CN110611698A - 一种基于随机边缘缓存及现实条件的柔性协作传输方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于随机边缘缓存及现实条件的柔性协作传输方法及系统,宏基站不支持缓存,宏基站通过回传链路与核心网相联,并可获取任意的内容;小基站支持缓存;发送步骤:当协作半径内所有小基站均未存储用户所请求的文件时,距离用户最近的宏基站从核心网获取该文件并发送给用户;柔性协作发送步骤:当协作半径内存在小基站存储了用户所请求的文件时,如果这样的小基站仅存在一个,该小基站会为用户提供服务;若这样的小基站有多个,这些小基站会向用户联合传输该文件。本发明的有益效果是:本发能灵活高效地适应实际情况,提高基站利用效率;通过小基站层采用联合传输方案,提高通信链路质量。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域,尤其涉及一种基于随机边缘缓存及现实条件的柔性协作传输方法及系统。
背景技术
随着需要连入网络的设备逐渐增多,移动数据流量呈现爆炸性增长,为目前的无线网络带来了巨大挑战。另外,用户对无线网络服务的需求也逐渐从面向连接转移至面向内容,例如视频流以及智能手机应用,但瓶颈问题之一是容量有限的回传网络。这样,支持基站缓存的异构网络应运而生,通过将某些流行的内容在网络使用“低峰期”提前存储于边缘网络节点(如基站),在“高峰期”时网络便可从本地获取内容服务用户,而不再占用回传链路容量,因而极大缓解了网络流量负载压力。随机缓存,即为每个待缓存内容分配缓存概率,所有的内容都会以一定的概率存储在缓存设备中,这样大大提高了缓存内容的多样性。其中,一些缓存节点可能会存储相同的内容,这为协作传输提供了机会,即多个缓存节点如小基站联合发送相同的内容给某一用户。有鉴于此,已有文献已对基于随机边缘缓存的协作传输进行了方案设计。例如,W.L.Wen等人提出了两种基于基站数的协作传输方案:距离用户最近的若干个小基站协作地为用户提供服务,其中协作基站数可调但固定。L.Hu等人因而提出了基于协作半径的协作传输:假设存在以用户为中心的协作圈,即协作半径内的所有小基站均满足接受信号强度的阈值,在此基础上协作半径内的所有小基站协作地为用户提供服务。
对于基于基站数的协作传输方案,假设距离用户最近的若干基站以联合传输的方式发送相同的缓存内容给某一用户,但参与联合传输的基站数是固定的,即每次均通过相同数目的基站发送相同内容给用户。毫无疑问,这种方式在一些场合,如被请求内容仅存储在用户周围少量基站从而达不到所设置的参与联合传输基站数时,则缺乏柔性且导致传输性能下降。
另一方面,在已出现的基于协作半径的协作传输方案中,协作圈内存储有用户所请求内容的全部基站均可参与联合传输;同时,协作圈内其他未缓存该文件的基站暂时静默,从而减少干扰。一方面,多个基站参与联合传输,其增益会随着参与联合传输的基站数增加而减少;另一方面,参与联合传输的基站数目过多,则会过度增大协作开销。另外,协作圈内未存储被请求文件的基站暂时静默,虽然能有效地降低干扰,但同时也会使基站利用率降低。
发明内容
本发明提供了一种基于随机边缘缓存及现实条件的柔性协作传输方法,宏基站不支持缓存,宏基站通过回传链路与核心网相联,并可获取任意的内容;小基站支持缓存;
发送步骤:当协作半径内所有小基站均未存储用户所请求的文件时,距离用户最近的宏基站从核心网获取该文件并发送给用户;
柔性协作发送步骤:当协作半径内存在小基站存储了用户所请求的文件时,如果这样的小基站仅存在一个,该小基站会为用户提供服务;若这样的小基站有多个,这些小基站会向用户联合传输该文件。
作为本发明的进一步改进,在所述柔性协作发送步骤中,设置了协作圈内参与联合传输小基站数量的最大值,以控制联合传输的网络开销。
作为本发明的进一步改进,该柔性协作传输方法还包括获取最优缓存分布步骤,在所述获取最优缓存分布步骤中,采用随机缓存策略,求取文件库中每一个文件的最优缓存概率,从而获得最优的缓存分布。
作为本发明的进一步改进,在所述获取最优缓存分布步骤中,建立异构网络中基站的分布模型,通过使用随机几何工具,推导成功传输概率表达式并对其优化,从而获得最优的缓存分布。
本发明还公开了一种基于随机边缘缓存及现实条件的柔性协作传输系统,包括宏基站和小基站,宏基站不支持缓存,宏基站通过回传链路与核心网相联,并可获取任意的内容;小基站支持缓存;该柔性协作传输系统还包括:
发送模块:用于当协作半径内所有小基站均未存储用户所请求的文件时,距离用户最近的宏基站从核心网获取该文件并发送给用户;
柔性协作发送模块:用于当协作半径内存在小基站存储了用户所请求的文件时,如果这样的小基站仅存在一个,该小基站会为用户提供服务;若这样的小基站有多个,这些小基站会向用户联合传输该文件
作为本发明的进一步改进,在所述柔性协作发送模块中,设置了协作圈内参与联合传输小基站数量的最大值,以控制联合传输的网络开销。
作为本发明的进一步改进,该柔性协作传输系统还包括获取最优缓存分布模块,在所述获取最优缓存分布模块中,采用随机缓存策略,求取文件库中每一个文件的最优缓存概率,从而获得最优的缓存分布。
作为本发明的进一步改进,在所述获取最优缓存分布模块中,建立异构网络中基站的分布模型,通过使用随机几何工具,推导成功传输概率表达式并对其优化,从而获得最优的缓存分布。
本发明的有益效果是:本发明的基于随机边缘缓存及现实条件的柔性协作传输方法及系统能灵活高效地适应实际情况,提高基站利用效率;通过小基站层采用联合传输方案,提高通信链路质量。
附图说明
图1是本发明的柔性协作传输系统示意图;
图2是不同目标比特率的情况下,fn的成功传输概率与其缓存概率之间的曲线图。
具体实施方式
如图1所示,本发明公开了一种基于随机边缘缓存及现实条件的柔性协作传输方法,能够灵活高效地为用户提供服务,提高网络服务质量,包括:
本发明的目的是提供一种基于现实条件的面向协作传输的随机边缘缓存方案,能够灵活高效地为用户提供服务,提高网络服务质量,包括:
一、系统网络模型
本发明面向两层的异构网络,其中宏基站被密集的小基站围绕。宏基站不支持缓存,但通过具有足够高容量的回传链路与核心网相联,并可获取任意的内容。小基站支持缓存,但缓存空间有限。而对于基于协作半径的协作传输方案,由于协作圈内的小基站数是随机的,故能很好的避免设置固定的协作基站数所带来的不便。基于上文所述,本发明首次提出了一种基于现实条件和协作半径的协作传输方案:
(1)当协作半径内所有小基站均未存储用户所请求的文件时,距离用户最近的宏基站从核心网获取该文件并发送给用户;
(2)当协作半径内存在小基站存储了用户所请求的文件时,如果这样的小基站仅存在一个,该小基站会为用户提供服务;若这样的小基站有多个,这些基站会向用户联合传输该文件。因而实现柔性协作。这里,本发明设置了协作圈内参与联合传输小基站数量的最大值,以控制联合传输的网络开销。
二、获取最优缓存分布
正如上文所提及的,本发明采用随机缓存策略,求取文件库中每一个文件的最优缓存概率,从而获得最优的缓存分布(即所有文件所相应最优缓存概率的集合)。首先需要建立异构网络中基站的分布模型,如假设其服从泊松点过程(Poisson Points Processes,PPPs)或泊松簇过程(Poisson Cluster Processes,PCPs),通过使用随机几何工具,推导成功传输概率(Successful Transmission Probability,STP)表达式并对其优化,从而获得最优的缓存分布。
实验场景:
假设两层基站分别服从两个独立PPPs,考虑瑞利衰落信道、路径损失及离散时间系统,并探究网络一个任意时隙。一些参数及其符号表示如下表。
一些参数及其符号
当协作半径、小基站密度给定时,协作圈内小基站数量K是随机的,其概率质量函数为:
假设文件库中总共有N个文件。不失一般性,假设其流行度顺序按照其编号顺序递减且所有文件的大小相同,每个小基站的缓存空间为M个文件。这样,给定协作半径时,成功传输概率为:
其中,τs和τm分别为通过小基站传输以及通过宏基站传输的信道容量,I(·)是指示函数。考虑干扰受限场景并借助随机几何工具,可得到易于处理的成功传输概率(STP)表达式:
其中,
其中,ψk,K是k、K给定时的成功传输概率。根据本发明提出的协作传输方案,
这里,j是参与联合传输的小基站数。当K=0或j=k=0时,距离用户最近的宏基站将服务用户,此时的成功传输概率记为ψ0|0,K,借助随机几何工具,得到:
其中,是用户与距离其最近的宏基站之间距离的概率密度函数,是由宏基站提供服务且满足目标比特率的信干比阈值,同样地,是由小基站提供服务且满足目标比特率的信干比阈值。
缓存分布T是成功传输概率的主要影响因素,以最大化平均成功传输概率为目标。故有如下的优化问题:
由于协作半径内小基站个数不确定,这使得式子求导复杂,故近似地认为:
其中,表示协作半径内小基站的个数为时的平均成功传输概率且表示协作半径内小基站数量的均值。最大化平均成功传输概率需要先优化T,当j>1且满足ψj|k,K,ρ-ψj-1|k,K,ρ≥ψj+1|k,K,ρ-ψj|k,K,ρ时,可用KKT条件进行优化,其拉格朗日函数为:
其中,λn≥0和ηn≥0是拉格朗日乘子,且λ=(λ1,λ2,...,λn),η=(η1,η2,...,ηn),ν是常数。则可以得到:
如果Tn *是一个最优解且0<Tn *<1时,有anψ ′ av(Tn)=ν。基于此等式,当文件流行度已知,通过假设所有Tn *∈(0,1),可以获得最优的缓存分布。与大多数文献一样,用齐夫定律建立文件流行度模型。二分法优化步骤如下:
第一步:遍历an和Tn∈[0,1],根据anψ′(Tn)=ν可获得νmin和νmax;
第二步:ν=0.5*(νmin+νmax),依次获得各个流行度对应文件最优的缓存概率;同时,判断获得的缓存概率是否满足限制条件。若不满足,则调整满足条件;
第三步:判断所获得的缓存分布是否满足限制条件。若不满足,更新νmin和νmax并返回至第二步;否则,输出缓存分布。
νmin和νmax是根据等式anψ′(Tn)=ν并通过遍历an和Tn所求ν的最小值和最大值,选取其中最小值为νmin,最大值为νmax。
本发明还公开了一种基于随机边缘缓存及现实条件的柔性协作传输系统,包括宏基站和小基站,宏基站不支持缓存,宏基站通过回传链路与核心网相联,并可获取任意的内容;小基站支持缓存;该柔性协作传输系统还包括:
发送模块:用于当协作半径内所有小基站均未存储用户所请求的文件时,距离用户最近的宏基站从核心网获取该文件并发送给用户;
柔性协作发送模块:用于当协作半径内存在小基站存储了用户所请求的文件时,如果这样的小基站仅存在一个,该小基站会为用户提供服务;若这样的小基站有多个,这些小基站会向用户联合传输该文件。
在所述柔性协作发送模块中,设置了协作圈内参与联合传输小基站数量的最大值,以控制联合传输的网络开销。
该柔性协作传输系统还包括获取最优缓存分布模块,在所述获取最优缓存分布模块中,采用随机缓存策略,求取文件库中每一个文件的最优缓存概率,从而获得最优的缓存分布。
在所述获取最优缓存分布模块中,建立异构网络中基站的分布模型,通过使用随机几何工具,推导成功传输概率表达式并对其优化,从而获得最优的缓存分布。
图1出示了本发明基于随机边缘缓存及现实条件的柔性协作传输系统的示意图,在图1中,设置参与协作传输的小基站数量的最大值为2,且假设用户所请求文件编号为“2”。此时可以看到,协作圈内总共有4个小基站。此时,虽然其中三个小基站均存储了编号为“2”的文件,但由于设置的参与联合传输的小基站数量的最大值为2,用户将选取两个小基站进行关联。同时,协作圈内其他小基站、所有宏基站及其他协作圈外的小基站将产生干扰。
图2出示了不同目标比特率的情况下,fn的成功传输概率与其缓存概率之间的曲线。其中,协作半径为R=100m,λm=1/(5002π)个/m2,λs=1/(502π)个/m2,Pm=43dbm,Ps=23dbm,αs=αm=4,Wm=0.2MHz,Ws=20MHz。可以看到,仿真结果与理论推导结果能很好地吻合,这也证明实验中公式推导的准确性。
本发明涉及通信技术领域(后5G网络),涉及协同多点传输技术以及随机缓存技术,主要针对缓存内容选择困难、通信链路衰变等问题,通过合理选择缓存内容,精心设计内容分发技术方案,在有限的缓存空间等现实条件下,提高成功传输概率和网络服务质量。
综上,本发明的基于随机边缘缓存及现实条件的柔性协作传输方法及系统能灵活高效地适应实际情况,提高基站利用效率;通过小基站层采用联合传输方案,提高通信链路质量。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于随机边缘缓存及现实条件的柔性协作传输方法,其特征在于:宏基站不支持缓存,宏基站通过回传链路与核心网相联,并可获取任意的内容;小基站支持缓存;
发送步骤:当协作半径内所有小基站均未存储用户所请求的文件时,距离用户最近的宏基站从核心网获取该文件并发送给用户;
柔性协作发送步骤:当协作半径内存在小基站存储了用户所请求的文件时,如果这样的小基站仅存在一个,该小基站会为用户提供服务;若这样的小基站有多个,这些小基站会向用户联合传输该文件。
2.根据权利要求1所述的柔性协作传输方法,其特征在于:在所述柔性协作发送步骤中,设置了协作圈内参与联合传输小基站数量的最大值,以控制联合传输的网络开销。
3.根据权利要求1所述的柔性协作传输方法,其特征在于:该柔性协作传输方法还包括获取最优缓存分布步骤,在所述获取最优缓存分布步骤中,采用随机缓存策略,求取文件库中每一个文件的最优缓存概率,从而获得最优的缓存分布。
4.根据权利要求3所述的柔性协作传输方法,其特征在于:在所述获取最优缓存分布步骤中,建立异构网络中基站的分布模型,通过使用随机几何工具,推导成功传输概率表达式并对其优化,从而获得最优的缓存分布。
5.一种基于随机边缘缓存及现实条件的柔性协作传输系统,其特征在于:包括宏基站和小基站,宏基站不支持缓存,宏基站通过回传链路与核心网相联,并可获取任意的内容;小基站支持缓存;该柔性协作传输系统还包括:
发送模块:用于当协作半径内所有小基站均未存储用户所请求的文件时,距离用户最近的宏基站从核心网获取该文件并发送给用户;
柔性协作发送模块:用于当协作半径内存在小基站存储了用户所请求的文件时,如果这样的小基站仅存在一个,该小基站会为用户提供服务;若这样的小基站有多个,这些小基站会向用户联合传输该文件。
6.根据权利要求5所述的柔性协作传输系统,其特征在于:在所述柔性协作发送模块中,设置了协作圈内参与联合传输小基站数量的最大值,以控制联合传输的网络开销。
7.根据权利要求5所述的柔性协作传输系统,其特征在于:该柔性协作传输系统还包括获取最优缓存分布模块,在所述获取最优缓存分布模块中,采用随机缓存策略,求取文件库中每一个文件的最优缓存概率,从而获得最优的缓存分布。
8.根据权利要求7所述的柔性协作传输系统,其特征在于:在所述获取最优缓存分布模块中,建立异构网络中基站的分布模型,通过使用随机几何工具,推导成功传输概率表达式并对其优化,从而获得最优的缓存分布。
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