,pF}和频谱分配ξ，并使用了低复杂度的算法求出次优解。与现有的仅考虑优化缓存内容的算法相比，本技术方案充分考虑了通信信道对整个系统的影响，能够增大用户传输速率，提高系统吞吐量。
附图说明
图1为本发明的D2D通信辅助边缘缓存的系统模型示意图。
图2为本发明的方法流程图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种D2D通信辅助边缘缓存系统的缓存策略，包括至少两个小基站，至少两个具有边缘缓存功能的用户设备，用户之间能够通过D2D通信传输缓存的内容，D2D通信采用Overlay Inband模式，即在蜂窝频谱资源中划出一部分专用于D2D通信；整个缓存策略方案分为两个阶段，在第一阶段用户设备根据缓存策略主动缓存一个文件，在第二阶段用户通过D2D连接附近空闲用户或者通过小基站连接远端服务器，获取所请求的文件。
用户在文件传输阶段，首先检索本地缓存空间，若本地缓存未命中，则检索附近空闲设备的缓存空间并选择最近的连接，检索范围限制在最大D2D通信距离rc内；若附近的空闲设备缓存未命中，则连接最近的小基站，向远端服务器索取文件。
用户设备与小基站、用户设备与用户设备之间的接入方式均采用TDMA。同一个基站覆盖下的微小区内的用户设备之间D2D接入采用TDMA，具体个数取决于用户的密度以及业务卸载的概率。
如图2所示，该D2D通信辅助边缘缓存系统的缓存策略及频谱分配方法包括以下步骤：
S1：基站首先根据服务器内文件的数量、种类、流行度等来估计用户对各文件的请求概率Q，Q＝{q1,q2,…,qF},
Figure GDA0003671270570000061
F为库内文件总数。然后，将用户分布和小基站分布分别建模成PPP分布Φu和Φb，密度分别为λu和λb。根据已知的最大D2D通信距离rc，计算得到用户的请求可以卸载到本地经由D2D通信完成的概率Po，
Figure GDA0003671270570000062
其中P＝{p1,p2,…,pF},
Figure GDA0003671270570000063
表示用户缓存各文件的概率，即缓存策略；α∈(0,1)，表示空闲用户占比。
S2：基站已知蜂窝信道和D2D信道的统计状态信息，根据S1步骤求得的用户请求卸载概率Po，计算得到用户通过D2D传输第i个文件的平均传输速率
Figure GDA0003671270570000064
和用户通过小基站传输文件的平均传输速率
Figure GDA0003671270570000065
S3：用户可由D2D通信传输第i个文件的概率记为Po,i，
Figure GDA0003671270570000066
基站根据S1步骤得到的请求概率Q以及S2步骤得到的
Figure GDA0003671270570000067
和
Figure GDA0003671270570000068
计算得到用户的平均传输速率
Figure GDA0003671270570000069
S4：通过迭代算法，最大化S3步骤计算出的
Figure GDA00036712705700000610
求得最优的缓存策略P＝{p1,p2,…,pF}和频谱分配比ξ。该方法适用于带有D2D通信和边缘缓存的多小区蜂窝通信系统，
在S1步骤中，对各文件请求概率的估计一般采用Zipf分布。用户被建模成PPP分布，密度为λu，则缓存了第i个文件的空闲用户分布依旧服从PPP分布，密度为piαλu，用户可由D2D通信传输第i个文件的条件为周围半径为rc的圆形范围内存在缓存了第i个文件的空闲用户，概率为
Figure GDA00036712705700000611
则用户请求被卸载概率为
Figure GDA00036712705700000612
在S2步骤中，系统中设备均为单天线，小基站为全双工，用户设备为半双工。接入采用TDMA，信道建模为瑞利信道。由香农公式，D2D传输第i个文件的速率为
Figure GDA0003671270570000071
h是小尺度衰落系数，h～E(1)，Pu是用户设备发送功率，β是路径损耗系数，rd表示D2D链路传输距离。N0表示噪声功率谱密度，ξ是频谱划分比，表示分配给D2D的带宽占比，W是频谱带宽，Kd2d是该用户所在微小区中通过D2D传输的用户数。类似的，小基站传输文件的速率为
Figure GDA0003671270570000072
Pb是小基站发送功率，rb表示小基站蜂窝传输距离，Kbs是该用户所在微小区中通过小基站传输的用户数。
在S2步骤中，D2D链路传输距离rd和小基站蜂窝传输距离rb为随机变量，概率密度函数分别为
Figure GDA0003671270570000073
0≤rd≤rc,i＝1,2,…,F；
Figure GDA0003671270570000074
rb≥0。对Rd2d,i和Rbs分别求期望，可以得到用户通过D2D传输第i个文件的平均传输速率
Figure GDA0003671270570000075
和用户通过小基站传输文件的平均传输速率
Figure GDA0003671270570000076
Figure GDA0003671270570000077
令
Figure GDA0003671270570000078
Figure GDA0003671270570000079
Figure GDA00036712705700000710
Figure GDA00036712705700000711
令
Figure GDA00036712705700000712
Figure GDA00036712705700000713
在S3步骤中，请求第i个文件的用户有概率为Po,i的可能通过D2D完成传输，另外有(1-Po,i)的概率通过蜂窝网完成传输。则用户获取第i个文件的平均传输速率为
Figure GDA00036712705700000714
用户的平均传输速率为
Figure GDA00036712705700000715
Figure GDA0003671270570000081
在S4步骤中，通过迭代法求得最优的缓存策略P＝{p1,p2,…,pF}和频谱分配比ξ的步骤如下：
S41：设定一个判决门限ε，给p1,p2,…,pF；ξ赋初始值，得到
Figure GDA0003671270570000082
带入
Figure GDA0003671270570000083
表达式，求得
Figure GDA0003671270570000084
S42：指定p1为变量，由于
Figure GDA0003671270570000085
令
Figure GDA0003671270570000086
Figure GDA0003671270570000087
通过一维搜索找到使
Figure GDA0003671270570000088
最大的
Figure GDA0003671270570000089
令
Figure GDA00036712705700000810
S43：指定p2为变量，令
Figure GDA00036712705700000811
同样通过一维搜索找到使
Figure GDA00036712705700000812
最大的
Figure GDA00036712705700000813
令
Figure GDA00036712705700000814
S44：以此类推，依次得到
Figure GDA00036712705700000815
再指定ξ为变量，将
Figure GDA00036712705700000816
带入
Figure GDA00036712705700000817
通过一维搜索找到使
Figure GDA00036712705700000818
最大的ξ*和最大值
Figure GDA00036712705700000819
令
Figure GDA00036712705700000820
S45：判断
Figure GDA00036712705700000821
是否成立。
S46：如果
Figure GDA00036712705700000822
不成立，则将
Figure GDA00036712705700000823
的值对应赋值给
Figure GDA00036712705700000824
返回S42。
S47：如果
Figure GDA00036712705700000825
成立，则迭代算法结束，输出
Figure GDA00036712705700000826
本发明对D2D通信辅助边缘缓存系统做了数学建模，给出了业务卸载概率Po的表达式；并基于概率论，计算出用户平均传输速率
Figure GDA00036712705700000827
同时将用户平均传输速率
Figure GDA00036712705700000828
作为最终的优化目标函数，联合优化了缓存策略P＝{p1,p2,…,pF}和频谱分配ξ，并使用了低复杂度的算法求出次优解。与现有的仅考虑优化缓存内容的算法相比，本发明充分考虑了通信信道对整个系统的影响，能够增大用户传输速率，提高系统吞吐量。
本技术方案提供了一种能使用户平均传输速率更大，系统吞吐量更高的D2D通信辅助边缘缓存系统的缓存策略及频谱分配方法。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种D2D通信辅助边缘缓存系统的频谱分配方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：基站首先根据服务器内文件的数量、种类、流行度来估计用户对各文件的请求概率Q，Q＝{q1，q2，...，qF}，
Figure FDA0003671270560000011
F为库内文件总数，然后，将用户分布和小基站分布分别建模成PPP分布Φu和Φb，密度分别为λu和λb，根据已知的最大D2D通信距离rc，计算得到用户的请求可以卸载到本地经由D2D通信完成的概率Po，
Figure FDA0003671270560000012
其中P＝{p1，p2，...，pF}
Figure FDA0003671270560000013
表示用户缓存各文件的概率，即缓存策略；α∈(0，1)，表示空闲用户占比；
S2：基站已知蜂窝信道和D2D信道的统计状态信息，根据S1步骤求得的用户请求卸载概率Po，计算得到用户通过D2D传输第i个文件的平均传输速率
Figure FDA0003671270560000014
和用户通过小基站传输文件的平均传输速率
Figure FDA0003671270560000015
S3：用户可由D2D通信传输第i个文件的概率记为Po，i，
Figure FDA0003671270560000016
基站根据S1步骤得到的请求概率Q以及S2步骤得到的
Figure FDA0003671270560000017
和
Figure FDA0003671270560000018
计算得到用户的平均传输速率
Figure FDA0003671270560000019
S4：通过迭代算法，最大化S3步骤计算出的
Figure FDA00036712705600000110
求得最优的缓存策略P＝{p1，p2，...，pF}和频谱分配比ξ，在S4步骤中，通过迭代法求得最优的缓存策略P＝{p1，p2，...，pF}和频谱分配比ξ的步骤如下：
S41：设定一个判决门限ε，给p1，p2，...，pF和ξ赋初始值，得到
Figure FDA00036712705600000111
ξ(θ)，带入
Figure FDA00036712705600000112
表达式，求得
Figure FDA00036712705600000113
S42：指定p1为变量，由于
Figure FDA00036712705600000114
令
Figure FDA00036712705600000115
通过一维搜索找到使
Figure FDA00036712705600000116
最大的
Figure FDA00036712705600000117
令
Figure FDA00036712705600000118
S43：指定p2为变量，令
Figure FDA00036712705600000119
同样通过一维搜索找到使
Figure FDA00036712705600000120
最大的
Figure FDA00036712705600000121
令
Figure FDA00036712705600000122
S44：以此类推，依次得到
Figure FDA00036712705600000123
再指定ξ为变量，将
Figure FDA00036712705600000124
带入
Figure FDA00036712705600000125
通过一维搜索找到使
Figure FDA00036712705600000126
最大的ξ*和最大值
Figure FDA00036712705600000127
令ξ(1)＝ξ*，
Figure FDA00036712705600000128
S45：判断
Figure FDA00036712705600000129
是否成立；
S46：如果
Figure FDA0003671270560000021
不成立，则将
Figure FDA0003671270560000022
ξ(1)，
Figure FDA0003671270560000023
的值对应赋值给
Figure FDA0003671270560000024
ξ(0)，
Figure FDA0003671270560000025
返回S42步骤；
S47：如果
Figure FDA0003671270560000026
成立，则迭代算法结束，输出
Figure FDA0003671270560000027
ξ(1)。
2.根据权利要求1所述的一种D2D通信辅助边缘缓存系统的频谱分配方法，其特征在于：在S1步骤中，用户在文件传输阶段，首先检索本地缓存空间，若本地缓存未命中，则检索附近空闲设备的缓存空间并选择最近的连接，检索范围限制在最大D2D通信距离rc内；若附近的空闲设备缓存未命中，则连接最近的小基站，向远端服务器索取文件。
3.根据权利要求1所述的一种D2D通信辅助边缘缓存系统的频谱分配方法，其特征在于：在S1步骤中，对各文件请求概率的估计一般采用Zipf分布，用户被建模成PPP分布，密度为λu，则缓存了第i个文件的空闲用户分布依旧服从PPP分布，密度为piαλu，用户可由D2D通信传输第i个文件的条件为周围半径为rc的圆形范围内存在缓存了第i个文件的空闲用户，概率为
Figure FDA0003671270560000028
则用户请求被卸载概率为
Figure FDA0003671270560000029
4.根据权利要求1所述的一种D2D通信辅助边缘缓存系统的频谱分配方法，其特征在于：在S2步骤中，系统中设备均为单天线，小基站为全双工，用户设备为半双工，接入采用TDMA，信道建模为瑞利信道，由香农公式，D2D传输第i个文件的速率为
Figure FDA00036712705600000210
h是小尺度衰落系数，h～E(1)，Pu是用户设备发送功率，β是路径损耗系数，rd表示D2D链路传输距离；N0表示噪声功率谱密度，ξ是频谱划分比，表示分配给D2D的带宽占比，W是频谱带宽，Kd2d是该用户所在微小区中通过D2D传输的用户数；小基站传输文件的速率为
Figure FDA00036712705600000211
Pb是小基站发送功率，rb表示小基站蜂窝传输距离，Kbs是该用户所在微小区中通过小基站传输的用户数。
5.根据权利要求1所述的一种D2D通信辅助边缘缓存系统的频谱分配方法，其特征在于：D2D链路传输距离rd和小基站蜂窝传输距离rb为随机变量，概率密度函数分别为
Figure FDA00036712705600000212
对Rd2d，i和Rbs分别求期望，能够得到用户通过D2D传输第i个文件的平均传输速率
Figure FDA0003671270560000031
和用户通过小基站传输文件的平均传输速率
Figure FDA0003671270560000032
6.根据权利要求1所述的一种D2D通信辅助边缘缓存系统的频谱分配方法，其特征在于：在S3步骤中，请求第i个文件的用户有概率为Po，i的能够通过D2D完成传输，另外有(1-Po，i)的概率通过蜂窝网完成传输；则用户获取第i个文件的平均传输速率为
Figure FDA0003671270560000033
用户的平均传输速率为
Figure FDA0003671270560000034
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