无线异构网络中的新型缓存内容放置及内容缓存分布优化方法技术

一种无线异构网络中的新型缓存内容放置及内容缓存分布优化方法，通过将无线缓存下沉到无线网的边缘节点与用户端，在网络负载较低的时候将用户可能请求的内容提前缓存到网络的边缘节点与用户端,然后分发给目标用户，从而有效减少网络冗余流量，有效地降低峰值流量。同时也推导了成功传输概率表达式，并以最大化成功传输概率为目标，优化缓存内容分布。优化后的内容缓存分布不仅极大地提高了成功传输概率，也避免了相同内容被重复分发时引起的网络冗余流量、高峰时期网络拥堵及开销浪费等的问题。

New Cache Content Placement and Content Cache Distribution Optimization Method in Wireless Heterogeneous Networks

A new method for optimizing content placement and content cache distribution in wireless heterogeneous networks is presented. By sinking the wireless cache into the edge nodes and users of wireless networks, the content that users may request can be cached to the edge nodes and users of the network in advance when the network load is low, and then distributed to the target users, thus effectively reducing redundant network traffic and effectively reducing it. Low peak flow. At the same time, the expression of the probability of successful transmission is deduced, and the distribution of cache content is optimized to maximize the probability of successful transmission. The optimized content cache distribution not only greatly improves the probability of successful transmission, but also avoids the problems of network redundant traffic, network congestion and waste of overhead caused by repeated distribution of the same content.

【技术实现步骤摘要】
无线异构网络中的新型缓存内容放置及内容缓存分布优化方法
本专利技术涉及一种无线通信

技术介绍
随着互联网的迅速发展和智能终端数据流量的持续增长，传统的网络面临基站部署开销、运营成本、用户体验等多方面的压力，逐渐不堪重负。为了应对这一挑战，无线缓存边缘网络，一方面，可以将网络业务“下沉”到更接近用户的无线接入网侧；另一方面，终端设备用户在计算能力和缓存容量上也取得了显著提升。因此无线网络不必等到业务请求来临后再做出响应和调度,而在网络负载较低的时候将用户可能请求的内容提前缓存到网络的边缘节点,然后分发给目标用户。无线边缘缓存可以有效减少网络冗余流量，有效地降低峰值流量、功耗，克服网络回程链路瓶颈，在满足用户需求的同时节约网络资源。部署在边缘侧的高速缓存可以提前存储具有高流行度的内容，并且这些流行文件可以直接传送给所需的用户，省去了内容提供商通过回程链路重复传输这些流行文件。在这种情况下，内容提供商不再需要通过回程链路传输这些流行文件，并且可以很好地解决回程容量有限的问题。然而，最优的内容缓存分布不仅受内容流行度的影响，还受其他网络参数(如信道条件，基站和用户密度等)的影响。因此，考虑这些网络参数并进一步优化它们对于提高性能非常重要。在这样的背景下，无线异构网络是一种非常有前景的网络架构，可以利用无线缓存有效地降低峰值流量、功耗并减轻回程负载。同时，部署在用户端的缓存也可以提前存储具有高流行度的内容，并且这些流行文件可以直接通过终端直通技术(Device-to-Device，D2D)进行通信，传送给附近所需的用户。在相关技术中，“Analysisoncache-enabledwirelessheterogeneousnetworks,”IEEETransactionsonWirelessCommunications,vol.15,no.1,pp.131–145,Jan2016.，作者假设在大尺度带缓存的小蜂窝网络中，每个小基站都缓存最流行的文件，即所有基站都存储了相同的最流行的文件；而M“Probabilisticcachinginwirelessd2dnetworks:Cachehitoptimalvs.throughputoptimal,”IEEECommunicationsLetters,vol.21,no.3,pp.584–587,2016.中，作者研究在在随机无线D2D缓存网络中的概率缓存，即D2D网络中的用户都以某种概念提前缓存内容文件。但是，前者只考虑了基站端的缓存方式与优化，而后者只考虑了用户端的缓存方式与优化。虽然在“Wirelesscontentcachingforsmallcellandd2dnetworks,”IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,vol.34,no.5,pp.1222–1234,May2016.中，作者同时考虑了基站缓存和用户端缓存，但只是侧重在对于两种缓存方式的性能比较中，并没有考虑实际的融合缓存方式，即如何在多层结构的网络中考虑一个有效的缓存方式。且，现存的文献中缓存方式主要为流行度缓存或平均缓存等，都没有具体说明如何在每个基站或用户上高效地存储多个不同的文件。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题，提供一种无线异构网络中的新型缓存内容放置方法与优化方法。技术方案概括为：一种无线异构网络中的新型缓存内容放置及内容缓存分布优化方法，其特征在于，先后包括第一步的缓存内容放置方法、第二步的内容缓存分布优化方法；第一步：将无线缓存下沉到无线网的边缘节点(本专利技术中指基站)和用户端，在网络负载较低的时候将用户可能请求的内容提前缓存到网络的边缘节点和用户端,建立相应的缓存配置方法；第二步：分析不同情况下的内容分发方式；同时利用随机几何知识推导成功传输概率表达式；最后以最大化成功传输概率为目标，优化缓存内容分布；以上两步最终实现分发给目标用户。具体地，在无线异构网络中的一个小区内，假设有一个基站和多个用户。基站端设置有缓存空间，可以提前存储流行文件，所以当有用户请求的文件恰巧缓存在基站中时，基站可以直接用自己的缓存内容服务用户。另外，所述用户端也设置有缓存，可以提前缓存一部分流行文件，这样当附近的用户请求的文件恰巧缓存在用户处时，用户之间也可以通过终端直通技术(Device-to-Device,D2D)直接进行通信。第一步“缓存内容放置方法”，其系统模型分为基站与用户的分布模型的建立，缓存内容的建模，以及信道建模。首先，基站与用户的分布模型的建立：分配给基站、用户的总带宽分别是W'和W。同时，所述基站和用户都配有一根发射天线，相应的发送功率分别为PB和PD。用户服从独立齐次泊松点过程分布Φu，其密度分别为λu，且每个用户活跃的概率为ρ∈[0,1]。活跃用户服从独立齐次泊松点过程分布其密度分别为ρλu；非活跃用户服从独立齐次泊松点过程分布其密度分别为(1-ρ)λu。当用户为所述活跃用户时，表明这个用户正在请求文件，因而它不可以作为发送者服务周围用户；而所述非活跃用户则可以被视为潜在的D2D发送者。其次，缓存内容的建模：假设所有文件都是独立的，且大小均为1，N@{1,2,...,N}代表文件N＞M的集合。文件流行度分布假设为a@(an)n∈N，其中，是每个用户随机地请求文件n∈N的概率，假设a1≥a2...≥aN。基站拥有所有用户请求的文件，而每个用户最多可以缓存M个文件。每个用户缓存文件n的概率为pn，满足：0≤pn≤1,n∈N内容缓存分布定义为p@(pn)n∈N。最后，信道建模：本系统的信道条件中，考虑信道衰落的随机特性，大尺度衰落则传输信号的衰减因子为D-α，其中D是传输距离，α＞2是路径损耗指数。小尺度衰落则考虑瑞利衰落，每个小尺度衰落信道为第二步“内容缓存分布优化方法”：分析不同情况下的内容分发方式；然后利用随机几何知识推导成功传输概率表达式；最后以最大化成功传输概率为目标，优化缓存内容分布；首先，分析不同情况下的内容分发方式，三种情况：2.1步骤、由自身缓存服务：如果用户u0请求的文件n在自身的缓存中，则u0由自己服务，否则进入步骤2.2；2.2步骤、由其他用户服务：当用户u0请求的文件n不在自身的缓存中，但在它的通信半径R内存在其他用户缓存了文件n，则用户u0由离它最近的缓存了文件n的用户服务，否则进入步骤2.3；2.3步骤、由基站服务：当用户u0请求的文件n既不在自身的缓存中，也不在它通信半径R的其他用户缓存处，则基站将发送请求的文件n给用户。然后，整个网络的总成功传输概率的表达式如下：其中,为用户u0在它的通信半径R内找到缓存了文件n的其他用户的概率,qd(p)为步骤2.2时的成功传输概率,qb(p)为步骤2.3时的成功传输概率。最后，以最大化成功传输概率为目标，优化无线异构网络中的新型缓存内容放置方法，具体为：建立优化模型：s.t.0≤pn≤1,n∈N优化缓存分布：通过将目标函数重写为拉格朗日函数形式，引入对偶因子，以消除等式约束；其中，定义η(t)和μ(t)为对偶因子；求解对拉格朗日函数的子优化问题使用梯度下降法来求解上述拉格朗日函数的最小值，并得到相应的使得拉格朗日函数得到最小的pn的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线异构网络中的新型缓存内容放置及内容缓存分布优化方法，其特征在于，先后包括第一步的缓存内容放置方法、第二步的内容缓存分布优化方法；第一步：将无线缓存下沉到无线网的边缘节点和用户端，所述边缘节点指基站，在网络负载较低的时候将用户可能请求的内容提前缓存到网络的边缘节点和用户端,建立相应的缓存配置方法；第二步：分析不同情况下的内容分发方式；同时利用随机几何知识推导成功传输概率表达式；最后以最大化成功传输概率为目标，优化缓存内容分布；以上两步最终实现分发给目标用户。

【技术特征摘要】
1.一种无线异构网络中的新型缓存内容放置及内容缓存分布优化方法，其特征在于，先后包括第一步的缓存内容放置方法、第二步的内容缓存分布优化方法；第一步：将无线缓存下沉到无线网的边缘节点和用户端，所述边缘节点指基站，在网络负载较低的时候将用户可能请求的内容提前缓存到网络的边缘节点和用户端,建立相应的缓存配置方法；第二步：分析不同情况下的内容分发方式；同时利用随机几何知识推导成功传输概率表达式；最后以最大化成功传输概率为目标，优化缓存内容分布；以上两步最终实现分发给目标用户。2.如权利要求1所述的无线异构网络中的新型缓存内容放置及内容缓存分布优化方法，其特征在于，第一步“缓存内容放置方法”，其系统模型分为基站与用户的分布模型的建立，缓存内容的建模，以及信道建模。3.如权利要求2所述的无线异构网络中的新型缓存内容放置及内容缓存分布优化方法，其特征在于，所述基站与用户的分布模型的建立：分配给基站、用户的总带宽分别是W'和W，相应的发送功率分别为PB和PD。4.如权利要求2所述的无线异构网络中的新型缓存内容放置及内容缓存分布优化方法，所述缓存内容的建模：假设所有文件都是独立的，且大小均为1，N@{1,2,...,N}代表文件N＞M的集合；文件流行度分布假设为a@(an)n∈N，其中，是每个用户随机地请求文件n∈N的概率，假设a1≥a2...≥aN；基站拥有所有用户请求的文件，而每个用户最多可以缓存M个文件；每个用户缓存文件n的概率为pn，满足：0≤pn≤1,n∈N内容缓存分布定义为p@(pn)n∈N。5.如权利要求2所述的无线异构网络中的新型缓存内容放置及内容缓存分布优化方法，所述信道建模：信道条件中，大尺度衰落则传输信号的衰减因子为D-α，其中D是传输距离，α＞2是路径损耗指数；小尺度衰落则考虑瑞利衰落，每个小尺度衰落信道为6.如权利要求1所述的无线异构网络中的新型缓存内容放置及内容缓存分布优化方法，所述分析不同情况下的内容分发方式，三种情况：2.1步骤、由...

【专利技术属性】
技术研发人员：王睿，李如昱，刘儿兀，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31