CN111698732B - 微蜂窝无线网中面向时延的协作缓存优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微蜂窝无线网中面向时延的协作缓存优化方法，属于无线通信技术领域。本发明根据微蜂窝无线网中小基站之间的单位文件传输时延大小确定小基站之间的协作传输关系，根据用户对文件的请求概率、小基站之间的协作传输关系及小基站的缓存配置策略构造出平均文件传输时延表达式，通过凸优化结合有限次迭代的方法求解出最小化平均文件传输时延的协作缓存策略。采用该方法可以根据小基站之间的传输速率估计及文件请求概率估计计算出网络平均传输时延性能近似最优的协作缓存策略。

Description

微蜂窝无线网中面向时延的协作缓存优化方法

技术领域

本发明属于无人行车抓取安全与抓取检测领域，特别是涉及微蜂窝无线网中面向时延的协作缓存优化方法。

背景技术

边缘计算场景中，缓存策略所能实现的缓存命中率越高，则其对缓解前传链路负载的效果就愈加明显。然而边缘缓存在密集无线网络中的作用不仅限于分散网络中心的数据负载，更重要的意义是降低用户服务时延。在传统的蜂窝无线通信网络中，小区中的所有终端设备都需要接入中心主基站来获取所需的数据服务，在前传链路容量有限且终端设备数量很多的情况下，存在排队时延等降低用户服务质量的不利因素。而微蜂窝无线网中的边缘小基站距离用户更近，同时小基站数量多，每个小基站服务的用户数量有限，以上优势均能够有效降低用户服务时延。因此以降低传输时延为目标的缓存策略优化也是边缘缓存技术的重要研究方向之一。

协作边缘计算场景下，边缘节点之间的物理距离、信道传输条件、缓存容量等因素对网络的时延性能均有显著影响，充分考虑上述各方面影响因素对网络的时延性能进行建模优化，才能设计出有效降低网络平均服务时延的协作缓存策略。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供微蜂窝无线网中面向时延的协作缓存优化方法，本发明首先根据小基站之间单位文件传输时延、主基站到小基站的单位文件传输时延二者的相对大小确定小基站之间的协作传输关系；然后根据文件请求概率、基站之间的单位文件传输时延以及小基站协作关系推导出最小化网络平均文件传输时延的缓存策略优化问题；最后将原始协作缓存策略优化问题转化为非协作缓存策略优化问题和有限次缓存替换算法的结合求解出最小化平均文件传输时延的缓存策略近似最优解。可以通过较低的计算复杂度求得时延性能近似最优的协作缓存策略，同时有效降低前传链路负载，为达此目的，本发明提供微蜂窝无线网中面向时延的协作缓存优化方法，具体步骤如下，其特征在于；

步骤1：根据微蜂窝无线网中两个小基站之间的单位文件传输时延及小基站与主基站之间单位文件传输时延的相对大小确定小基站之间的协作传输关系：只有当两个小基站之间的单位文件传输时延低于主基站到小基站的单位文件传输时延时，才认为这两个小基站之间能够进行协作传输；

步骤2：将各小基站缓存配置作为变量，根据文件请求概率、小基站间协作传输关系及小基站缓存配置变量构造出网络平均文件传输时延的优化目标，建立小基站缓存容量约束下最小化平均文件传输时延的缓存策略优化问题；

步骤3：将原始的协作缓存策略优化问题转化为非协作缓存策略优化问题和有限次缓存替换算法的结合，通过低复杂度的二阶优化算法求解得到最小化平均文件传输时延的近似最优缓存策略。

作为本发明进一步改进，步骤1中根据两个小基站之间的单位文件传输时延及小基站与主基站之间单位文件传输时延的相对大小确定小基站之间的协作传输关系，具体步骤为：

步骤1.1：在一个典型微蜂窝小区中，设主基站位于小区中心，N个小基站组成集合N＝{1,2,...,N}，用户请求的文件集为F＝{1,2,...,F}，其中F为文件数量。设置第n个小基站的缓存容量为C_n,n∈N，设置F中各文件的请求概率按照参数为γ的Zipf分布进行计算，其中第f的个文件的请求概率按照如下公式进行计算：

步骤1.2：计算基站之间的单位文件传输时延，设置主基站到第n个小基站之间的数据传输速率为R_n，设置第n个小基站到第n个小基站之间的数据传输速率为R_mn，则主基站到第n个小基站之间的单位文件传输时延τ_n为：

第m个小基站到第n个小基站之间的单位文件传输时延τ_mn为：

步骤1.3：根据基站之间的单位文件传输时延确定小基站间的协作传输关系，确定依据为：若满足τ_mn＜τ_n，则第m个小基站可以为第n个小基站提供协作传输。

作为本发明进一步改进，步骤2中构造出关于小基站缓存配置变量的系统平均文件传输时延优化问题，具体步骤为：

步骤2：根据文件请求概率、小基站间协作传输关系及小基站缓存配置变量，该微蜂窝无线网中将单位文件传输到需要该文件的小基站这一过程所消耗的平均文件传输时延可以表示为：

的表达式中，τ_n,f表示将第f个文件传输至第n个小基站消耗的平均文件传输时延，其中Ψ_n表示步骤1中确定的可以为第n个小基站提供协作传输的小基站集合。将N个小基站的缓存配置作为待优化变量，N个小基站缓存容量约束下最小化平均文件传输时延的缓存策略优化问题可以表述为：

作为本发明进一步改进，步骤3中将原始协作缓存策略优化问题转化为非协作缓存策略优化问题和有限次缓存替换算法的结合，以较低的计算复杂度求解出最小化平均文件传输时延的缓存策略近似最优解，具体步骤为：

步骤3.1：根据协作传输过程的定义，有

因此原始平均文件传输时延的上界可以表示为：

步骤3.2：将原始平均文件传输时延的上界作为缓存优化目标，则缓存策略优化问题可以重新表述为：

步骤3.3：非协作缓存场景下，步骤3.2中的缓存策略优化问题的最优解为

步骤3.4：通过对步骤3.3中取得的协作场景下最优缓存策略执行有限次缓存替换，可以获得协作缓存策略的近似最优解。具体的缓存替换方法为：

设当前的缓存配置为{c_n,f,n∈N,f∈F}，将缓存在第n个小基站处的文件集表示为F_n＝{f|c_n,f＝1,f∈F}。对于n∈N,f∈F的任一取值组合，如果满足缓存缺失条件

则对于i∈Ψ_n∪{n}中的每个取值，执行如下缓存替换过程：步骤一，尝试用文件f替换F_i中请求概率最小的文件，即设置c_i,f＝1和

保持{c_n,f,n∈N,f∈F}中的其它缓存配置不变，替换后得到新的缓存配置{c′_n,f,n∈N,f∈F}；步骤二，分别计算替换前后两种缓存方案的平均文件传输时延，如果满足

则更新现有的缓存配置，即设置 {c_n,f,n∈N,f∈F}＝{c′_n,f,n∈N,f∈F}；否则放弃当前缓存替换，保持 {c_n,f,n∈N,f∈F}不变并尝试下一种缓存替换。对非协作缓存配置最优解执行上述“试 -错缓存替换法”，即可得到最小化系统平均文件传输时延的协作缓存策略近似最优解。

有益效果：本发明提供微蜂窝无线网中时延性能近似最优的协作缓存优化方法，采用该方法，可以直观快速地根据文件请求概率、基站之间的单位文件传输时延等计算出微蜂窝无线网中小基站协作缓存场景下降低网络平均传输时延的近似最优协作缓存策略。本发明具有有效降低计算复杂度和优化网络传输时延的特点。仿真结果表明，相比于“最大流行度缓存”和“随机缓存”等缓存方案，本发明优化出的协作缓存策略在网络平均传输时延和前传负载降低率方面更加有效地提高了系统性能。

附图说明

图1为微蜂窝无线通信网络的系统结构示意图；

图2为基站间的协作传输过程示意图；

图3为F＝10,γ＝0.8时平均协作传输时延随缓存容量的变化曲线；

图4为C＝3,γ＝0.8时平均协作传输时延随文件集大小的变化曲线；

图5为F＝10,γ＝0.8时前传负载降低率随缓存容量的变化曲线；

图6为F＝10,C＝3时前传负载降低率随Zipf分布指数的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种微蜂窝无线网中面向时延的协作缓存优化方法，本发明首先根据小基站之间单位文件传输时延、主基站到小基站的单位文件传输时延二者的相对大小确定小基站之间的协作传输关系；然后根据文件请求概率、基站之间的单位文件传输时延以及小基站协作关系推导出最小化网络平均文件传输时延的缓存策略优化问题；最后将原始协作缓存策略优化问题转化为非协作缓存策略优化问题和有限次缓存替换算法的结合求解出最小化平均文件传输时延的缓存策略近似最优解。可以通过较低的计算复杂度求得时延性能近似最优的协作缓存策略，同时有效降低前传链路负载。

下面以具有N＝9个小基站的微蜂窝无线网为例，结合附图对本发明微蜂窝无线网中的协作缓存优化方法的具体实施方式作进一步详细说明。

步骤1.1：在一个如图1所示的微蜂窝小区中，设置小区半径为R＝500m，主基站位于小区中心，小基站集合为N＝{1,2,...,N}，小基站的位置服从点泊松分布。设置用户请求的文件集为F＝{1,2,...,F}，所有文件大小相等且取归一化长度为1，按照Zipf分布概率公式

设置各文件的请求概率。设置各小基站的缓存容量为 C_n＝C,n∈N，其它参数设置如表1所示；

表1图3-图6未注明的仿真参数

步骤1.2：设置主基站到第n个小基站之间的数据传输速率为R_n，设置第n个小基站到第n个小基站之间的数据传输速率为R_mn。根据基站之间的传输速率计算基站之间的单位文件传输时延。其中主基站到第n个小基站之间的单位文件传输时延τ_n为：

第m个小基站到第n个小基站之间的单位文件传输时延τ_mn为：

步骤1.3：根据步骤2的计算结果确定基站间的协作传输关系。确定依据为：1)主基站可以为所有小基站提供文件传输；2)若满足τ_mn＜τ_n，则第m个小基站可以为第n 个小基站提供协作文件传输；

步骤2：根据步骤1确定的小基站间协作传输过程如图2所示：1)当用户请求的文件缓存在当前接入的小基站中时，直接由该小基站提供文件传输；2)若请求文件没有缓存在当前接入的小基站中时，该小基站首先向其协作小基站请求缓存缺失的文件，若某一协作小基站缓存了该文件，则由该协作小基站提供文件传输；3)若请求的文件没有缓存在当前接入的小基站或其协作小基站中，则由主基站提供文件传输。根据上述协作传输过程、文件请求概率及小基站缓存配置变量，

其中Ψ_n表示步骤1中确定的可以为第n个小基站提供协作传输的小基站集合。则将单位文件传输到需要该文件的小基站这一过程所消耗的平均文件传输时延可以表示为：

将N个小基站的缓存配置作为待优化变量，N个小基站缓存容量约束下最小化平均文件传输时延的缓存策略优化问题可以表述为：

步骤3.1：根据协作传输过程的定义，有

因此原始平均文件传输时延的上界可以表示为：

步骤3.2：将原始平均文件传输时延的上界作为缓存优化目标，通过最小化

的上界求解最小化

的协作缓存策略的优化问题表述为：

步骤3.3：非协作缓存场景下有

为常数。此时步骤3.2 中的缓存策略优化问题的最优解为

步骤3.4：通过对步骤3.3中取得的协作场景下最优缓存策略执行有限次缓存替换，可以获得协作缓存策略的近似最优解。具体的缓存替换方法为：

请参阅图3-图6，为采用本发明实施例优化得到的协作缓存方案与同等条件下的其它可对比缓存方案的性能分析仿真结果。所对比的缓存方案包括最大流行度缓存(每个小基站均缓存文件集F中请求概率最大的文件，直到达到缓存容量上限)、随机缓存(每个小基站均从文件集F中随机不重复地选取文件进行缓存，直到达到缓存容量上限)等现有缓存方案。图3为不同缓存容量条件下本发明实施例优化得到的协作缓存方案与其它缓存方案的平均协作传输时延性能对比；图4为不同文件集大小条件下本发明实施例优化得到的协作缓存方案与其它缓存方案的平均协作传输时延性能对比；图5 为不同缓存容量条件下本发明实施例优化得到的协作缓存方案与其它缓存方案的前传负载降低率性能对比；图6为文件请求概率所服从的Zipf分布在取不同指数条件下，本发明实施例优化得到的协作缓存方案与其它缓存方案的前传负载降低率性能对比。

结合图3-图6，可以说明在同等条件下，采用本发明实施例优化得到的协作缓存方案相对于现有缓存方案能够在降低平均协作传输时延及前传链路负载降低率等性能方面产生有益效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (1)

1.微蜂窝无线网中面向时延的协作缓存优化方法，具体步骤如下，其特征在于；

步骤1：根据微蜂窝无线网中两个小基站之间的单位文件传输时延及小基站与主基站之间单位文件传输时延的相对大小确定小基站之间的协作传输关系：只有当两个小基站之间的单位文件传输时延低于主基站到小基站的单位文件传输时延时，才认为这两个小基站之间能够进行协作传输；

步骤1中根据两个小基站之间的单位文件传输时延及小基站与主基站之间单位文件传输时延的相对大小确定小基站之间的协作传输关系，具体步骤为：

步骤1.1：在一个典型微蜂窝小区中，设主基站位于小区中心，N个小基站组成集合

用户请求的文件集为

其中F为文件数量，设置第n个小基站的缓存容量为

设置

中各文件的请求概率按照参数为γ的Zipf分布进行计算，其中第f个文件的请求概率按照如下公式进行计算：

步骤1.2：计算基站之间的单位文件传输时延，设置主基站到第n个小基站之间的数据传输速率为R_n，设置第m个小基站到第n个小基站之间的数据传输速率为R_mn，则主基站到第n个小基站之间的单位文件传输时延τ_n为：

第m个小基站到第n个小基站之间的单位文件传输时延τ_mn为：

步骤1.3：根据基站之间的单位文件传输时延确定小基站间的协作传输关系，确定依据为：若满足τ_mn＜τ_n，则第m个小基站可以为第n个小基站提供协作传输；

步骤2：将各小基站缓存配置作为变量，根据文件请求概率、小基站间协作传输关系及小基站缓存配置变量构造出网络平均文件传输时延的优化目标，建立小基站缓存容量约束下最小化平均文件传输时延的缓存策略优化问题；

步骤2中构造出关于小基站缓存配置变量的系统平均文件传输时延优化问题，具体步骤为：

步骤2.1：根据文件请求概率、小基站间协作传输关系及小基站缓存配置变量，该微蜂窝无线网中将单位文件传输到需要该文件的小基站这一过程所消耗的平均文件传输时延可以表示为：

的表达式中，τ_n,f表示将第f个文件传输至第n个小基站消耗的平均文件传输时延，其中Ψ_n表示步骤1中确定的可以为第n个小基站提供协作传输的小基站集合，将N个小基站的缓存配置作为待优化变量，N个小基站缓存容量约束下最小化平均文件传输时延的缓存策略优化问题可以表述为：

式中：变量c_nf表示第n个小基站对第f个文件的缓存配置：

c_nf＝1表示第n个小基站缓存了第f个文件，

c_nf＝0表示第n个小基站没有缓存第f个文件；

c_mf,c_if：与c_nf含义相同，变量c_mf表示第m个小基站对第f个文件的缓存配置，变量c_if表示第i个小基站对第f个文件的缓存配置；

步骤3：将原始的协作缓存策略优化问题转化为非协作缓存策略优化问题和有限次缓存替换算法的结合，通过低复杂度的二阶优化算法求解得到最小化平均文件传输时延的近似最优缓存策略；

步骤3中将原始协作缓存策略优化问题转化为非协作缓存策略优化问题和有限次缓存替换算法的结合，以较低的计算复杂度求解出最小化平均文件传输时延的缓存策略近似最优解，具体步骤为：

步骤3.1：根据协作传输过程的定义，有

因此原始平均文件传输时延的上界可以表示为：

步骤3.2：将原始平均文件传输时延的上界作为缓存优化目标，则缓存策略优化问题可以重新表述为：

步骤3.3：非协作缓存场景下，步骤3.2中的缓存策略优化问题的最优解为

步骤3.4：通过对步骤3.3中取得的最优缓存策略执行有限次缓存替换，可以获得协作缓存策略的近似最优解，具体的试-错缓存替换法为：

设当前的缓存配置为

将缓存在第n个小基站处的文件集表示为

对于

的任一取值组合，如果满足缓存缺失条件

则对于i∈Ψ_n∪{n}中的每个取值，执行如下缓存替换过程：步骤一，尝试用文件f替换

中请求概率最小的文件，即设置c_i,f＝1和

保持

中的其它缓存配置不变，替换后得到新的缓存配置

步骤二，分别计算替换前后两种缓存方案的平均文件传输时延，如果满足

则更新现有的缓存配置，即设置

否则放弃当前缓存替换，保持

不变并尝试下一种缓存替换，对非协作缓存配置最优解执行上述试-错缓存替换法，即可得到最小化系统平均文件传输时延的协作缓存策略近似最优解。

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