CN116367222A - 一种异构无线网络中基于全双工中继的无线边缘缓存方法 - Google Patents
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Abstract
本公开实施例是关于一种异构无线网络中基于全双工中继的无线边缘缓存方法。该方法包括：构建异构无线网络；其中，所述异构无线网络包括核心网、宏基站、中继站以及多个用户；基于可扩展视频编码(Scalable Video Coding，SVC)技术的随机缓存策略，位于核心网的视频内容服务器将部分需要缓存的文件提前放置在中继站的本地缓存中；用户向中继站发送请求信息；分别分析异构无线网络中的传输速率及成功传输概率。本公开实施例采用全双工中继下基于SVC的随机缓存方案来提高数据传输速率，得到了更优的缓存效率，提高了用户的内容体验质量，有效地缓解了网络拥塞问题。
Description
技术领域
本公开实施例涉及无线通讯技术领域，尤其涉及一种异构无线网络中基于全双工中继的无线边缘缓存方法。
背景技术
随着互联网的发展和智能设备(移动的、平板电脑等)的大量使用，数据业务量显著且持续地增长。移动视频服务的增长已经成为如何在无线网络上有效地传输视频内容的同时并满足用户的服务质量(Quality of Service，QoS)要求方面带来了主要挑战。因此，需要采用传输视频业务的更有效的方法来满足终端用户的多媒体视频需求。
无线缓存是一种非常有前途的技术，它可以在请求内容之前将内容带到更接近终端用户的位置，从而减少蜂窝数据流量的负载，并且在第五代通信网络及以后的网络中吸引了大量关注。由于目前流量需呈现爆炸性增长从而造成网络拥堵，而移动终端的电池容量十分有限。因此，利用缓存技术可以避免服务器和应用客户端之间存在着流量的瓶颈问题，减少客户端与服务器端的数据交互，从而大大提高了数据的读取速度。
相关技术中，根据快速变化的信道条件和多样化的用户偏好，不同的用户可能偏好相同视频的不同质量。这提出了这样的事实，即向每个用户递送高质量视频是不必要的，这将消耗巨大的无线资源。可扩展视频编码(Scalable Video Coding，SVC)技术由高级视频编码发展而来，旨在为移动用户提供多样化的感知观看体验。但是该方法不能解决网络拥塞问题，从而不能有效地满足用户的体验质量问题。
因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。
需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的技术方案提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
发明内容
本公开实施例的目的在于提供一种异构无线网络中基于全双工中继的无线边缘缓存方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
根据本公开实施例，提供一种异构无线网络中基于全双工中继的无线边缘缓存方法，该方法包括：
构建异构无线网络；其中，所述异构无线网络包括核心网、宏基站、中继站以及多个用户；
所述基于SVC的随机缓存策略，将部分需要缓存的文件提前放置在可缓存的中继站中；
所研究的异构网络内的用户向周围的中继站发送请求信息；其中，若距离用户最近的中继缓存了用户的请求文件，则由该中继站为用户服务；若不能在中继站的本地存储器中找到用户请求内容，则由距离用户最近的宏基站将请求内容传输至距离用户最近的中继站，再由该中继站将请求内容传输至用户；
分别分析所述异构无线网络中的传输速率、成功传输概率，已验证所提的内容传输与基于SVC的缓存策略的优越性能。
本公开的一实施例中，所述成功传输概率组包括：
第一成功传输概率和第二成功传输概率；
第一成功传输概率为由中继站传送所需内容到用户的成功传输概率，第二成功传输概率为由宏基站传输至中继站，再由中继节点传输至用户侧的成功传输概率。
本公开的一实施例中，分析所研究的异构无线网络中的传输速率和成功传输概率的步骤，包括：
分析异构无线网络中的传输速率；
分析中继站到用户的第一成功传输概率及缓存命中率；
分析宏基站传输经由中继站再到所述用户的第二成功传输概率及缓存未命中率。
本公开的一实施例中，所述分析异构无线网络中的传输速率的步骤，包括：
根据公式(1)确定缓存辅助数据速率作为性能度量来反映SVC缓存和内容交付的性能(所述用户接收的内容的总数据速率)：
视频库位于核心网中，其中有用户能够请求的J个视频文件；所请求的视频文件由SVC预处理成多个层，并且所划分的层的数目是L；其中包括由一个基本层和L-1(L≥2)个连续增强层；包含前l个连续层的视频能够提供第l级的观看质量，这里定义为超层l；
根据公式(2)确定第j个视频的超层l的请求概率：
式中，p(j)为第j个内容的流行度；
其中，γ和q分别为流行度偏度参数和平坦因子；/>
表示第一成功传输概率，/>
为该情形下中继的缓存命中率，R1为该情形下的最小数据速率；/>
表示第二成功传输概率，/>
为该情形下的缓存未命中率，R2为该情形下的最小数据速率。
本公开的一实施例中，所述分析所述中继站到所述用户的所述第一成功传输概率及缓存命中率的步骤，包括：
所述用户所需的所述请求内容在距离所述用户地理位置最近且所述中继站中的所述缓存文件存在时，按公式(3)确定在用户处的接收信号干扰比：
其中，
为服务中继站的信道增益；/>
为其它非服务中继站的信道增益；/>
为最近的中继站与用户之间的距离；/>
为非服务中继站与用户之间的距离；α为中继传输的路径损耗指数；
按公式(4)确定中继的成功传输概率：
其中，θ是用于保证最低的数据数据传输速率的预定阈值。
本公开的一实施例中，按公式(5)确定最近的中继站r0与其服务的用户之间距离的概率密度函数：
其中，RR为中继站的覆盖范围半径，λr为中继站的密度；则该情形下的成功传输概率为：
其中，
按公式(7)确定在最近的中继站中找到所述请求内容的概率：
其中，qj,l为来自第j个请求内容的超层l的缓存概率；R1＝Wlog2(1+θ)为数据速率；W为分配给中继传输的系统带宽。
本公开的一实施例中，所述分析宏基站传输经由服务中继站再到所述用户的所述第二成功传输概率及缓存未命中率的步骤，包括：
所述用户所需的请求内容在距离所述用户地理位置最近的所述中继站中的所述缓存文件不存在时，按公式(8)确定在中继处的接收信号干扰比：
其中，
为所述宏基站的信道增益；/>
为其它非服务的宏基站的信道增益；/>
是最近的宏基站与服务中继站之间的距离；/>
是非服务的宏基站与服务中继站之间的距离；β是宏基站传输的路径损耗指数。
本公开的一实施例中，按公式(9)确定宏基站的成功传输概率：
其中，θ是用于保证最低的数据数据传输速率的预定阈值。
按公式(10)确定最近的宏基站与服务的所述中继站之间距离的概率密度函数：
fm(r)＝2πλmrexp(-λmπr2) (10)
其中，λm为宏基站的密度；
通过上述公式得所述宏基站的成功传输概率：
按公式(12)确定该情形下的成功传输概率：
按公式(13)确定缓存未命中率：
按公式(14)确定该情形下的数据速率：
R2＝Wlog2(1+θ) (14)
其中，W表示系统带宽。
本公开的一实施例中，当所述用户请求的内容在距离该用户最近的中继站缓存及未缓存时，将两种情况下所述用户接收到每个内容层的总数据速率来公式化，并由所述用户需要该内容的概率来加权：
其中，R为用户接收的内容的总数据速率。
本公开的一实施例中，所述基于SVC的随机缓存策略，将部分需要缓存的文件提前放置在所述中继站中的步骤，包括：
核心网中的内容服务器根据各个内容层的随机缓存概率，将内容层放置在用户周边的中继站中。本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本公开的实施例中，通过上述异构无线网络中基于全双工中继的无线边缘缓存方法，采用全双工中继下基于SVC的随机缓存方案来提高数据传输速率，得到了具有更优的缓存效率，提高了用户内容体验质量，缓解了网络拥塞问题。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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示出本公开示例性实施例中一种异构无线网络中基于全双工中继的无线边缘缓存方法的步骤图；
图2示出本公开示例性实施例中异构无线网络的示意图；
图3(a)示出本公开示例性实施例中情形1下的成功传输概率变化的曲线；
图3(b)示出本公开示例性实施例中情形2下第一跳宏基站到中继通信的成功传输概率变化的曲线；
图4示出本公开示例性实施例中传输数据速率在不同QoS需求下，不同缓存方案的变化的曲线；
图5示出本公开示例性实施例中在不同流行度偏度参数的情况下，基准方案与所提方案变化的对比仿真图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
此外，附图仅为本公开实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。
本示例实施方式中首先提供了一种异构无线网络中基于全双工中继的无线边缘缓存方法。参考图1中所示，该异构无线网络中基于全双工中继的无线边缘缓存方法可以包括：步骤S101～步骤S104。
步骤S101：构建异构无线网络；其中，所述异构无线网络包括核心网、宏基站、中继站以及多个用户；
步骤S102：所述基于SVC的随机缓存策略，将部分需要缓存的文件提前放置在所述中继站中；
步骤S103：所述用户向所述中继站发送请求信息；其中，若所述中继站的所述缓存文件中存在所述请求信息对应的请求内容，则所述中继站将所述请求内容传输至所述用户；若所述中继站的所述缓存文件中不存在所述请求信息对应的请求内容，则所述宏基站将所述请求内容传输至所述中继站缓存节点，所述中继站再将所述请求内容传输至所述用户；
步骤S104：分别分析所述异构无线网络中的传输速率、成功传输概率组，以得到最优的传输策略。
通过上述异构无线网络中基于全双工中继的无线边缘缓存方法，采用全双工中继下基于SVC的随机缓存方案来提高数据传输速率，得到了具有更优的缓存效率，提高了用户内容体验质量，缓解了网络拥塞问题。
下面，将参考图1至图5对本示例实施方式中的上述异构无线网络中基于全双工中继的无线边缘缓存方法的各个步骤进行更详细的说明。
如图2所示，本申请的应用场景是：在由核心网、宏基站、中继以及用户组成的一个通信网络中，多个宏基站和全双工中继组成的一个两层异构网络，随机选择一个需要视频服务的用户作为典型用户，其位置视为网络的原点。中继站、用户和宏基站遵循独立且相同的泊松点过程进行空间分布，密度分别为λr、λu和λm。
为了展示本申请中各种机制的实用性，本申请进行了多次仿真实施试验。试验系统中的网络模型为图2所示的应用场景，仿真试验的结果如图3(a)，图3(b)、图4和图5所示。
如图3(a)、图3(b)所示，图3(a)验证了中继到用户的成功传输概率的正确性。可以看出，分析结果与蒙特卡洛模拟结果之间的性能差距可以忽略不计。可以看出，较大的QoS要求导致较低的成功传输概率。同样，上述结论也可以在图3(b)中适用。
如图4所示，说明了最受欢迎内容放置(Most popular content placement，MPCP)和等概率内容放置(Equal probability content placement，EPCP)两种缓存策略下的缓存辅助数据速率性能情况。MPCP是一种特殊的概率缓存方案，其中来自最流行内容的超级层以概率1被缓存，而其余以概率0缓存。所有超级层以相同的缓存概率随机存储，直到每个中继中缓存容量用尽的方案为EPCP方案。可以看出，MPCP下的性能优于EPCP下的性能，而EPCP忽略了不同视频和层的内容流行度和观看质量偏好。
如图5所示，选择无中继缓存的情况作为基准方案。可以看出，缓存辅助数据速率性能随γ的增大而提高。较大的γ表明用户请求更集中于最受欢迎的内容，缓存的内容被请求的可能性更高，进一步提高了缓存效率和缓存辅助数据速率性能。可以看出，所提方案较基准方案具有更优的缓存效率和数据速率。
本申请给出了缓存辅助数据速率的定义。通过随机几何工具和泊松点过程建模并推导成功传输概率，得到了缓存辅助数据速率的解析表达式。与现有缓存方案相比，所提出的基于SVC的全双工中继随机缓存方案在提高数据传输速率方面具有优势。本申请具有方法简单、数据传输速率快等优点，可用于通信技术领域。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
Claims (10)
1.一种异构无线网络中基于全双工中继的无线边缘缓存方法，其特征在于，该方法包括：
构建异构无线网络；其中，所述异构无线网络包括核心网、宏基站、中继站以及多个用户；
所述基于可扩展视频编码(Scalable Video Coding，SVC)技术的随机缓存策略，将部分需要缓存的文件提前放置在可缓存的中继站中；
所研究的异构网络内的用户向周围的中继站发送请求信息；其中，若距离用户最近的中继缓存了用户的请求文件，则由该中继站为用户服务；若不能在中继站的本地存储器中找到用户请求内容，则由距离用户最近的宏基站将请求内容传输至距离用户最近的中继站，再由该中继站将请求内容传输至用户；
分别分析所述异构无线网络中的传输速率、成功传输概率，已验证所提的内容传输与基于SVC缓存策略的优越性能。
2.根据权利要求1所述异构无线网络中基于全双工中继的无线边缘缓存方法，其特征在于，所述成功传输概率组包括：
第一成功传输概率和第二成功传输概率；
第一成功传输概率为由中继站传送所需内容到用户的成功传输概率，第二成功传输概率为由宏基站传输至中继站，再由中继传输至用户侧的成功传输概率。
3.根据权利要求2所述异构无线网络中基于全双工中继的无线边缘缓存方法，其特征在于，分析所研究的异构无线网络中的传输速率和成功传输概率的步骤，包括：
分析异构无线网络中的传输速率；
分析中继站到用户的第一成功传输概率及缓存命中率；
分析宏基站传输经由中继站再到所述用户的第二成功传输概率及缓存未命中率。
4.根据权利要求3所述异构无线网络中基于全双工中继的无线边缘缓存方法，其特征在于，分析异构无线网络中的传输速率的步骤，包括：
根据公式(1)确定缓存辅助数据速率作为性能度量来反映SVC缓存和内容交付的性能(所述用户接收的内容的总数据速率)：
视频库位于核心网中，其中有用户能够请求的J个视频文件；所请求的视频文件由SVC预处理成多个层，并且所划分的层的数目是L；其中包括由一个基本层和L-1(L≥2)个连续增强层；包含前l个连续层的视频能够提供第l级的观看质量，这里定义为超层l；
根据公式(2)确定第j个视频的超层l的请求概率：
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5.根据权利要求4所述异构无线网络中基于全双工中继的无线边缘缓存方法，其特征在于，所述分析所述中继站缓存节点到所述用户的所述第一成功传输概率及缓存命中率的步骤，包括：
所述用户所需的所述请求内容在距离所述用户地理位置最近且所述中继站的所述缓存文件存在时，按公式(3)确定在用户处的接收信号干扰比：
其中，
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为非服务中继站与用户之间的距离；α为中继传输的路径损耗指数；
按公式(4)确定中继的成功传输概率：
其中，θ是用于保证最低的数据数据传输速率的预定阈值。
6.根据权利要求5所述异构无线网络中基于全双工中继的无线边缘缓存方法，其特征在于，按公式(5)确定最近的中继站r0与其服务的用户之间距离的概率密度函数：
其中，RR为中继站的覆盖范围半径，λr为中继站的密度；则该情形下的成功传输概率为：
其中，
按公式(7)确定在最近的中继站中找到所述请求内容的概率：
其中，qj,l为来自第j个请求内容的超层l的缓存概率；R1＝Wlog2(1+θ)为数据速率；W为分配给中继传输的系统带宽。
7.根据权利要求6所述异构无线网络中基于全双工中继的无线边缘缓存方法，其特征在于，所述分析所述宏基站传输经由所述中继站再到所述用户的所述第二成功传输概率及缓存未命中率的步骤，包括：
所述用户所需的所述请求内容在距离所述用户地理位置最近的所述中继站的所述缓存文件不存在时，按公式(8)确定在中继处的接收信号干扰比：
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8.根据权利要求7所述异构无线网络中基于全双工中继的无线边缘缓存方法，其特征在于，按公式(9)确定宏基站的成功传输概率：
其中，θ是保证最低的数据数据传输速率的预定阈值；
按公式(10)确定最近的宏基站与服务的中继站之间距离的概率密度函数：
fm(r)＝2πλmrexp(-λmπr2) (10)
其中，λm为宏基站的密度；
通过上述公式得所述宏基站的成功传输概率：
按公式(12)确定该情形下的成功传输概率：
按公式(13)确定缓存未命中率：
按公式(14)确定该情形下的数据速率：
R2＝W log2(1+θ) (14)
其中，W表示系统带宽。
9.根据权利要求8所述异构无线网络中基于全双工中继的无线边缘缓存方法，其特征在于，当所述用户请求的内容在距离该用户最近的中继站缓存及未缓存时，将两种情况下所述用户接收到每个内容层的总数据速率来公式化，并由所述用户需要该内容的概率来加权：
其中，R为用户接收的内容的总数据速率。
10.根据权利要求1所述异构无线网络中基于全双工中继的无线边缘缓存方法，其特征在于，所述基于SVC的随机缓存策略，将部分缓存文件放置在所述中继站中的步骤，包括：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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