一种大规模异构网络中基于协作边缘缓存的最短时延传输方法

本发明涉及一种在大规模异构网络中，宏基站和微基站依照一定的概率协作缓存文件库中的相应文件，并实现最短时延的下行传输方法，属于无线通信、边缘缓存和异构网络研究。

背景技术：

1、海量设备互联及用户的沉浸式体验需求导致移动流量急剧增长，用户或运营商按需部署大量微基站成为一种趋势，网络逐渐呈现出多种接入机制共存且多层基站重叠部署的大规模异构形态。在传统的移动互联网中，用户向所关联的微基站请求服务，微基站通过电缆或光纤连接到宏基站，宏基站通过回程链路(backhaul)连接到核心网络，通过分组数据网关连接到因特网，从内容服务器请求文件，数据分组经历多个路由器和网关的转发到达基站，并无线发送给用户。用户一般具有同质性(homophily)及局部性(locality)，位于同一区域的用户具有相似的文件需求，但是文件请求一般不同步，基站每次收到用户相同的文件请求时，都要从内容服务器获取文件，产生大量的传输冗余，导致传输资源的浪费。另外，回程链路容量有限，当大量用户同时向基站请求数据时，回程链路负担过重。网络忙时容易产生拥塞，数据经历有线多跳传输并受无线传输速率限制，传输时延较长，用户体验质量(quality of experience，qoe)较差。通过研发各种先进的通信技术，无线信道容量已趋于饱和，速率提升空间有限，并且无法减少有线传输时延、传输冗余及回程链路流量。但基站或终端的存储容量却按照摩尔定律指数增长且价格越来越便宜。基于不同文件的受欢迎度(流行度)，基站在网络空闲时缓存文件，在繁忙时实现文件内容的本地高效传输，能够有效减少传输冗余、缓解网络拥塞、降低传输时延、提高网络的速率容量和用户容量。

2、边缘缓存着力解决基站重复地从内容服务器获取相同文件所产生的传输冗余问题，及大量用户同时请求文件所产生的网络拥塞问题。在现有的缓存策略中，基于用户请求文件的历史，基站可采用深度学习方法预测每个文件的受欢迎度，缓存部分受欢迎度高的文件。为了提升缓存文件的分集效果，基站分配部分空间缓存最受欢迎的文件，剩余空间缓存其他文件，或者宏基站缓存用户普遍感兴趣的文件，而微基站缓存受欢迎度较低的文件。现有的边缘缓存方案重点关注缓存文件的命中率指标，有限的存储空间缓存的文件数较少，负载转移效果欠佳。此外，现有的边缘缓存方案没有充分考虑基站之间的内容中转问题；文件缓存和文件传输之间的耦合不够紧密，制约了网络容量的提升。只有将协作缓存和高效的传输技术紧密结合，才能有效地发挥边缘缓存在降低回程链路负担、提升用户体验质量等方面的作用。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，为了缓解网络拥塞、降低传输时延，本发明提出了一种大规模异构网络中基于协作边缘缓存的最短时延传输方法。

2、为了充分利用基站的存储空间，降低用户获取文件的平均时延，提升用户的体验质量，本发明提出了一种大规模异构网络中基于协作边缘缓存的最短时延传输方法。在该方法中，每个用户关联到平均接收功率最大的基站，在存储空间的限制下，同一层中的所有基站为同一文件分配相同的缓存概率。考虑宏基站和微基站之间的协作关系，每个宏基站有一个中央控制单元，储存了该宏小区内所有基站的缓存信息，并调度文件在不同基站之间中转。当用户请求某一文件时，若其关联的基站缓存了该文件，则直接从该关联基站获取相应的文件；若关联基站没有缓存所需文件，但该用户所属的宏小区内有其他基站缓存了该文件，则通过基站之间的有线连接进行文件中转，获取相应的文件；若用户所属宏小区内没有基站缓存其所需的文件，用户通过宏基站经由核心网从远端的内容服务器获取该文件。通过分析文件的中转过程及用户和基站的随机位置分布，本发明恰当地建模了文件传输的平均有线时延和平均无线时延，基于海洋捕食者算法(marine predators algorithm，mpa)优化了不同层基站缓存不同文件的概率，使得文件传输的平均时延最短。当文件库中文件数过多时，本发明将一定比例的文件按照不同的请求概率进行分组，构建虚拟文件。以此优化虚拟文件的缓存概率，然后依照虚拟文件所包含文件的请求概率，进行缓存概率的重分配，以此计算文件传输的平均时延，降低优化过程中的时间复杂度。本发明通过大量的实验研究了系统参数对性能的影响，并与两种基准缓存策略进行比较，证明了所提协作边缘缓存策略能够明显降低文件传输的平均时延。研究成果有助于创新异构网络体系架构及通信模式，指导大规模异构网络的建模及分析，为下一代移动通信网络标准制定和系统研发提供理论依据和技术支撑。

3、本发明的技术方案如下：

4、一种大规模异构网络中基于协作边缘缓存的最短时延传输方法，包括：

5、在二维平面上部署不同层的基站，用户按照开放式访问协议关联到任意层中平均接收功率最大的基站；

6、在闲暇时每层基站缓存文件库中的文件，每个宏基站在中央控制单元存储本地宏小区内所有基站的缓存信息，并调度文件在不同基站之间中转；

7、用户请求文件库中的文件，基站或远端内容服务器自适应地将文件传输给用户，计算文件传输的平均时延反馈给本地宏基站，本地宏基站采用mpa优化不同文件在不同层的缓存概率；

8、计算得到最短文件传输的平均时延，并保持当前最优缓存概率直至文件的请求概率发生变化。

9、根据本发明优选的，每个宏基站通过回程链路与核心网络连接，并通过有线链路与其覆盖范围内的所有微基站连接，核心网络通过有线链路与内容服务器相关联。

10、根据本发明优选的，在二维平面上部署不同层的基站；包括：

11、二维平面为一个双层异构蜂窝网络，双层异构蜂窝网络包括宏基站层与微基站层，宏基站层与微基站层在二维平面上叠加，分别记为第1层和第2层；每层基站的位置服从相互独立的齐次泊松点过程φi，i＝1,2，射功率为pi，其中，p1＞p2；

12、不同层基站的位置分布相互独立；假设用户的密度远大于基站的密度，且微基站的密度大于宏基站的密度，即λ2＞λ1，每个微基站和宏基站均有一个需要服务的用户，采用所复用的频率资源，实现数据的下行传输；

13、宏基站和微基站的存储空间分别为n1，n2，n1＞n2，且每个用户在每个时隙只请求一个内容；

14、将传输时间分成等长的时间块，信号在无线传输过程中经历大规模路径损耗和小规模功率衰落；发射端u和接收机v之间的路径损耗建模为其中αi＞2，为不同层的路径损耗指数，ruv为发射端u和接收机v之间的距离；基于瑞利衰落信道，发射端u和接收机v之间的小规模功率衰落guv服从均值为1的指数分布；将一个典型用户置于原点，典型用户关联到微基站或者宏基站，基于slivnyak定理，通过分析典型用户的通信性能，则反映整个网络的平均性能。

15、根据本发明优选的，用户按照开放式访问协议关联到任意层中平均接受功率最大的基站；包括：

16、采用开放式访问协议，每个用户与任意层中平均接收功率最大的基站关联；因此，位于原点的典型用户关联到第k层基站的概率记为bk，有：

17、

18、公式(1)中，k为用户关联的基站所属的层数，y为积分变量，为基站与用户之间的距离；

19、如果αi＝α，公式(1)化简为：

20、

21、典型用户与所关联基站之间的距离的概率密度函数(probability distributionfunction，pdf)记为fr，k(r)，有：

22、

23、对于与第k层中的基站关联且距离为rk的典型用户，下行信干噪比(signal-to-interference-plus-noise ratio，sinr)记为γk，有：

24、

25、其中，σ2为加性高斯白噪声(additive white gaussian noise，awgn)的功率，ib代表除典型基站外的所有激活的基站在典型用户处的累加干扰，有：

26、

27、其中，文件集合记为即文件库中共有l个文件；集合中的所有文件根据文件的受欢迎程度按降序排序；fl是第l高受欢迎的文件，且请求概率为pl；假设每个文件在hcn用户间的流行度分布信息相同，建模为服从zipf分布；

28、对于排序为l的文件，用户请求该文件的概率为：

29、

30、其中，η≥0代表形状参数，反映文件受欢迎程度的不均匀性；η值越大，文件受欢迎程度越不均匀；所有文件都假定具有相同的大小s。

31、根据本发明优选的，本发明假设同一层中的所有基站对同一文件使用相同的缓存概率；假设每个宏基站都有一个中央控制单元，用于存储宏小区内所有基站的缓存信息，并调度文件在不同基站之间中转。

32、根据本发明优选的，当用户请求某一文件时，如果关联的基站缓存有所请求的文件，则关联基站直接发送文件内容给用户；如果用户所关联的基站没有缓存其请求的文件，但宏小区中至少有一个其他基站缓存了用户所请求的文件，则宏小区内基站之间将文件内容中转给用户所关联的基站；如果在宏小区内没有基站缓存该文件，则用户通过宏基站借助核心网络从远端的内容服务器获取所请求的文件。

33、根据本发明优选的，计算得到最短文件传输的平均时延；包括：

34、假设所有有线链路都是光纤链路，传输时延是指发射端发出第一个比特到发出最后一个比特所持续的时间，从内容服务器到核心网、从核心网到宏基站或宏基站与微基站之间的每比特平均传输时延分别记为dcscn、dcnb和dbs；

35、当典型用户与第k层关联并请求文件fl时，平均无线接收时延记为其中为第k层的平均下行成功传输速率，pr{log2(1+γk)≥θk为成功概率，定义为下行可达传输速率大于等于目标传输速率的概率，推导为：

36、

37、其中，

38、

39、其中

40、为了最小化文件传输的平均时延，合理利用不同层基站的缓存能力，将相应的优化问题表述为：

41、

42、

43、

44、在问题中，公式(13a)表示需要优化的目标函数，即文件传输的平均时延，为有效时延的加权求和，公式(13b)表示缓存概率的取值范围，公式(13c)是基于宏基站和微基站的存储空间均有限而构造的约束条件。

45、根据本发明优选的，通过mpa解决优化问题。

46、进一步优选的，将一定比例的虚拟文件按照请求概率进行分组，为分组后的文件优化一个缓存概率，降低优化过程中的时间复杂度；将得到的缓存概率按照组内文件对应的请求概率重新分配，计算在该种重新分配的缓存概率下的真正文件传输的平均时延。

47、本发明的有益效果为：

48、1、本发明提出了一种异构网络中的协作边缘缓存机制：不同层基站为流行度不同的文件分配一定的缓存概率，使得基站的存储空间得到充分的利用。每个宏基站配有一个中央控制单元用于存储本地宏小区内所有基站的缓存信息，并调度文件在不同基站之间中转。宏基站通过回程链路与核心网关联，而微基站没有回程链路。核心网通过有线链路连接到远端的内容服务器。相比于传统的宏基站缓存较受欢迎的文件，微基站缓存次受欢迎的文件或随机缓存策略相比，本发明提出的基站协作边缘缓存机制考虑了文件流行度的差异性，使得宏小区内的存储容量线性增长，提升了本地缓存文件的多样性，减少了文件传输冗余。

49、2、本发明提出了一种自适应的文件传输策略：考虑到宏小区内所有基站的缓存状态，基于宏基站和微基站之间的协作关系，用户可以通过宏基站和微基站之间的有线链路，自适应地从缓存了所需文件的基站处获取服务。若宏小区内没有基站缓存所需文件，宏基站从远端内容服务器经过核心网将文件加载到本地后，在本地进行有线及无线的传输。本发明提出的基于协作缓存的传输方式可以有效提升本地传输的负载量。

50、3、本发明提出有效时延的概念，即平均有线时延和平均无线接收时延之和，恰当地建模了用户关联到不同层基站并请求某一文件时的有线时延和无线接收时延。本发明基于mpa优化了不同文件在网络不同层基站的协作缓存概率，使得文件传输的平均时延最短。本发明进行大量的实验研究关键参数对系统性能的影响，实验结果表明，相比于另外两种基准缓存策略，本发明提出的协作边缘缓存机制可以有效降低文件传输的平均时延。

51、4、当文件库中的文件总数较多时，本发明提出了虚拟文件的概念。将一定比例的文件按照一定的分组方式进行分组，构成一个虚拟文件，为虚拟文件优化一个缓存概率，降低优化过程中的时间复杂度。然后依照虚拟文件所包含文件的请求概率，进行缓存概率的重分配，在此基础上计算文件传输的平均时延。本发明研究了不同分组方式对于系统性能的影响，结果表明间隔分组的性能最佳。同时，本发明研究了文件分组比例对系统性能的影响，结果表明，未进行分组的文件数越多，文件传输的平均时延越短，但算法优化过程中的时间复杂度越高。