面向多信道多内容基站小区的组播调度方法技术

本发明专利技术公开了一种面向多信道多内容基站小区的组播调度方法，属于电子技术领域。本发明专利技术在对即将到来的时隙进行组播策略调度时，基于上一个时隙的用户对内容的请求数量，对应时隙t的信道能效数据，最近历史组播时隙间隔和历史组播时隙数量，以及预设的加权系数、各相关信息的上限，根据调度模型，计算当前待调度时隙的组播调度决策。本发明专利技术的不仅对组播的能量使用效率进行了提升，也优化了内容存在延迟上限情况下的延迟惩罚。且能有效的避免了经典MDP问题因时间关联性以及高维度所带来的巨大运算量。此外，本发明专利技术的组播调度策略能在高请求密度下正常工作。

Multicast Scheduling Method for Multi-Channel and Multi-Content Base Station Cells

The invention discloses a multicast scheduling method for multi-channel multi-content base station cell, belonging to the electronic technology field. The invention calculates the multicast scheduling decision of the current scheduled slot based on the number of requests for content from users in the previous slot, the channel energy efficiency data corresponding to slot t, the number of recent historical multicast slots and historical multicast slots, the preset weighting coefficients and the upper limits of relevant information, and according to the scheduling model, calculates the multicast scheduling decision of the current scheduled slot. The invention not only improves the energy utilization efficiency of multicast, but also optimizes the delay penalty in the case of the content having a delay upper limit. Moreover, it can effectively avoid the huge computational complexity of classical MDP problems due to time correlation and high dimensionality. In addition, the multicast scheduling strategy of the present invention can work normally under high request density.

【技术实现步骤摘要】
面向多信道多内容基站小区的组播调度方法
本专利技术属于电子
，具体涉及一种面向多信道多内容基站小区的组播调度策略。
技术介绍
组播技术在蜂窝小区的应用大大地提升了下行链路的能量使用效率。但是，考虑到组播技术的分组式传输机制，不同步到达的请求会承受不相同的延迟并影响用户体验。所以，需要设计兼顾提升能量使用效率和降低服务延迟的组播调度策略。组播调度策略的设计问题是一个马尔可夫过程(MDP)，很多相关研究应用了一些近似算法来寻求高效的次优解。例如文献《C.Huang,J.Zhang,H.V.Poor,andS.Cui,“Delay-energytradeoffinmulticastschedulingforgreencellularsystems,”IEEEJ.Sel.AreasCommun.,vol.34,no.5,pp.1235–1249,May2016.》公开了在用户随机请求单一内容的组播场景中，基于最优停时规则设计的组播调度算法折衷优化了能量使用效率和服务延迟，但是该方法针对的是单一内容，而无法适用于多内容的场景；文献《B.Zhou,Y.Cui,andM.Tao,“Optimaldynamicmulticastschedulingforcache-enabledcontent-centricwirelessnetworks,”IEEETrans.Commun.,vol.65,no.7,pp.2956–2970,Jul.2017.》公开了在单信道的组播场景中，基于学习算法设计了分段结构的组播调度策略，但该方法针对的是单信道组播，不适用于多信道组播。因此有必要提供一种能适用于多内容多信道组播场景下的组播调度策略。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：针对上述存在的问题，提供一种多内容多信道组播场景下的组播调度方法。考虑时隙化的小区组播模型，在每一个时隙内，用户随机地请求下载N种内容，在时隙t内共有An(t)个对内容n的请求。接收这些请求的同时，基站也会观测与各个用户之间的信道增益以及M个信道资源的空闲情况。基于这些信息，组播调度策略会选出特定的内容在空闲的信道上组播。本专利技术中，在考量调度策略时，基于能量使用效率和服务延迟惩罚这两个度量对象进行相关处理，其中能量使用效率和服务延迟惩罚的表达式分别为：用Dn,m(t)代表时隙t的组播调度决策。当Dn,m(t)＝0时，表示内容n不通过信道m进行组播，当Dn,m(t)＝1时，表示基站将使用信道m来组播内容n，若此时有K(t,n)个用户请求了内容n，且基于系统参数能获取到这K(t,n)个用户和基站之间最差的信道系数为Hn,m(t)，则用信道m组播内容n的最低单位时隙能耗En,m(t)的表达式为：其中，为一个只跟信道m和内容n有关的常数，即系统参数，其中In表示每个时隙内容n的传输比特数，Bm表示信道m占用的带宽，Tct表示每个时隙代表的具体时间长度；用Tn表示传输内容n所需的时隙数，并且基于传输时间内信道系数没有变化的前提，可得到时隙t的决策总耗能为定义t＝1到t＝s的能量使用效率为s个时隙平均能耗，即s表示t的取值上限，当s趋近无穷时，得到系统的能量使用效率表达式如下：当内容n的请求被延迟了τ时隙后，用pn(τ)表示用户反馈的延迟惩罚函数，即延迟惩罚函数基于用户需求设置，其定义域在0到Un之间，Un代表内容n的延迟容忍上限，本专利技术对具体表达式不做限定，例如设置为关于延迟τ的线性函数或指数函数等等，其中线性函数还可以直接设置为常数函数等方式。如果上一次组播内容n在Ln(t)个时隙之前，那么这些时隙内所有对内容n发出过请求的用户将会反馈惩罚，则惩罚总和为其中，代表τ时隙的决策对内容n开启的组播次数，An(t-τ)表示在括号中时隙内对内容n的请求数。将时隙t时延迟τ没有超过容忍上限Un的内容集合记为N1(t)，超过容忍上限Un的内容集合记为N2(t)。则平均的延迟惩罚为当τ大于Un时，组播决策需要把可用的信道资源优先分配给内容n，即N2(t)集合内的内容会被优先组播，因此本专利技术只优化N1(t)集合中内容的能量使用效率。对能量使用效率和平均延迟惩罚做加权和来作为调度策略的最终度量值，即选择该度量值最小的调度策略作为最终的调度结果。用α表示预设的加权系数(基于应用场景和需求设置)，则组播调度问题即可转化为下面的优化问题：该优化问题存在五个限制条件。首先，任意内容不能同时在两个信道上开始组播。该限制条件可表示为其次，任意信道一次只能组播一个内容。记为t时隙的决策在信道m上开启的组播次数，该限制条件可表示为再者，任意组播需要在没被占用的信道上开始组播。若在t时隙，内容n已经在信道m上组播了Cn,m(t)个时隙，则表示当前信道m的被占用情况，其中为指示函数。该限制条件可以表示为然后，任意请求需要在有限的时间内被服务。即最后，延迟τ超过容忍上限Un的内容需要优先被组播。定义θn(t)＝max{0,Ln(t)-Un}，则N1(t)集合可以表示为N1(t)＝{n|θn(t)＝0}，而N2(t)集合为N2(t)＝{n|θn＞0}，该限制条件表示为：因而，本专利技术面向多信道多内容基站小区的组播调度方法具体包括下列步骤：步骤1：获取系统参数，计算辅助惩罚函数其中表示内容n*在时隙t的被请求数的上界；ZL和ZU分别表示Zn,m的下界和上界；a和b分别为|Hn,m(t)2的下界和上界；表示延迟惩罚函数的上界；表示内容n*的请求被延迟了k时隙后所对应的辅助惩罚函数。步骤2：基于上一个时隙的内容请求获取上一个时隙用户对内容的请求数量A(t-1)，其中A(t-1)表示An(t-1)的集合，即A(t-1)＝{A1(t-1),A2(t-1),…,AN(t-1)}，An(t-1),n＝1,2,…,N表示上一个时隙对不同内容的请求数量；以及基于当前待调度时隙t(即将到来的下一个时隙)的信道信息得到信道能效数据E(t)，其中E(t)表示En,m(t)的集合，即E(t)＝{E1,1(t),…，E1,m(t)；…；En,1(t),…，En,m(t)}；即基于对应待调度时隙t的Hn,m(t)，根据公式(1)得到各最低单位时隙能耗En,m(t)；步骤3：计算内容的最近历史组播时隙间隔L(t)、历史组播时隙数量C(t)：其中，L(t)表示Ln(t)的集合，即L(t)＝{L1(t),L2(t),…,LN(t)}；C(t)表示Cn,m(t)的集合，即C(t)＝{C1,1(t),…，C1,m(t)；…；Cn,1(t),…，Cn,m(t)}；若当前待调度时隙t为首个待调度时隙，则根据A(t-1)的值初始化L(t)：对于A(t-1)中的零元素，L(t)的相应元素赋0；对于A(t-1)中的非零元素，L(t)的相应元素赋1；并将C(t)的各元素初始化为0，即初始化C(1)为零矩阵；若当前待调度时隙t为非首个待调度时隙，则根据公式12、14分别计算L(t)和C(t)；其中步骤4：基于调度模型D得到当前待调度时隙t的组播调度决策D(t)：其中D(t)表示Dn,m(t)的集合，即D(t)＝{D1,1(t),…，D1,m(t),…,Dn,1(t),…，Dn,m(t)}；调度模型D为：其中求解调度模型D时，可采用惯用的0-1背包问题本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.面向多信道多内容基站小区的组播调度方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤1：计算不同被请求的内容n的辅助惩罚函数

【技术特征摘要】
1.面向多信道多内容基站小区的组播调度方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤1：计算不同被请求的内容n的辅助惩罚函数其中内容标识符n＝1,2,…,N，N表示被请求内容的数量；所述τ表示请求内容n的请求延时时隙；所述pn(τ)表示基于用户需求预置的延时惩罚函数；α表示预设的加权系数；a和b分别为|Hn,m(t)|2的预设上下限，其中Hn,m(t)表示当前请求所述内容n的所有用户中与基站之间最差的信道系数；Tn、分别表示传输内容n、n*所需的时隙数；ZL和ZU分别表示系统参数Zn,m的预设上下限，其中In表示每个时隙内容n的传输比特数，Bm表示信道m占用的带宽，Tct表示每个时隙代表的具体时间长度；表示内容n*在时隙t的被请求数的预设上限；表示内容n*的延迟惩罚函数的预设上限；Un、分别表示内容n、n*的预设延时上限；表示内容n*的请求被延迟了k时隙后的辅助惩罚函数；步骤2：基于上一个时隙的内容请求获取上一个时隙用户对内容的请求数量A(t-1)，其中A(t-1)表示上一个时隙中对内容n的请求数量An(t-1)的集合；以及基于当前待调度时隙t的信道信息得到信道能效数据E(t)，其中E(t)表示最低单位时隙能耗En,m(t)的集合，n＝1,2,…,N，m＝1,2,…,M，M表示信道数，且步骤3：计算内容的最近历史组播时隙间隔L(t)、历史组播时隙数量C(t)：其中，L(t)表示内容n的最近历史组播...

【专利技术属性】
技术研发人员：李然，黄川，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51