一种基于内容缓存和网络状态感知的业务迁移方法技术

本发明专利技术公开了一种基于内容缓存和网络状态感知的业务迁移方法，根据虚拟小区内用户群体的兴趣点以及虚拟小区内流量统计特征，将热点内容缓存至分布式部署的基站群，虚拟小区内的控制基站会对基站群进行资源管理，通过感知缓存内容信息和基站的传输速率，比较当前向用户服务的服务基站和虚拟小区内其他基站的传输时延，判断当前用户服务是否需要进行业务迁移。控制基站能够实现基于业务请求、当前网络状态信息和内容感知的迁移决策，具有内容缓存的各个基站依照控制基站下发的迁移决策结果进行业务迁移。其目的为，降低整个网络用户访问内容的请求时延，且有效地避免了大量的跨网数据流量、降低网络运营成本提升了整体网络的服务性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于内容缓存和网络状态感知的业务迁移方法
本专利技术是以超密集无线网络在5G通信系统中的大规模应用为背景，涉及一种基于热点内容缓存和网络状态感知的业务迁移优化方法，属于无线通信

技术介绍
随着目前对5G通信系统的研究，网络体系架构在不断扁平化，核心网下沉和业务靠近用户已经是趋势所在。其中，内容缓存技术将内容文件缓存到核心网络内部、边缘网关、小基站等，即将被访问实体从互联网中的原始服务器或者内容分发网络(ContentDistributionNetwork，CDN)上转移到离移动用户更近的网络节点上，从而成为有效地降低网络延迟同时避免了大量的跨网数据流量、降低网络运营成本，这使得靠近用户的内容缓存具有很大的必要性；另一方面，在线视频服务涉及的网络数据实体具有自身的特殊性，如视频文件属于静态数据、文件被访问次数具有一定的聚合性，从而使得在线视频文件也具备被缓存的可能性。与此同时，特别注意到3GPP提出的标准中，3GPPTS23.401协议明确提出在本地IP接入(LocalIPAccess，LIPA)架构下，小基站和本地网关(LocalGateway，LGW)合设，热点内容可存储在本地网关中，这为小基站存储内容提供了可行性。因此，小基站具有提供大量内容文件缓存的硬件条件。而小基站的地域特征也在一定程度上与内容文件被访问频率相吻合，从进一步为内容缓存的有效性创造了空间。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是提供一种基于热点内容缓存和网络状态感知的业务迁移优化方法。该方法针对协作式缓存系统的业务迁移问题，提出一种将内容缓存和网络状况统一优化模型，在内容缓存的基础上，根据当前虚拟小区内基站的网络状况，如传输速率、传输带宽等，业务迁移准则为用户提供网络状况最佳、传输时延最小的服务基站，实现用户业务迁移。技术方案：针对移动通信网络面临的容量瓶颈、用户业务体验问题，可以在超密集网络的小基站中分布式缓存一些热点内容，利用通信、计算和存储资源协同优化，既可以减小回传网的压力，又可以减小业务的端到端时延和网络通信流量，从而提升通信网络性能。本专利技术提出了一种基于内容缓存和网络状态感知的业务迁移方法。根据虚拟小区内用户群体的兴趣点以及虚拟小区内流量统计特征，将热点内容缓存至分布式部署的基站群，虚拟小区内的控制基站会对基站群进行资源管理，通过感知缓存内容信息和基站的传输速率，比较当前向用户服务的服务基站和虚拟小区内其他基站的传输时延，判断当前用户服务是否需要进行业务迁移。控制基站能够实现基于业务请求、当前网络状态信息和内容感知的迁移决策，具有内容缓存的各个基站依照控制基站下发的迁移决策结果进行业务迁移，实现了控制平面与数据平面的分离。其目的为，降低整个网络用户访问内容的请求时延，实现无线资源的负载均衡，并且有效地避免了大量的跨网数据流量、降低网络运营成本提升了整体网络的服务性能。本专利技术的基于内容缓存和网络状态感知的业务迁移方法，包括以下步骤：1)系统内容库将缓存在虚拟小区内基站的内容文件按照Zipf定律分布部署到不同位置，使得虚拟小区内的基站缓存尽可能多高访问率的内容文件，具体流程为：设一个虚拟小区内传输基站存储内容集合为S，更新周期为T，这里的更新周期是指具有缓存能力的传输基站缓存内容的更新时间，在一个更新周期T，传输基站记录内容访问率，根据访问频率按非增方式排序内容访问率服从Zipf定律分布f(i)，解出满足其中为访问频率因子，得到：定义I≤|S|，I表示为热点内容文件的数目，热点内容集合a为缓存访问率排名前I的内容集合，内容集合b为缓存普通内容；2)对所述步骤1)中得到的热点内容集合a和普通内容集合b，在更新周期内，将热点内容集合a分布式地缓存在虚拟小区内的基站中，而内容服务器侧缓存了内容集合a和b；3)对所述步骤2)中得到了虚拟小区内用户群体的兴趣内容和缓存分布位置，具备协作式缓存的网络中，用户请求内容命中包括以下情况：3-a)本地命中：当前服务基站上缓存有该被请求内容文件的副本；3-b)服务器命中：该请求不是本地命中，则需要通过Internet向内容服务器发送请求；4)对所述步骤3)中得到了用户请求内容命中位置，其中本地命中率与服务器命中率为：4-a)用户请求的内容i在基站j命中，本地命中率为其中αj表示基站j具备缓存内容能力，表示内容i是否被缓存在基站j处；4-b)用户请求的内容i在服务器命中，服务器命中率为其中表示内容i是否属于内容服务器命中；5)用户请求所产生的传输时延主要分为两个过程，分别是基站到用户的时延和内容服务器到基站的时延。时延表示基站j为用户传输内容i时的总传输时延，基站时延表示基站j为用户传输内容i时的传输时延，时延表示服务器为基站j传输内容i时的传输时延；6)对所述步骤5)中得到了用户请求所产生的传输时延，具体表示如下：6-a)用户所请求的内容在基站端无缓存时，那么被访问的基站需要向内容服务器发起请求。此时，对于用户的内容请求时延为：6-b)用户请求的为普通内容时，基站所存储的内容库中没有，因此基站需要向内容服务器请求内容。此时，对于用户的内容请求时延为：6-c)用户请求的为热点内容，基站能满足用户的需求。此时，对于用户的内容请求时延为：6-d)对所述步骤6)中a)b)c)三种不同时延情况，其中a)和b)时延表示相同，可把这两种情况视为一种，因此对于用户所请求内容产生的总传输时延为：7)对所述步骤6)中得到了用户请求内容所产生的传输时延，基站时延表示为内容服务器产生时延表示为其中si表示内容i文件大小，Rj表示基站j传输速率，Dserver表示单位数据量服务器命中时延；8)服务基站的网络图模型表示为G＝(N0,E,D)，其中，N0表示服务基站j所在虚拟小区内其他具有缓存内容的传输基站(候选目标集合)，E表示当前服务基站j迁移至候选目标集合中基站的路径集合，D表示选择不同目标基站的不同路径时所产生的时延；9)对所述步骤8)中得到了虚拟小区内服务基站传输时延网络图，用户请求内容对系统的传输时延为：其中表示用户当前服务基站时延，表示用户迁移至基站k的传输时延，σjk表示为用户迁移指示符，βi表示为用户请求内容i类别；10)从系统的内容存放和基站网络状态角度考虑，提出判断用户发生迁移的准则，具体准则如下：10-a)迁移目标候选集合内存在基站，满足传输速率比当前服务基站传输速率大；其中，R0为基站的最小传输速率；10-b)迁移目标候选集合内存在基站，满足缓存的内容是当前服务基站不具备的；11)对所述步骤10)中得到了业务迁移判别准则，在更新周期内，若当前服务基站j传输时延大于候选目标集合中基站k传输时延，则满足用户业务迁移准则，若当前服务基站j小于候选目标集合中基站k传输时延，但基站j无内容i缓存，则满足用户迁移准则。有益效果本专利技术针对协作式缓存系统的业务迁移问题，提出一种将内容缓存和网络状况统一优化模型，在内容缓存的基础上，根据当前虚拟小区内基站的网络状况，如传输速率、传输带宽等，业务迁移机制为用户提供网络状况最佳、传输时延最小的服务基站。MATLAB仿真结果表明在内容缓存网络下，利用业务迁移策略可以有效降低网络系统的总时延；同时，也可以降低系统的网间流量费用。附图说明图1为本专利技术的框本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于内容缓存和网络状态感知的业务迁移方法，其特征在于，包括以下步骤：1)系统内容库将缓存在虚拟小区内基站的内容文件按照Zipf定律分布部署到不同位置，使得虚拟小区内的基站缓存尽可能多高访问率的内容文件，具体流程为：设一个虚拟小区内传输基站存储内容集合为S，更新周期为T，这里的更新周期是指具有缓存能力的传输基站缓存内容的更新时间，在一个更新周期T，传输基站记录内容访问率，根据访问频率按非增方式排序

【技术特征摘要】
1.一种基于内容缓存和网络状态感知的业务迁移方法，其特征在于，包括以下步骤：1)系统内容库将缓存在虚拟小区内基站的内容文件按照Zipf定律分布部署到不同位置，使得虚拟小区内的基站缓存尽可能多高访问率的内容文件，具体流程为：设一个虚拟小区内传输基站存储内容集合为S，更新周期为T，这里的更新周期是指具有缓存能力的传输基站缓存内容的更新时间，在一个更新周期T，传输基站记录内容访问率，根据访问频率按非增方式排序内容访问率服从Zipf定律分布f(i)，解出满足其中为访问频率因子，得到：定义I≤|S|，I表示为热点内容文件的数目，热点内容集合a为缓存访问率排名前I的内容集合，内容集合b为缓存普通内容；2)对所述步骤1)中得到的热点内容集合a和普通内容集合b，在更新周期内，将热点内容集合a分布式地缓存在虚拟小区内的基站中，而内容服务器侧缓存了内容集合a和b；3)对所述步骤2)中得到了虚拟小区内用户群体的兴趣内容和缓存分布位置，具备协作式缓存的网络中，用户请求内容命中包括以下情况：3-a)本地命中：当前服务基站上缓存有该被请求内容文件的副本；3-b)服务器命中：该请求不是本地命中，则需要通过Internet向内容服务器发送请求；4)对所述步骤3)中得到了用户请求内容命中位置，其中本地命中率与服务器命中率为：4-a)用户请求的内容i在基站j命中，本地命中率为其中αj表示基站j具备缓存内容能力，表示内容i是否被缓存在基站j处；4-b)用户请求的内容i在服务器命中，服务器命中率为其中表示内容i是否属于内容服务器命中；5)用户请求所产生的传输时延主要分为两个过程，分别是基站到用户的时延和内容服务器到基站的时延；时延表示基站j为用户传输内容i时的总传输时延，基站时延表示基站j为用户传输内容i时的传输时延，时延表示服务器为基站j传输内容i时的传输时延；6)对所述步骤5)中得到了用户请求所产生的传输时延，具体表示如下：6-a)用户所请求的内容在基站端无缓存时，那么被...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晓荣，周辰骏，巩晓迪，沈瑶，李嘉琪，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32