CN113473540A - 异构蜂窝网络中基于基站协作的混合缓存方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于基站协作的混合缓存方法，该方法针对异构蜂窝网络场景下的封闭式接入用户获取请求文件的问题，同时考虑了基站之间的协作缓存与混合缓存策略。步骤如下：该方法以满足用户请求为前提，在宏基站层采用最流行文件缓存策略，而在小基站层对除宏基站缓存之外的次流行文件采用等概率随机缓存策略。当小基站用户发出文件请求时，该用户依次从接入小基站的缓存、当地宏基站的缓存以及协作小基站的缓存中寻找请求文件；当宏基站用户发出请求时，该用户依次从接入宏基站的缓存和协作小基站的缓存中寻找请求文件。该方法有效提升了用户的缓存命中率，减轻了核心网络的流量负载，降低了***服务用户的能耗。

Description

异构蜂窝网络中基于基站协作的混合缓存方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种异构蜂窝网络中基于基站协作的混合缓存方法。

背景技术

近年来，人们对无线通信服务的需求从传统的面向连接的服务转变为面向内容的服务，这也导致移动数据流量呈指数级增长。数据流量的***式增长造成现有的无线网络过载，有限的传输资源无法满足用户迅速增长的内容请求，另外内容的重复传输对回程链路的容量提出了更高的要求，这一要求也成为运营商降低成本和提高收入的主要瓶颈。为了解决上述这些问题，边缘缓存技术受到了人们的广泛关注，它可以将一些内容提前存储在边缘缓存设备中，能够有效地降低用户获取文件的时延，同时减轻网络的流量负载，因此已经成为研究的热点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于基站协作的混合缓存方法，通过联合基站之间的协作与混合缓存策略，提高用户的缓存命中率，降低***服务用户的能耗。

本发明为实现上述目的采用以下技术方案：异构蜂窝网络中基于基站协作的混合缓存方法，包括以下步骤：

1)在缓存放置阶段，宏基站采用最流行文件缓存策略对文件进行缓存，小基站采用等概率随机缓存策略对除宏基站缓存之外的文件进行缓存；

2)获取目标用户的授权情况，如果目标用户为非授权用户，网络无法为其提供服务，则结束流程；如果目标用户为宏基站授权用户，则转到步骤3)；如果目标用户为小基站授权用户，则转到步骤4)；

3)当宏基站用户发出请求时，该用户依次从接入宏基站的缓存和协作小基站的缓存中寻找请求文件；

4)当小基站用户发出文件请求时，该用户依次从接入小基站的缓存、当地宏基站的缓存以及协作小基站的缓存中寻找请求文件。

进一步的，所述步骤3)宏用户获得文件步骤如下：

3-1)当宏用户请求文件时，该用户先从其接入的宏基站缓存中寻找请求文件，如果接入的宏基站缓存了该用户的请求文件，则由接入的宏基站为其提供服务；

3-2)如果该宏基站没有缓存该请求文件，则由接入的宏基站在其协作小基站的缓存中寻找请求文件，如果有小基站缓存了该宏用户的请求文件，则小基站先将请求文件发送给协作的宏基站，再由宏基站将请求文件发送给该用户；

3-3)如果接入宏基站的所有协作小基站中都没有缓存该请求文件，则宏基站通过回程链路从提供文件的平台处获取请求文件，再发送给该宏用户。

进一步的，所述步骤4)小基站用户获得文件步骤如下：

4-1)当小基站用户请求文件时，该用户先从其接入的小基站缓存中寻找请求文件，如果接入的小基站缓存了该用户的请求文件，则由接入的小基站为其提供服务；

4-2)如果该小基站没有缓存该请求文件，则由接入的小基站在其协作宏基站的缓存中寻找请求文件，如果宏基站缓存了该小基站用户的请求文件，则宏基站先将请求文件发送给接入的小基站，再由小基站将请求文件发送给该用户；

4-3)如果协作的宏基站没有缓存该请求文件，则由宏基站在其协作小基站的缓存中寻找请求文件，如果有协作小基站缓存了该小基站用户的请求文件，则协作的小基站先将请求文件发送给宏基站，再由宏基站将请求文件转发给接入的小基站，最后，由接入小基站将请求文件发送给该用户；

4-4)如果协作宏基站的所有协作小基站中都没有缓存该请求文件，则宏基站通过回程链路从提供文件的平台处获取请求文件，再将文件发送给接入的小基站，最后，由接入小基站将请求文件发送给该用户。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.在传统无缓存的蜂窝网络中加入缓存，能够让用户从更近的节点处获取到请求文件，可以较少的通过回程获取请求文件，进而降低能耗；在基站之间增加协作调度的文件传输方式，也能够充分利用基站的缓存空间，从而能够有效的降低能耗。

2.与MPC和EPRC相比，本发明方法在能耗方面表现出较好的性能。这是因为将基站之间的协作与混合缓存策略相结合时，用户对于文件的请求大部分都能通过当地基站的缓存以及基站之间的协作得以命中，而较少的使用回程来获取文件，因此，能够减少一定的能耗。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本发明方法的网络模型示意图；

图3为在不同小基站密度λ_s下，***服务小基站用户的能耗仿真结果图；

图4为在不同小基站缓存容量N_s下，***服务小基站用户的能耗仿真结果图；

图5为在不同小基站密度λ_s下，***服务宏基站用户的能耗仿真结果图；

图6为在不同小基站缓存容量N_s下，***服务宏基站用户的能耗仿真结果图。

具体实施方法

下面结合实施例和说明书附图对发明的技术方案进行详细说明：

本发明所述的异构蜂窝网络中基于基站协作的混合缓存方法，流程如图1所示，具体包括以下步骤：

1)在缓存放置阶段，宏基站采用最流行文件缓存策略对文件进行缓存，小基站采用等概率随机缓存策略对除宏基站缓存之外的文件进行缓存；

2)获取目标用户的授权情况，如果目标用户为非授权用户，网络无法为其提供服务，则结束流程；如果目标用户为宏基站授权用户，则转到步骤3)；如果目标用户为小基站授权用户，则转到步骤4)；

3)宏用户获得文件步骤如下：

3-1)当宏用户请求文件时，该用户先从其接入的宏基站缓存中寻找请求文件，如果接入的宏基站缓存了该用户的请求文件，则由接入的宏基站为其提供服务；

3-2)如果该宏基站没有缓存该请求文件，则由接入的宏基站在其协作小基站的缓存中寻找请求文件，如果有小基站缓存了该宏用户的请求文件，则小基站先将请求文件发送给协作的宏基站，再由宏基站将请求文件发送给该用户；

3-3)如果接入宏基站的所有协作小基站中都没有缓存该请求文件，则宏基站通过回程链路从提供文件的平台处获取请求文件，再发送给该宏用户；

4)小基站用户获得文件步骤如下：

4-1)当小基站用户请求文件时，该用户先从其接入的小基站缓存中寻找请求文件，如果接入的小基站缓存了该用户的请求文件，则由接入的小基站为其提供服务；

4-2)如果该小基站没有缓存该请求文件，则由接入的小基站在其协作宏基站的缓存中寻找请求文件，如果宏基站缓存了该小基站用户的请求文件，则宏基站先将请求文件发送给接入的小基站，再由小基站将请求文件发送给该用户；

4-3)如果协作的宏基站没有缓存该请求文件，则由宏基站在其协作小基站的缓存中寻找请求文件。如果有小基站缓存了该小基站用户的请求文件，则协作的小基站先将请求文件发送给宏基站，再由宏基站将请求文件转发给接入的小基站，最后，由接入小基站将请求文件发送给该用户；

4-4)如果协作宏基站的所有协作小基站中都没有缓存该请求文件，则宏基站通过回程链路从提供文件的平台处获取请求文件，再将文件发送给接入的小基站，最后，由接入小基站将请求文件发送给该用户。

本发明的***模型如附图2所示，是由多个宏基站和多个小基站组成的协作缓存异构蜂窝网络。其中宏基站的分布服从密度为λ_m的泊松点过程，并且能够控制小基站之间的数据交换，小基站的分布服从密度为λ_s的泊松点过程。

网络中宏基站和小基站均有一定的缓存容量，它们的缓存容量分别为N_m和N_s个文件。宏基站与远端服务器、宏基站与小基站之间均通过有线进行连接，而用户终端与基站之间通过无线进行通信。

假设蜂窝网络中的用户终端采用封闭式接入策略，即宏基站用户终端只能接入宏基站，小基站用户终端只能接入小基站，且同一宏小区内的宏基站和小基站能够通过协作调度方式共享彼此的缓存文件。

宏基站和小基站的覆盖范围分别为R_m和R_s，且R_m>R_s。同时，假设宏基站的发送功率均为P_m，小基站的发送功率均为P_s。假设路径损耗模型服从幂律分布，因此信号的功率随着距离r以r^-α的速率衰减，其中α为路径损耗指数，并假设宏基站和小基站的路径损耗指数相同。除了路径损耗外，还考虑瑞利衰落模型。

因此，到基站x距离为d的用户接收到的信号功率为P_xd^-αg_x，其中P_x为基站x的发射功率，g_x为基站x到用户之间的瑞利衰落系数。各链路的瑞利衰落为独立同分布，均服从参数为单位均值的指数分布，接收端的噪声为加性高斯白噪声，功率为σ²。

首先分析了两类用户的缓存命中率，然后利用随机几何理论分别推导在宏基站与小基站使用正交频谱和共享频谱两种不同情形下用户的中断概率，最后基于上述的分析结果，进一步求得了服务用户的***能耗。

宏基站采用最流行文件缓存策略，即按流行度缓存排名靠前的N_m个文件，而小基站采用随机缓存策略，即以概率p_i缓存第i个文件(1≤i≤N)，其中N为文件库中文件总数。由于小基站的分布服从密度为λ_s的泊松点过程，所以在一个宏小区内小基站的平均个数为

其中

表示对X向下取整。

宏基站用户在接入宏基站的缓存中命中请求文件的概率为：

其中，q_i为第i个文件的流行度，γ为流行度的参数。

宏基站用户在协作小基站的缓存中命中请求文件的概率为：

宏基站用户的缓存命中率为：

小基站用户在接入小基站的缓存中命中请求文件的概率为：

小基站用户在当地宏基站的缓存中命中请求文件的概率为：

小基站用户在协作小基站的缓存中命中请求文件的概率为：

小基站用户的缓存命中率为：

该方法主要考虑传输能耗，下面分别对这部分的能耗进行分析。假设宏基站向其授权用户传输文件的单位比特能耗为e_mu，小基站向其授权用户传输文件的单位比特能耗为e_su，基站之间协作调度文件的单位比特能耗为e_co，使用回程链路传输文件的单位比特能耗为e_ba。

首先分析宏基站和小基站使用相互正交频谱的情形，若宏基站用户在接入宏基站的缓存中命中请求文件，则获取此文件的能耗为：

E_m,local＝B_me_mu (25)

其中，B_m为宏基站向一个宏基站用户发送一个请求文件所需的平均比特数，

为宏基站用户的中断概率，C_m为宏基站发送一个文件的次数上限，L为文件的大小，Γ_m为给定的宏基站中断SINR门限。

若接入宏基站的缓存中未缓存该用户的请求文件，而协作的小基站缓存了此请求文件，则获取此文件的能耗为：

E_m,co＝B_m(e_co+e_mu) (26)

若接入宏基站以及其协作的小基站均未缓存该用户的请求文件，则通过回程链路获取此文件的能耗为：

E_m,ba＝B_m(e_ba+e_mu) (27)

因此，在宏基站和小基站使用相互正交频谱的情形下，一个宏基站用户请求一个文件所需的平均能耗为：

同理，在宏基站和小基站共享频谱的情形下，一个宏基站用户请求一个文件所需的平均能耗为：

其中，

为宏基站向一个宏基站用户发送一个请求文件所需的平均比特数，

为宏基站用户的中断概率，

为宏基站发送一个文件的次数上限，L为文件的大小，Γ_m为给定的宏基站中断SINR门限。

然后分析宏基站和小基站使用相互正交频谱的情形，若一个小基站用户在接入小基站的缓存中命中请求文件，则获取此文件的能耗为：

E_s,local＝B_se_su (30)

其中，B_s为小基站向一个小基站用户发送一个请求文件所需的平均比特数，

为小基站用户的中断概率，C_s为小基站发送一个文件的次数上限，L为文件的大小，Γ_s为给定的小基站中断SINR门限。

若接入小基站的缓存中未缓存该用户的请求文件，而当地宏基站缓存了此请求文件，则获取此文件的能耗为：

E_s,m＝B_s(e_co+e_su) (31)

若接入小基站和宏基站的缓存中均未缓存该用户的请求文件，而协作的小基站缓存了此请求文件，则获取此文件的能耗为：

E_s,co＝B_s(2e_co+e_su) (32)

若接入小基站、宏基站以及协作小基站的缓存中均未缓存该用户的请求文件，则通过回程链路获取此文件的能耗为：

E_s,ba＝B_s(e_ba+e_co+e_su) (33)

因此，在宏基站和小基站使用相互正交频谱的情形下，一个小基站用户请求一个文件所需的平均能耗为：

同理，在宏基站和小基站使用共享频谱的情形下，一个小基站用户请求一个文件所需的平均能耗为：

其中，

为小基站向一个小基站用户发送一个请求文件所需的平均比特数，

为小基站用户的中断概率，

为小基站发送一个文件的次数上限，L为文件的大小，Γ_s为给定的小基站中断SINR门限。

综上所述，本发明利用随机几何分析了两层缓存使能异构网络的能耗，其中用户采用封闭式接入策略，并且对宏基站和小基站使用正交频谱和共享频谱的情形分别进行分析，推导得到了中断概率和能耗的表达式。相比于传统的无缓存蜂窝网络，在网络中加入缓存能够减少能耗；增加基站之间的协作，能够有效的减少能耗；将基站之间的协作与混合缓存策略相结合，较大的提高了用户的命中率，能够进一步的减少能耗；本发明的协作混合缓存方法能够在所有场景下都表现出较好的性能。

附图3和附图4中给出了四种方法在***服务小基站用户能耗方面的对比情况；附图5和附图6是四种方法在***服务宏基站用户能耗方面的对比情况。综合图3～6可知，本发明方法要明显优于其它三种对比方法，随着小基站密度和小基站缓存容量的增加，本发明提出的方法可以让更多的用户请求通过接入基站的缓存和协作基站的缓存得以命中，大大提高用户的缓存命中率，能够在有限资源的情况下，有效的降低***服务用户的能耗。

本发明联合基站协作与混合缓存策略，考虑了用户缓存命中率、中断概率以及***服务用户的能耗问题，基于随机几何理论，在基站到用户的无线传输存在中断的条件下，求得了用户的中断概率，基于基站协作与混合缓存策略，求得了用户的缓存命中率，在此基础上，求得了***服务用户的能耗。该方法综合考虑了基站之间的协作和混合缓存策略，大幅度降低了***服务用户的能耗，提升了***能效。

不同于传统异构蜂窝网络无缓存无协作模式，本方法联合基站协作与混合缓存策略。与无协作模式相比，本方法通过基站之间的协作，基站能够共享彼此的文件，充分利用了基站的缓存空间；与最流行文件缓存策略和随机缓存策略相比，本方法采用混合缓存策略，使得宏基站与小基站的缓存能够互补，进一步提升了基站缓存空间的利用率。

Claims (9)

1.异构蜂窝网络中基于基站协作的混合缓存方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在缓存放置阶段，宏基站采用最流行文件缓存策略对文件进行缓存，小基站采用等概率随机缓存策略对除宏基站缓存之外的文件进行缓存；

2)获取目标用户的授权情况，如果目标用户为非授权用户，网络无法为其提供服务，则结束流程；如果目标用户为宏基站授权用户，则转到步骤3)；如果目标用户为小基站授权用户，则转到步骤4)；

3)当宏基站用户发出请求时，该用户依次从接入宏基站的缓存和协作小基站的缓存中寻找请求文件；

4)当小基站用户发出文件请求时，该用户依次从接入小基站的缓存、当地宏基站的缓存以及协作小基站的缓存中寻找请求文件。

2.根据权利要求1所述的异构蜂窝网络中基于基站协作的混合缓存方法，其特征在于，所述步骤3)宏用户获得文件步骤如下：

3-1)当宏用户请求文件时，该用户先从其接入的宏基站缓存中寻找请求文件，如果接入的宏基站缓存了该用户的请求文件，则由接入的宏基站为其提供服务；

3-2)如果该宏基站没有缓存该请求文件，则由接入的宏基站在其协作小基站的缓存中寻找请求文件，如果有小基站缓存了该宏用户的请求文件，则小基站先将请求文件发送给协作的宏基站，再由宏基站将请求文件发送给该用户；

3-3)如果接入宏基站的所有协作小基站中都没有缓存该请求文件，则宏基站通过回程链路从提供文件的平台处获取请求文件，再发送给该宏用户。

3.根据权利要求1所述的异构蜂窝网络中基于基站协作的混合缓存方法，其特征在于，所述步骤4)小基站用户获得文件步骤如下：

4-1)当小基站用户请求文件时，该用户先从其接入的小基站缓存中寻找请求文件，如果接入的小基站缓存了该用户的请求文件，则由接入的小基站为其提供服务；

4-2)如果该小基站没有缓存该请求文件，则由接入的小基站在其协作宏基站的缓存中寻找请求文件，如果宏基站缓存了该小基站用户的请求文件，则宏基站先将请求文件发送给接入的小基站，再由小基站将请求文件发送给该用户；

4-3)如果协作的宏基站没有缓存该请求文件，则由宏基站在其协作小基站的缓存中寻找请求文件，如果有协作小基站缓存了该小基站用户的请求文件，则协作的小基站先将请求文件发送给宏基站，再由宏基站将请求文件转发给接入的小基站，最后，由接入小基站将请求文件发送给该用户；

4-4)如果协作宏基站的所有协作小基站中都没有缓存该请求文件，则宏基站通过回程链路从提供文件的平台处获取请求文件，再将文件发送给接入的小基站，最后，由接入小基站将请求文件发送给该用户。

4.根据权利要求1所述的异构蜂窝网络中基于基站协作的混合缓存方法，其特征在于，所述宏基站用户的缓存命中率

计算表达式为：

其中

为宏基站用户在接入宏基站的缓存中命中请求文件的概率；

为宏基站用户在协作小基站的缓存中命中请求文件的概率；

N为文件库中文件总数，N_m表示按流行度缓存排名靠前的N_m个文件；

q_i为第i个文件的流行度，1≤i≤N，γ为流行度的参数；p_i为小基站采用随机缓存策略缓存第i个文件的概率；

S_n为一个宏小区内小基站的平均个数，λ_s为小基站的分布服从的泊松点过程的密度，R_m为宏基站的覆盖范围，

表示对X向下取整。

5.根据权利要求1所述的异构蜂窝网络中基于基站协作的混合缓存方法，其特征在于，所述小基站用户的缓存命中率

计算表达式为：

其中

为小基站用户在接入小基站的缓存中命中请求文件的概率；

为小基站用户在当地宏基站的缓存中命中请求文件的概率；

为小基站用户在协作小基站的缓存中命中请求文件的概率；

N为文件库中文件总数，N_m表示按流行度缓存排名靠前的N_m个文件；

q_i为第i个文件的流行度，1≤i≤N，γ为流行度的参数；p_i为小基站采用随机缓存策略缓存第i个文件的概率；

S_n为一个宏小区内小基站的平均个数，λ_s为小基站的分布服从的泊松点过程的密度，R_m为宏基站的覆盖范围，

表示对X向下取整。

6.根据权利要求4所述的异构蜂窝网络中基于基站协作的混合缓存方法，其特征在于，在宏基站和小基站使用相互正交频谱的情形下，一个宏基站用户请求一个文件所需的平均能耗计算表达式为：

其中e_mu为宏基站向其授权用户传输文件的单位比特能耗，e_co为基站之间协作调度文件的单位比特能耗，e_ba为使用回程链路传输文件的单位比特能耗；

B_m为宏基站向一个宏基站用户发送一个请求文件所需的平均比特数；C_m为宏基站发送一个文件的次数上限，L为文件的大小，Γ_m为给定的宏基站中断SINR门限；

为宏基站用户的中断概率，σ²为接收端的噪声功率，α为路径损耗指数，R_m为宏基站的覆盖范围，P_m为宏基站的发送功率，λ_m为宏基站的分布服从的泊松点过程的密度。

7.根据权利要求4所述的异构蜂窝网络中基于基站协作的混合缓存方法，其特征在于，在宏基站和小基站共享频谱的情形下，一个宏基站用户请求一个文件所需的平均能耗计算表达式为：

其中e_mu为宏基站向其授权用户传输文件的单位比特能耗，e_co为基站之间协作调度文件的单位比特能耗，e_ba为使用回程链路传输文件的单位比特能耗；

为宏基站向一个宏基站用户发送一个请求文件所需的平均比特数；

为宏基站发送一个文件的次数上限，L为文件的大小，Γ_m为给定的宏基站中断SINR门限；

为宏基站用户的中断概率；σ²为接收端的噪声功率，α为路径损耗指数，R_m为宏基站的覆盖范围，P_m为宏基站的发送功率，P_s为小基站的发送功率，λ_m为宏基站的分布服从的泊松点过程的密度，λ_s为小基站的分布服从的泊松点过程的密度。

8.根据权利要求5所述的异构蜂窝网络中基于基站协作的混合缓存方法，其特征在于，在宏基站和小基站使用相互正交频谱的情形下，一个小基站用户请求一个文件所需的平均能耗计算表达式为：

其中e_su为小基站向其授权用户传输文件的单位比特能耗，e_co为基站之间协作调度文件的单位比特能耗，e_ba为使用回程链路传输文件的单位比特能耗；

B_s为小基站向一个小基站用户发送一个请求文件所需的平均比特数，C_s为小基站发送一个文件的次数上限，L为文件的大小，Γ_s为给定的小基站中断SINR门限；

为小基站用户的中断概率，σ²为接收端的噪声功率，α为路径损耗指数，R_s为小基站的覆盖范围，P_s为小基站的发送功率，λ_s为小基站的分布服从的泊松点过程的密度。

9.根据权利要求5所述的异构蜂窝网络中基于基站协作的混合缓存方法，其特征在于，在宏基站和小基站使用共享频谱的情形下，一个小基站用户请求一个文件所需的平均能耗计算表达式为：

其中e_su为小基站向其授权用户传输文件的单位比特能耗，e_co为基站之间协作调度文件的单位比特能耗，e_ba为使用回程链路传输文件的单位比特能耗；

为小基站向一个小基站用户发送一个请求文件所需的平均比特数，

为小基站发送一个文件的次数上限，L为文件的大小，Γ_s为给定的小基站中断SINR门限；

为小基站用户的中断概率，σ²为接收端的噪声功率，α为路径损耗指数，R_s为小基站的覆盖范围，P_m为宏基站的发送功率，P_s为小基站的发送功率，λ_m为宏基站的分布服从的泊松点过程的密度，λ_s为小基站的分布服从的泊松点过程的密度。

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