CN111492643B - 用于编码缓存的装置和方法 - Google Patents

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CN111492643B CN201880082351.8A CN201880082351A CN111492643B CN 111492643 B CN111492643 B CN 111492643B CN 201880082351 A CN201880082351 A CN 201880082351A CN 111492643 B CN111492643 B CN 111492643B
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Abstract

本发明涉及一种网络实体(101)，用于向多个接收器装置(103a‑c)分发多个文件，上述多个接收器装置包括第一接收器装置(103a)和第二接收器装置(103b)，其中，上述多个文件的每个文件能够被分段为多个文件段，并且上述多个接收器装置(103a‑c)中的每个接收器装置包括用于缓存上述多个文件段中的一个或多个文件段的缓存(107a‑c)。网络实体(101)包括：处理单元(101a)，用于针对上述多个文件中的一个或多个文件，对相应文件的上述多个文件段中的一个或多个文件段进行编码；以及调度器(101b)，用于使用文件段的多个队列调度上述多个文件段到多个接收器装置(103a‑c)的传输，上述多个队列包括第一队列和第二队列，其中，上述多个队列的数量大于或等于多个接收器装置(103a‑c)的数量并且小于上述多个接收器装置(103a‑c)的数量的两倍，并且其中，从而调度器(101b)还用于将上述多个队列分配给多个接收器装置(103a‑c)，使得第一队列包括用于第一接收器装置(103a)的文件段，第二队列包括用于第二接收器装置(103b)的文件段以及可由第一接收器装置(103a)和第二接收器装置(103b)解码的编码文件段。此外，本发明涉及一种用于向多个接收器装置(103a‑c)分发多个文件的对应方法。

Description

用于编码缓存的装置和方法
技术领域
通常，本发明涉及电信领域。更具体地，本发明涉及用于向多个接收器装置分发多个文件的网络实体以及对应的方法。
背景技术
未来无线通信网络的关键挑战之一是不断增长的视频业务需求，该需求在2015年达到总移动IP业务的70％。传统的下行系统因为具有有限的资源块，因此不能满足这种需求，因此，随着同时视频传输的数量K增加，每视频吞吐量减少为1/K。近来表明，如果利用接收器处的缓存协同地设计通信，则可以实现可缩放的每视频吞吐量。实际上，编码缓存的最近突破引起了对无线下行通信的重新思考。然而，现有技术方法未在具有衰落的实际无线信道和/或在距发射器不同距离处的用户中提供增益。
当前无线通信网络中用于更有效地使用无线资源以便应对数据需求的增加并为用户提供某种公平性的标准解决方案是机会调度。机会调度背后的主要思想是，通过向信道条件有利的用户进行传输来利用用户的无线信道上的时间变化。实际上，大多数3G、3.5G、以及4G无线通信网络采用所谓的比例公平调度器的变型。然而，这种方法未利用接收装置的存储器，并且每用户吞吐量随用户(即，接收器装置)的数量增加而成比例减少，即，最优为loglog(K)/K，其中K是用户的数量。
为了消除这种瓶颈，M.A.Maddah-Ali、U.Niesen在IEEE Transactions onInformation Theory(IEEE信息理论学报)，vol.60，no.5，pp.2856-2867，2014五月上的开创性文章“Fundamental Limits of Caching”(缓存的基本限制)中提出了一种新的想法，即编码缓存。编码缓存的不同方面已经在US 9560390、US 9535837、以及US 9401951中公开。编码缓存通过存储文件(例如视频)的部分，然后将文件包或段的适当组合广播到接收器装置(考虑到请求的实际文件和这些接收器装置的缓存的内容)来利用接收器装置的存储器(也称为缓存)，以便最小化所需的传输的数量，直到所有接收器装置可以解码它们的请求的文件。
理论上，编码缓存可以实现恒定的每用户吞吐量，然而在衰落环境(如在移动通信网络中遇到的环境)中，情况并非如此。如果将编码缓存应用于衰落环境，则每次传输将处于具有最差信道质量的接收器装置所支持的比特率，这降低了总系统性能。
A.Destounis、M.Kobayashi、G.Paschos、A.Ghorbel在IEEE WiOpt，2017年上的文章“Alpha Fair Coded Caching”(Alpha公平编码缓存)公开了一种可能的解决方案，其中提出机会性地向接收器装置的子集进行传输并组合接收器装置的子集的文件。然而，因为(i)需要使用系统的接收器装置的所有可能的多播组(庞大的集合)，以及(ii)假设可以达到无线广播信道上的速率的信息理论极限，所以上述提出的解决方案更多是理论性质的。
鉴于上述情况，需要用于向多个接收器装置分发文件的改进的装置和方法。
发明内容
本发明的目的是提供用于向多个接收器装置分发文件的改进的装置和方法。
前述目的和其他目的通过独立权利要求的主题实现。根据从属权利要求、说明书、以及附图，其他实施方式显而易见。
一般地，本发明的实施例提供了一种系统架构和操作方法，该系统架构和操作方法有效利用了实际无线信道中的接收器装置的存储能力，同时实施起来简单且实用。本发明的实施例可以有益地用于例如向最终用户终端(例如智能电话、iPad、膝上型计算机)进行无线视频递送(其中利用终端的存储能力)、用于无线或有线回程传输(其中宏基站向具有缓存等的小基站(smallcellbasestation)提供对核心网的接入)。
更具体地，根据第一方面，提供了一种网络实体，该网络实体用于向多个接收器装置分发多个文件，上述多个接收器装置包括第一接收器装置和第二接收器装置。多个文件的每个文件能够被分段为多个文件段，并且多个接收器装置中的每个接收器装置包括用于缓存多个文件段中的一个或多个文件段的缓存。该网络实体包括处理单元和调度器，处理单元用于针对上述多个文件中的一个或多个文件，对相应文件的上述多个文件段中的一个或多个文件段进行编码；调度器用于使用文件段的多个队列调度上述多个文件段到上述多个接收器装置的传输，上述文件段的多个队列包括第一队列和第二队列，其中，上述多个队列的数量大于或等于上述多个接收器装置的数量并且小于上述多个接收器装置的数量的两倍。调度器还用于将多个队列分配给多个接收器装置，使得第一队列包括用于第一接收器装置的文件段，第二队列包括用于第二接收器装置的文件段以及可由第一接收器装置和第二接收器装置解码的编码文件段。在一种实施方式中，也可以仅对用于第一接收器装置的文件段进行编码。
因此，提供了一种用于向多个接收器装置分发文件的改进的装置。本发明的实施例利用了以下的有利组合：通过编码缓存创建多播机会、利用信道的衰落状态来选择在每个时隙将多播传输发送到的适当的接收器装置组。根据本发明的实施例，将接收器装置请求的文件组合成码字(即，用于不同接收器装置组的编码文件段)，并且该过程可以是动态的。
在第一方面的另一可能实施方式中，上述处理单元用于基于与上述多个接收器装置关联的相应通信信道质量，将上述多个队列分配给上述多个接收器装置，其中，与第一接收器装置关联的通信信道质量大于与第二接收器装置关联的通信信道质量。
在第一方面的另一可能实施方式中，上述处理单元用于基于与上述多个接收器装置中的每个接收器装置关联的相应通信信道质量和与上述多个接收器装置中的每个接收器装置关联的相应优先级，将上述多个队列分配给上述多个接收器装置。
在第一方面的另一可能实施方式中，上述调度器用于周期性地将上述多个队列重新分配给上述多个接收器装置。有利地，这允许调度器动态地适应变化的信道条件。
在第一方面的另一可能实施方式中，上述多个接收器装置包括第三接收器装置，并且上述多个队列包括第三队列，其中，上述调度器还用于将上述多个队列分配给上述多个接收器装置，使得第三队列包括用于第三接收器装置的文件段，可由第一接收器装置和第三接收器装置解码的编码文件段，可由第二接收器装置和第三接收器装置解码的编码文件段，以及可由第一接收器装置、第二接收器装置、以及第三接收器装置解码的编码文件段。其他实施方式可以基于该实施方式通过添加额外的接收器装置，例如第四接收器装置、第五接收器装置等。
在第一方面的另一可能实施方式中，上述调度器用于基于调度计划，使用上述文件段的多个队列调度文件段到多个接收器装置的传输。
在第一方面的另一可能实施方式中，上述调度器用于基于调度计划，从而调度上述文件段到上述多个接收器装置的传输，上述调度计划基于梯度下降调度(gradientdescent scheduling，GDS)方案。
在第一方面的另一可能实施方式中，上述调度器用于通过基于以下等式确定上述多个队列的上述队列的索引i*，从而调度文件段到上述多个接收器装置的传输，上述队列的索引i*将在时间步长t用于文件段到上述多个接收器装置的传输：
Figure BDA0002547292120000031
其中，
Figure BDA0002547292120000032
表示第i个队列在时间步长t的服务速率，并由下式给出：
Figure BDA0002547292120000033
其中：
i表示队列索引，
d表示正常数，
α表示与所需的公平水平关联的指数，
m表示上述多个接收器装置中的每个接收器装置的缓存的归一化大小，
Ti(t)表示第i个队列在时间步长t的累计吞吐量，以及
hk(t)表示第k个队列在时间步长t的信道响应。
在第一方面的另一可能实施方式中，上述多个队列包括第四队列，其中，上述调度器还用于将上述多个队列分配给上述多个接收器装置，使得第四队列包括用于第二接收器装置的文件段。
在第一方面的另一可能实施方式中，上述调度器用于通过基于以下等式确定上述多个队列的上述队列的索引i*，从而调度文件段到上述多个接收器装置的传输，上述队列的索引i*将在时间步长t用于文件段到上述多个接收器装置的传输：
Figure BDA0002547292120000034
其中，
Figure BDA0002547292120000035
表示第i个队列在时间步长t的服务速率，并由下式给出：
Figure BDA0002547292120000036
其中：
i表示队列索引，
d表示正常数，
α表示与所需的公平水平关联的指数，
m表示上述多个接收器装置中的每个接收器装置的缓存的归一化大小，
Ti(t)表示第i个队列在时间步长t的累计吞吐量，以及
hk(t)表示第k个队列在时间步长t的信道响应。
在第一方面的另一可能实施方式中，上述处理单元用于使用XOR运算对上述多个文件的上述一个或多个文件的上述相应文件的上述多个文件段的上述一个或多个文件段进行编码。
在第一方面的另一可能实施方式中，上述网络实体是基站，并且上述多个接收器装置是多个用户设备。
在第一方面的另一可能实施方式中，上述网络实体是宏基站，并且上述多个接收器装置是多个小基站。宏基站可以经由无线和/或有线连接(例如经由应用层处的有线网络)与多个小基站通信。
根据第二方面，本发明涉及一种用于向多个接收器装置分发多个文件的对应方法，上述多个接收器装置包括第一接收器装置和第二接收器装置，其中，上述多个文件的每个文件能够被分段为多个文件段，并且上述多个接收器装置中的每个接收器装置包括用于缓存上述多个文件段中的一个或多个文件段的缓存。该方法包括以下步骤：针对上述多个文件中的一个或多个文件，对相应文件的上述多个文件段中的一个或多个文件段进行编码；使用文件段的多个队列调度文件段到上述多个接收器装置的传输，上述文件段的多个队列包括第一队列和第二队列，其中，上述多个队列的数量大于或等于上述多个接收器装置的数量并且小于上述多个接收器装置的数量的两倍；以及将上述多个队列分配给上述多个接收器装置，使得第一队列包括用于第一接收器装置的文件段，第二队列包括用于第二接收器装置的文件段以及可由第一接收器装置和第二接收器装置解码的编码文件段。在一种实施方式中，也可以仅对第一接收器装置的文件段进行编码。
根据本发明第二方面的方法可以由根据本发明第一方面的网络实体来执行。根据本发明第二方面的方法的其他特征直接来自根据本发明第一方面的网络实体的功能及其以上描述的和以下描述的不同实施方式。
根据第三方面，本发明涉及一种计算机程序产品，上述计算机程序产品包括程序代码，当在计算机上执行时，上述程序代码用于执行第二方面的方法。
本发明可以以硬件和/或软件实施。
附图说明
将参照以下附图描述本发明的其他实施例，在附图中：
图1示出了根据实施例的包括用于分发文件的网络实体的无线通信网络的示意图；
图2示出了根据实施例的本发明的不同方面与传统无线下行系统进行比较的示意图；
图3示出了图示根据实施例的用于描述本发明的不同方面的系统模型的示意图；
图4示出了图示根据实施例的在网络实体实施的文件段的调度的示意图；
图5示出了图示根据另一实施例的在网络实体实施的文件段的调度的示意图；
图6a和图6b示出了图示本发明实施例的性能的曲线图；以及
图7示出了图示根据实施例的向多个接收器装置分发多个文件的方法的示意图。
在各个附图中，相同的附图标记将用于相同的或至少功能上等同的特征。
具体实施方式
在以下描述中参考附图，附图形成本公开的一部分，并且在附图中通过图示示出了可以放置本发明的特定方面。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他方面，并且可以进行结构或逻辑上的改变。因为本发明的范围由所附权利要求限定，因此以下具体实施方式不应理解为限制性的。
例如，将理解，与所描述的方法有关的公开内容对于用于执行该方法的对应装置或系统也是适用的，反之亦然。例如，如果描述了特定的方法步骤，则即使用于执行所描述的方法步骤的单元未在附图中明确地描述或图示，对应装置也可以包括这种单元。
此外，在以下具体实施方式中以及权利要求中描述了具有不同功能块或处理单元的实施例，这些功能块或处理单元彼此连接或交换信号。应当理解，本发明还涵盖了包括布置在以下描述的实施例的功能块或处理单元之间的附加功能块或处理单元的实施例。
最后，应当理解，除非另外特别指出，否则本文所述的各种示例性方面的特征可彼此组合。
图1示出了根据实施例的包括网络实体101的无线通信网络100的示意图。在实施例中，无线通信网络100是蜂窝无线通信网络100。
网络实体101用于向包括第一接收器装置103a和第二接收器装置103b的多个接收器装置103a-c分发多个文件。每个文件能够被分段为多个文件段，并且多个接收器装置103a-c的每个接收器装置包括用于缓存多个文件段中的一个或多个文件段的缓存107a-c(也在图3中示出)。每个接收器装置103a-c还可以包括处理单元105a，处理单元105a用于处理由网络实体101提供的文件段，即，用于对编码的文件段进行解码和/或将文件段组合成原始文件。如图1所示，在实施例中，网络实体101可以包括用于存储文件和文件段的缓存101c。
在实施例中，网络实体101是基站101，并且多个接收器装置103a-c是多个用户设备103a-c。在另一实施例中，网络实体101是宏基站，并且多个接收器装置103a-c是多个小基站。宏基站可以经由无线和/或有线连接(例如经由应用层处的有线网络)与多个小基站通信。
如从图1可见，网络实体101包括处理单元或处理器101a，处理单元或处理器101a用于针对多个文件中的一个或多个文件，对相应文件的多个文件段中的一个或多个文件段进行编码。在实施例中，网络实体101的处理单元101a可以用于使用XOR运算对多个文件中的一个或多个文件中的相应文件的多个文件段中的一个或多个文件段进行编码。
此外，如下面进一步详细描述的，网络实体101包括调度器101b，从而调度器101b用于使用文件段的多个队列调度多个(可能编码的)文件段到多个接收器装置103a-c的传输(上述多个队列包括第一队列和第二队列)，使得上述多个队列的数量大于或等于多个接收器装置103a-c的数量并且小于多个接收器装置103a-c的数量的两倍。例如，在网络实体101要将多个文件分发到10个接收器装置103a-c的场景中，从而调度器101b可以用于使用10、11、12、13、14、15、16、17、18、或19个文件段的队列来调度上述多个(可能编码的)文件段到10个接收器装置103a-c的传输。
如下面进一步详细描述的，从而调度器101b还用于以如下方式将多个队列分配给多个接收器装置103a-c：第一队列仅包括用于第一接收器装置103a的文件段，第二队列包括用于第二接收器装置103b的文件段以及可由第一接收器装置103a和第二接收器装置103b解码的编码文件段。在实施例中，也可以对用于第一接收器装置103a的文件段(即第一队列的文件段)进行编码。
在实施例中，从而调度器101b用于周期性地将多个队列重新分配给多个接收器装置103a-c。
在实施例中，多个接收器装置103a-c包括第三接收器装置103c，并且上述多个队列包括第三队列。在实施例中，从而调度器101b还用于将多个队列分配给多个接收器装置103a-c，使得第三队列包括用于第三接收器装置103c的文件段、可由第一接收器装置103a和第三接收器装置103c解码的编码文件段、可由第二接收器装置103b和第三接收器装置103c解码的编码文件段、以及可由第一接收器装置103a、第二接收器装置103b、以及第三接收器装置103c解码的编码文件段。
在实施例中，网络实体101的调度器101b用于基于调度计划，使用上述文件段的多个队列调度文件段到多个接收器装置的传输。
在实施例中，网络实体101的调度器101b用于基于调度计划，从而调度文件段到多个接收器装置103a-c的传输，上述调度计划基于梯度下降调度GDS方案。
图2示出了根据实施例的本发明的不同方面与传统无线下行系统进行比较的示意图。在此，假设请求由每个用户设备或接收器装置递送的文件已经到达基站101的发射器(“用户数据”部分)。
在图2左侧所示的传统系统中，在每个时隙，将选择用户终端，并且通过无线信道发送用于所选用户终端的数据。
在根据实施例的网络实体101中(在图2右侧示出)，存在中间阶段(本文称为方法M.1)，其中，在每个时隙(或在指定的时间实例，例如周期性地)，网络实体100(或更具体地，网络实体100的发射器)选择属于接收器装置(即，集合S)的子集的文件，并且组合这些所选文件。这意味着根据实施例的网络实体101用于为S的每个子集生成码字(即，比特序列)，使得如果S的每个子集接收到对应的比特，则集合S中的所有接收器装置可以对接收器装置请求的并且在组合中使用的文件进行解码。
对于3个接收器装置或用户(即，用户1、2、3)的子集并且每个用户一个文件的示例性情况，根据实施例的网络实体用于通过生成以下码字编码其文件段：
·C{1},C{2},C{3}：只对每个接收器装置单独有用
·C{12},C{23},C{13}：对每个2个接收器装置的子集有用
·C{123}：对所有接收器装置都有用
在实施例中，上述码字(即，编码的文件段)由网络实体101的处理单元101a以以下方式设计：使得每个接收器装置103a-c可以通过将这些码字与其缓存内容组合来解码所请求的文件。在上述示例中，第一接收器装置1应当能够基于C{1},C{12},C{13},C{123},及其缓存内容来检索第一接收器装置1所请求的文件，并且其他接收器装置的过程是类似的(在图2中称为方法M.3)。
根据实施例，如上所述，网络实体101用于限制生成码字用于的接收器装置的子集的数量，即队列的数量。例如，在实施例中，可能不允许为多播组{12}和{123}生成码字。这限制了多播组(即传输队列)的数量。
在实施例中，因为由以上过程生成的码字(即编码文件段)可能对多个接收器装置103a-c有用，所以网络实体101用于使用多播传输。在实施例中，然后，网络实体101的调度器101b可以将每个接收器装置103a-c的瞬时信道状态与每个接收器装置103a-c特定的特性和/或接收系统特定的特性(例如，一些接收器装置的较高优先级、对文件递送速率的公平性要求……)组合成每个多播组(即，每个传输队列)的分数，并且选择具有最高分数的多播组(即，传输队列)为其进行无线传输。
因此，在实施例中，网络实体101的处理单元101a用于基于与多个接收器装置103a-c关联的相应通信信道质量，将多个传输队列分配给多个接收器装置103a-c。在另一实施例中，处理单元101a用于基于与多个接收器装置103a-c的每个接收器装置关联的相应通信信道质量和与多个接收器装置103a-c的每个接收器装置关联的相应优先级，将多个队列分配给多个接收器装置103a-c。
下面参考图2提供根据实施例的由网络实体101执行的方法(M)以及根据实施例的由网络实体101发送的信号(S)的概述：
方法：
M.1)将文件段组合成待通过无线信道多播的码字(即，编码文件段)的方法(由处理单元101a执行)，
M.2)考虑生成的码字以及信道衰落状态，由调度器101b修改每个用户/多播组(即，传输队列)的权重/分数计算(用于计算所使用的每个多播组的分数)的方法，
M.3)考虑用户的缓存状态和文件需求对通过无线信道发送的信号进行解码的方法(由接收器装置103a-c执行)。
信号：
S.1)对(使用方法M.1)将用户数据组合成码字(即编码文件段)的请求，并发送这些数据(由网络实体101执行)，
S.2)生成的码字(即编码文件段)，待在无线信道上调度(由网络实体101执行)，
S.3)提供必要信息的信号，该信息使接收器装置103a-c能够对来自多播传输(通过无线信道)的，接收器装置103a-c请求的文件进行解码。
本发明的实施例允许利用由接收器装置103a-c的存储能力产生的多播机会和由无线衰落信道的时间变化产生的机会，因此实现比现有技术方法高的系统吞吐量，现有技术方法仅利用上述方面之一而未考虑另一方面。更具体地，相对于传统系统中使用的机会调度，本发明的实施例受益于接收器的存储，这使得利用了多播机会。在无线电资源的LTE规范下的小区中的流式4K视频的示例性场景中，本发明的实施例提供了相对于(如在当前标准中使用的)普通机会调度器而言能够同时支持的用户数量的高达300％的增益，以及相对于视频的部分被缓存到用户终端但是未利用多播机会的机会调度而言高达33％的增益。
如上所述，对于传统的编码缓存，所有的传输需要由所有的接收器接收。在信道质量(例如，由于衰落)随时间独立变化的设置中，这意味着所有传输需要以具有最差信道质量的用户支持的速率进行，这对系统的效率具有不利影响。本发明的实施例通过适当地组合文件并平衡不同多播组(即，不同传输队列)之间的传输来避免此不利影响。
如上所述，根据实施例的在网络实体101实施的关键概念是动态地选择接收器装置103a-c的集合的为其组合文件以便创建多播机会的子集，并且根据信道状态和(在公平性、效率等方面的)系统目标选择将向其进行多播传输的接收器组，从而组合多播机会并且利用无线介质的时间变化。
如上所述，根据实施例的在网络实体101实施的另一关键概念是将使用的多播组(即，传输队列)的数量限制在O(2K)到O(K)，使得易于对最佳组合进行搜索，并且允许可以以精细的时间粒度挑选最佳组的算法实现。本发明的实施例通过在权重计算中进行微小修改来与传统基站中使用的现状调度器(也称为PF调度器)向后兼容。
图3示出了图示根据实施例的用于描述本发明的不同方面的系统模型的示意图。在实施例中，网络实体101可以视为内容分发系统的服务器，该内容分发系统具有大小为F比特的N个文件并且需要通过无线下行信道将所请求的文件传送到K个用户(即，接收器装置103a-c)。在实施例中，每个接收器装置103a-c配备有大小为M个文件的缓存107a-c。归一化的缓存大小由
Figure BDA0002547292120000071
定义。在实施例中，考虑标准块衰落广播信道，使得信道状态在信道使用的时隙Tslot期间保持恒定，并且以独立同分布的方式在一个时隙到另一个时隙期间改变，即，在每个时隙，信道状态是随机的，与前一时隙发生的情况无关，但是来自同一分布。在实施例中，第k个用户(即接收器装置103a-c)在任何信道使用的时隙t的信道输出由下式给出：
Figure BDA0002547292120000072
其中信道输入
Figure BDA0002547292120000081
受功率约束
Figure BDA0002547292120000082
Figure BDA0002547292120000083
是具有协方差矩阵恒等式的大小为Tslot的加性高斯白噪声，假设这些加性高斯白噪声彼此独立；
Figure BDA0002547292120000084
是在时间和用户之间独立分布的信道衰落系数
Figure BDA0002547292120000085
其中βk表示第k个接收器装置103a-c的路径损耗参数。
在实施例中，性能度量是文件到第k个用户(即接收器装置103a-c)的时间平均递送速率，由
Figure BDA0002547292120000086
表示。在实施例中，考虑公平文件递送问题，如由以下等式定义的：
Figure BDA0002547292120000087
其中，效用函数对应于通过选择以下获得的凹函数的alpha公平族(alphafairfamily)：
Figure BDA0002547292120000088
为了完整起见，下面回顾如M.Maddah-Ali和U.Niesen在IEEE/ACM Transactionson Networking(IEEE/ACM网络学报)，vol.23，no.4，pp.1029–1040，2015上的“Decentralized Coded Caching Attains Order-Optimal Memory-Rate Tradeoff”(分散编码缓存实现了顺序-最优存储速率权衡)公开的传统分散编码缓存的一些方面。传统分散编码缓存操作分为两个阶段：
(i)放置阶段，其中每个用户独立地缓存每个文件的mF比特的子集，该子集是随机均匀选择的。通过使
Figure BDA0002547292120000089
表示专门存储在用户集
Figure BDA00025472921200000810
的缓冲存储器中的子文件Wi，分散放置后的用户k的缓冲存储器Zk由下式给出：
Figure BDA00025472921200000811
(ii)递送阶段(文件组合)：假设用户k请求文件Wk，则服务器生成并传送对用户
Figure BDA00025472921200000812
的子集同时有用的以下码字：
Figure BDA00025472921200000813
已在M.Maddah-Ali和U.Niesen在IEEE/ACM Transactions on Networking(IEEE/ACM网络学报)，vol.23，no.4，pp.1029–1040，2015上的“Decentralized Coded CachingAttains Order-Optimal Memory-Rate Tradeoff”(分散编码缓存实现了顺序-最优存储速率权衡)中证明了为了满足K个不同的需求，发送的文件的总数由以下等式给出：
Figure BDA00025472921200000814
因此，全局缓存增益等于
Figure BDA00025472921200000815
该增益随着用户数量的增加而增加。
现有信道的多播容量或共同消息速率由下式给出：
Figure BDA00025472921200000816
该多播容量或共同消息速率随着用户数量的增加而减少。典型编码缓存的长期平均速率由以下等式给出：
Figure BDA00025472921200000817
该长期平均速率是有界的并且随着K的增长而收敛于常数。
下面，将针对具有由信道统计β1≥β2≥β3描述的通信信道质量的3个接收器装置103a-c的示例性情况，详细描述根据相应实施例的在网络实体101实施的两种方案。
图4示出了图示根据实施例的在网络实体101实施的第一调度方案的示意图。
在图4所示的实施例中，网络实体101用于将编码缓存限制为仅在用户{1,2},{1,2,3}之间应用，并且将请求的文件单播给用户{1}。如将理解的，当h1≥min(h2,h3)时，到用户{2,3}的多播速率与到用户{1,2,3}的相同。此外，全局缓存增益随着用户数量的增加而增加。因此，在实施例中，网络实体101可以用于在用户{1,2,3}之间而不是在用户{2,3}之间应用编码缓存。这也适用于h2≥min(h1,h3)的情况。在这种情况下，网络实体101可以用于选择用户子集{1,2,3}而不是子集{1,3}。如图4所示，网络实体101(或更具体地，网络实体101的处理单元101a)可以决定文件段的组合({1}、{1,2}、或{1,2,3})，并生成待存储在3个传输队列
Figure BDA0002547292120000091
的码字(即，编码文件段)，其中
Figure BDA0002547292120000092
包含用于
Figure BDA0002547292120000093
中的用户的码字
Figure BDA0002547292120000094
因此，在实施例中，网络实体101的处理单元101a用于基于与多个接收器装置103a-c关联的相应通信信道质量(例如信道统计β1≥β2≥β3)，将多个队列分配给多个接收器装置103a-c，其中与第一接收器装置103a关联的通信信道质量大于与第二接收器装置103b关联的通信信道质量。
对于任何队列
Figure BDA0002547292120000095
所有文件段对第i个用户、接收器装置103a-c有用，文件段的部分m对用户j＜i有用，并且这些文件段中不存在对用户j＞i有用的部分。使
Figure BDA0002547292120000096
和ri(t)分别表示在时隙t队列
Figure BDA0002547292120000097
的服务速率和用户i的服务速率。然后，获得与文件段的组合无关的以下关系：
Figure BDA0002547292120000098
其中
Figure BDA0002547292120000099
在实施例中，从而调度器101b用于使用梯度下降调度(GDS)方案来最大化每个时隙t的以下加权和速率：
Figure BDA00025472921200000910
其中Ti(t)是用户i到时隙t的经验平均速率，d是小常数。使用等式(1)，使用GDS的调度器101b用于最大化以下表达式：
Figure BDA00025472921200000911
在分时策略下，GDS决定服务队列
Figure BDA00025472921200000912
其中
Figure BDA00025472921200000913
因此，在实施例中，从而调度器101b用于通过基于以下等式确定上述多个队列的上述队列的索引i*，从而调度文件段到多个接收器装置103a-c的传输，上述队列的索引i*将在时间步长t用于文件段到多个接收器装置103a-c的传输：
Figure BDA00025472921200000914
其中，
Figure BDA00025472921200000915
表示第i个队列在时间步长t的服务速率，并由下式给出：
Figure BDA00025472921200000916
其中：
i表示队列索引，
d表示正常数，
α表示与所需的公平水平关联的指数，
m表示多个接收器装置103a-c的每个接收器装置的缓存107a-c的归一化大小，
Ti(t)表示第i个队列在时间步长t的累计吞吐量，以及
hk(t)表示第k个队列在时间步长t的信道响应。
图5示出了图示根据另一实施例的在网络实体101实施的另一调度方案的示意图。
该另一实施例利用了以下事实：当消失的多播速率超过全局缓存增益时，最好在未进行任何组合的情况下将文件段单播到这些文件段的目的地，这对应于单播机会调度。因此，在图5所示的实施例中，K-1个传输队列被添加到图4所示的实施例中。如将理解的，在其他实施例中，可以向图4所示的实施例添加1,2,…,或K-2个传输队列。
对于图5所示的实施例，以下关系成立：
Figure BDA0002547292120000101
基于等式(2)，网络实体101的调度器101b可以使用GDS方案来最大化以下关系：
Figure BDA0002547292120000102
在分时策略下，使用GDS的调度器101b可以决定服务队列
Figure BDA0002547292120000103
其由以下关系式定义：
Figure BDA0002547292120000104
应当注意，传统的单播机会调度方案仅考虑前K个队列，并且服务队列
Figure BDA0002547292120000105
其中
Figure BDA0002547292120000106
因此，图5所示的实施例可以视为有利地利用了图4所示的实施例与传统单播机会方案之间的最大值，其中队列的数量仍然随着系统中的接收器装置的数量变化而线性地缩放。
因此，在实施例中，网络实体101的调度器101b用于通过基于以下等式确定上述多个队列中的上述队列的索引i*，从而调度文件段到多个接收器装置103a-c的传输，上述队列将在时间步长t用于文件段到多个接收器装置103a-c的传输：
Figure BDA0002547292120000107
其中，
Figure BDA0002547292120000108
表示第i个队列在时间步长t的服务速率，并由下式给出：
Figure BDA0002547292120000109
其中：
i表示队列索引，
d表示正常数，
α表示与所需的公平水平关联的指数，
m表示多个接收器装置103a-c的每个接收器装置的缓存107a-c的归一化大小，
Ti(t)表示第i个队列在时间步长t的累计吞吐量，以及
hk(t)表示第k个队列在时间步长t的信道响应。
图6a和图6b示出了与传统编码缓存和传统单播机会方案相比，本发明的实施例的在和速率方面的性能相对于用户数量的曲线图。如从图6a和图6b可以看出，传统编码缓存方案的总速率随着用户数量增加而降低，而其他方案的总速率则随着用户数量增加而升高。事实上，传统编码缓存方案对所有用户应用编码缓存，并且根据最差的信道质量发送码字(即编码文件段)。其他方案机会性地使用信道状态来最大化效用。如从图6a可以看出，对于m＝0.6，本发明的实施例优于传统方案。因为实施例2的调度器101b中实施的GDS在图4所示的实施例与传统单播机会方案之间取最大值，所以即使当缓存大小较小时(如图6b中所描绘的，对于m＝0.3)，图5中所示的实施例也优于所有其他方案。
图7示出了图示根据实施例的向多个接收器装置分发多个文件103a-c的对应方法700的示意图。
方法700包括以下步骤。第一步701，针对多个文件中的一个或多个文件，对相应文件的多个文件段中的一个或多个文件段进行编码。第二步703，使用文件段的多个队列调度多个文件段到多个接收器装置103a-c的传输，上述多个队列包括第一队列和第二队列，其中，上述多个队列的数量大于或等于多个接收器装置103a-c的数量并且小于多个接收器装置103a-c的数量的两倍。第三步705，将上述多个队列分配给多个接收器装置103a-c，使得第一队列包括用于第一接收器装置103a的文件段，第二队列包括用于第二接收器装置103b的文件段以及可由第一接收器装置103a和第二接收器装置103b解码的编码文件段。
虽然可能已经参考若干实施方式或实施例中的仅一个公开了本公开的特定特征或方面，但是，由于对于任何给定或特定应用可能是所需的或有利的，这样的特征或方面可以与其他实施方式或实施例的一个或多个其他特征或方面组合。此外，就具体实施方式或权利要求中使用术语“包括”、“具有”、“带有”或上述术语的其他变型而言，这些术语旨在以类似于术语“包含”的方式表示包含性的。此外，术语“示例性”、“例如”、以及“诸如”仅意味着作为示例，而不意味着最佳或最优的。可能已经使用了术语“耦合”和“连接”及其派生词。应当理解，这些术语可能用于指示两个元件彼此协作或交互，而不论这两个元件是直接物理接触还是电接触，或者这两个元件彼此不直接接触。
尽管本文已经说明和描述了特定方面，但是将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，各种替代和/或等效的实施方式可以替代所示出和描述的特定方面。本申请旨在涵盖本文所讨论的具体方面的任何修改或变型。
尽管所附权利要求的元素以特定的顺序叙述并且具有相应的标记，但是除非权利要求叙述另外表示以特定顺序实施这些元素中的一些或全部，否则这些元素不必旨在限于以该特定顺序来实施。
根据上述教导，许多替换、修改、以及变型对于本领域技术人员将是显而易见的。当然，本领域技术人员容易认识到，除了本文所述的那些应用之外，还存在本发明的许多应用。尽管已经参考一个或多个特定实施例描述了本发明，但是本领域技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明进行许多改变。因此，应当理解，在所附权利要求及其等同物的范围内，本发明可以以不同于本文具体描述的方式实施。

Claims (15)

1.一种网络实体(101)，用于向多个接收器装置(103a-c)分发多个文件，所述多个接收器装置包括第一接收器装置(103a)和第二接收器装置(103b)，其中，所述多个文件的每个文件能够被分段为多个文件段，并且所述多个接收器装置(103a-c)中的每个接收器装置包括用于缓存所述多个文件段中的一个或多个文件段的缓存(107a-c)，其中，所述网络实体(101)包括：
处理单元(101a)，用于针对所述多个文件中的一个或多个文件，对相应文件的所述多个文件段中的一个或多个文件段进行编码；以及
调度器(101b)，用于使用文件段的多个队列调度所述多个文件段到所述多个接收器装置(103a-c)的传输，所述多个队列包括第一队列和第二队列，其中，所述多个队列的数量大于或等于所述多个接收器装置(103a-c)的数量并且小于所述多个接收器装置(103a-c)的数量的两倍，并且其中，所述调度器(101b)还用于将所述多个队列分配给所述多个接收器装置(103a-c)，使得所述第一队列包括用于所述第一接收器装置(103a)的文件段，所述第二队列包括用于所述第二接收器装置(103b)的文件段以及可由所述第一接收器装置(103a)和所述第二接收器装置(103b)解码的编码文件段；
其中，所述处理单元(101a)用于基于与所述多个接收器装置(103a-c)关联的相应通信信道质量，将所述多个队列分配给所述多个接收器装置(103a-c)，其中，与所述第一接收器装置(103a)关联的所述通信信道质量大于与所述第二接收器装置(103b)关联的所述通信信道质量。
2.根据权利要求1所述的网络实体(101)，其中，所述处理单元(101a)用于基于与所述多个接收器装置(103a-c)中的每个接收器装置关联的所述相应通信信道质量和与所述多个接收器装置(103a-c)中的每个接收器装置关联的相应优先级，将所述多个队列分配给所述多个接收器装置(103a-c)。
3.根据权利要求1所述的网络实体(101)，其中，所述调度器(101b)用于周期性地将所述多个队列重新分配给所述多个接收器装置(103a-c)。
4.根据权利要求2所述的网络实体(101)，其中，所述调度器(101b)用于周期性地将所述多个队列重新分配给所述多个接收器装置(103a-c)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的网络实体(101)，其中，所述多个接收器装置(103a-c)包括第三接收器装置(103c)，并且所述多个队列包括第三队列，并且其中，所述调度器(101b)还用于将所述多个队列分配给所述多个接收器装置(103a-c)，使得所述第三队列包括用于所述第三接收器装置(103c)的文件段、可由所述第一接收器装置(103a)和所述第三接收器装置(103c)解码的编码文件段、可由所述第二接收器装置(103b)和所述第三接收器装置(103c)解码的编码文件段、以及可由所述第一接收器装置(103a)、所述第二接收器装置(103b)、以及所述第三接收器装置(103c)解码的编码文件段。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的网络实体(101)，其中，所述调度器(101b)用于基于调度计划，使用文件段的所述多个队列调度所述文件段到所述多个接收器装置的所述传输。
7.根据权利要求6所述的网络实体(101)，其中，所述调度器(101b)用于基于调度计划调度所述文件段到所述多个接收器装置(103a-c)的所述传输，所述调度计划基于梯度下降调度GDS方案。
8.根据权利要求6所述的网络实体(101)，其中，所述调度器(101b)用于通过基于以下等式确定所述多个队列中的队列的索引i*，从而调度所述文件段到所述多个接收器装置(103a-c)的所述传输，所述队列的索引i*将在时间步长t用于所述文件段到所述多个接收器装置(103a-c)的所述传输：
Figure FDA0003066668170000021
其中，
Figure FDA0003066668170000022
表示第i个队列在时间步长t的服务速率，并由下式给出：
Figure FDA0003066668170000023
其中：
i表示队列索引，
d表示正常数，
α表示与所需的公平水平关联的指数，
m表示所述多个接收器装置(103a-c)中的每个接收器装置的所述缓存(107a-c)的归一化大小，
Ti(t)表示第i个队列在时间步长t的累计吞吐量，以及
hk(t)表示第k个队列在时间步长t的信道响应。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的网络实体(101)，其中，所述多个队列包括第四队列，并且其中，所述调度器(101b)还用于将所述多个队列分配给所述多个接收器装置(103a-c)，使得所述第四队列包括用于所述第二接收器装置(103b)的文件段。
10.根据权利要求9所述的网络实体(101)，其中，所述调度器(101b)用于通过基于以下等式确定所述多个队列中的队列的索引i*，从而调度所述文件段到所述多个接收器装置(103a-c)的所述传输，所述队列的索引i*将在时间步长t用于所述文件段到所述多个接收器装置(103a-c)的所述传输：
Figure FDA0003066668170000024
其中，
Figure FDA0003066668170000025
表示第i个队列在时间步长t的服务速率，并由下式给出：
Figure FDA0003066668170000026
其中：
i表示队列索引，
d表示正常数，
α表示与所需的公平水平关联的指数，
m表示所述多个接收器装置(103a-c)中的每个接收器装置的所述缓存(107a-c)的归一化大小，
Ti(t)表示第i个队列在时间步长t的累计吞吐量，以及
hk(t)表示第k个队列在时间步长t的信道响应。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的网络实体(101)，其中，所述处理单元(101a)用于使用XOR运算对所述多个文件的所述一个或多个文件中的所述相应文件的所述多个文件段中的所述一个或多个文件段进行编码。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的网络实体(101)，其中，所述网络实体(101)是基站(101)，并且所述多个接收器装置(103a-c)是多个用户设备(103a-c)。
13.根据权利要求1至4中任一项所述的网络实体(101)，其中，所述网络实体(101)是宏基站，并且所述多个接收器装置(103a-c)是多个小基站。
14.一种用于向多个接收器装置(103a-c)分发多个文件的方法(700)，所述多个接收器装置(103a-c)包括第一接收器装置(103a)和第二接收器装置(103b)，其中，所述多个文件中的每个文件能够被分段为多个文件段，并且所述多个接收器装置(103a-c)中的每个接收器装置包括用于缓存所述多个文件段中的一个或多个文件段的缓存(107a-c)，其中，所述方法(700)包括：
针对所述多个文件中的一个或多个文件，对相应文件的所述多个文件段中的一个或多个文件段进行编码(701)；
使用文件段的多个队列调度(703)所述多个文件段到所述多个接收器装置(103a-c)的传输，所述多个队列包括第一队列和第二队列，其中，所述多个队列的数量大于或等于所述多个接收器装置(103a-c)的数量并且小于所述多个接收器装置(103a-c)的数量的两倍；以及
将所述多个队列分配(705)给所述多个接收器装置(103a-c)，使得所述第一队列包括用于所述第一接收器装置(103a)的文件段，所述第二队列包括用于所述第二接收器装置(103b)的文件段以及可由所述第一接收器装置(103a)和所述第二接收器装置(103b)解码的编码文件段；
基于与所述多个接收器装置(103a-c)中的每个接收器装置关联的所述相应通信信道质量和与所述多个接收器装置(103a-c)中的每个接收器装置关联的相应优先级，将所述多个队列分配给所述多个接收器装置(103a-c)。
15.一种计算机存储介质，存储有计算机程序产品，包括程序代码，当在计算机或处理器上执行时，所述程序代码用于执行根据权利要求14所述的方法(700)。
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