基于缓存流行内容的蜂窝下行链路网络能效优化系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于缓存流行内容的蜂窝下行链路网络能效优化系统及方法，采用分布式缓存方法将流行度不同的内容缓存在基站，蜂窝网络分为SGW、BS、UE。SGW缓存BS请求的文件，各BS有可缓存Nc个内容的缓存设备，通过容量为Cbh的回程链路与SGW相连，当用户请求的文件缓存在本地基站，基站直接获取该文件传输给用户；否则通过回程链路从SGW中获取该文件传输给用户。流行内容是在时间T0内用户请求次数较多的内容，下行链路能效增益是整个下行链路网络中发送的比特数与消耗的功率的比率。分布式缓存是4个相邻的基站缓存不同的内容，每个用户请求内容时，选择缓存该内容的最近的基站相连接，这种方法减少了基站内容的冗余，同时增加缓存命中率。

【技术实现步骤摘要】
基于缓存流行内容的蜂窝下行链路网络能效优化系统及方法
本专利技术属于移动网络
，具体涉及一种基于缓存流行内容的蜂窝下行链路网络能效优化系统及方法，尤其是5G蜂窝网络中一种基于缓存流行内容的蜂窝下行链路网络能效优化方法，主要应用于具有爆炸性吞吐量需求的第五代移动通信网络中，该方法保证了用户服务质量与流量负载，提高了无线移动网络的能量效益，同时也减少二氧化碳的排放。
技术介绍
随着智能终端、平板电脑和社交网络等的兴起，移动业务需求将爆炸性增长，无线数据流量和信令对移动通信网络带来了前所未有的冲击。据国际电信联盟预测，到2020年，移动通信网络的数据业务容量需求将达到4G商用网络的1000倍。4G技术难以满足移动通信技术的发展需求。此外，目前已经有智能电网、无人驾驶汽车等研究。因此，随着物联网的快速发展，移动通信除了解决目前的人与人的通信，还需要解决人与物，物与物的通信。总之，未来移动通信不但需要适应多用户多基站的超密集无线通信，还需要适应多样化的移动业务和场景。针对上述需求，第五代移动通信系统(5G)的研发工作已经处于测试阶段。虽然5G系统及关键技术的研究已经逐步展开，但是目前关于5G系统的核心技术，特别是超密集异构网络、自组织组网、内容分发网络等核心技术的演进仍然未能得到学术界及产业界清晰一致的认识。为了实现未来移动通信网络中1000倍的数据业务容量需求，目前研究思路主要从无线传输、频谱资源、网络架构三个方面解决问题。其中未来的网络架构主要包含以下几个特征：超密集异构网络融合、覆盖区域不同的异构小区(覆盖范围重叠)、多种类型接入网络。虽然这些技术可以使容量增长，但是也为移动通信网络带来了新的技术挑战。由于无线网络虚拟化设计中需要考虑信道的干扰性、不确定性、功率控制、信道开销等问题，使得无线网络比有线网络更加复杂，因此不能直接将有线网络的虚拟化技术应用于无线虚拟化网络中。因此，实现无线虚拟化网络，同时将通信、存储资源等融合起来，可以提高频谱效益和能耗效益。无线虚拟化技术已经成为未来网络的重要发展方向。为了满足对吞吐量的爆炸性要求，支持可持续发展和减少全球二氧化碳排放，能源效率(EE)已经成为第5代蜂窝网络的主要性能指标。网络的EE可以从引入新的网络框架，优化网络部署和资源分配等方面进行提升。从最近的研究中可以观察到，许多流行内容的重复下载产生了大部分移动多媒体业务流。这反映了网络从传统的发射机—接收机通信到内容传播的主要目标的转变。另一方面，当今的存储设备的存储容量也快速增长。因此，基站(BS)的高速缓存设备提供了一种有前途的方法来释放蜂窝网络的潜力。缓存技术是改善许多有线网络领域的性能的技术，如以内容为中心的网络(CCN)。在蜂窝网络中，缓存流行内容在网络边缘可以减少回程成本、访问延迟和能量消耗，并提高吞吐量。根据之前的研究可以注意到回程成为小型网络(SCN)(如：5G的超密集网络(UDN))中的瓶颈，而磁盘大小以相对较低的成本快速增长，面对这种情况可以通过缓存设备来替代回程链路缓存在BS。对于高度偏斜的需求，高速缓存应该被推到边缘，如蜂窝网络的SGW或BS。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种基于缓存流行内容的蜂窝下行链路网络能效优化系统及方法，应用于具有爆炸性吞吐量需求的第五代移动通信网络中，保证用户服务质量与流量负载，提高无线移动网络的能量效益，同时减少二氧化碳的排放。通过引入在基站中采用分布式缓存流行内容的方法，在实现无线网络的下行发送速率、用户服务质量、无线网络能效等方面都有和大的提升。一种基于缓存流行内容的蜂窝下行链路网络能效优化系统，蜂窝下行链路网络中，根据内容流行程度将内容进行分级，并采用分布式缓存策略把不同内容存放在不同基站的高速缓存中；蜂窝下行链路网络分为三层：核心网络即SGW、基站即BS、用户即UE，SGW缓存所有BS请求的文件，每个BS有能缓存Nc个内容的缓存设备，通过容量为Cbh的回程链路与SGW相连，通过无线链路与UE相连；所述的根据内容流行程度将内容进行分级，即根据移动用户对内容的请求频率、访问次数和内容更新的时间，对内容进行流行程度分析，划分为不同的流行程度级别。上述的基于缓存流行内容的蜂窝下行链路网络能效优化系统的方法，当用户请求的文件缓存在本地基站中，则基站从缓存设备中直接获取该文件传输给用户，称为缓存命中用户；否则，基站将通过回程链路从SGW中获取该文件然后传输给用户，称为缓存未命中用户；所述本地基站是指每个用户与最近的基站相连接；通过传输过程中涉及的若干参数，对下行链路能效增益进行优化，所述的下行链路能效增益是指发送的比特数与消耗的功率的比率，所述参数包括：总的内容目录Ff、用户请求内容的缓存命中率H、用户请求内容的平均吞吐量R、基于用户分布的基站休眠率Ps、回程链路产生的功率消耗P4、缓存流行内容的功率消耗P3、休眠和活跃模式下基站的平均电路功耗为Pt、休眠和活跃模式下基站的平均发射功耗Pc；引入缓存容量η＝Nc/Ff，具体包括以下步骤：步骤1：根据用户的泊松点过程的分布，估算每个小区用户数；步骤2：根据Zipf-link分布实现流行度分布；步骤3：根据内容流行度分布，考虑用户请求内容的缓存命中率H；步骤4：设计一个分布式缓存策略，提高缓存命中率H；步骤5：根据用户的泊松分布，设计各个基站的休眠模式；步骤6：根据内容流行度分布，考虑用户请求内容的平均吞吐量R；步骤7：讨论休眠和活跃模式下基站的平均电路功耗Pt，休眠和活跃模式下基站的平均发射功耗Pc；步骤8：根据缓存设备和回程设备，计算缓存流行内容的功率消耗P3和回程链路产生的功率消耗P4；步骤9：优化缓存容量，实现最佳缓存容量下的最大能效，平均总功耗为所述的下行链路能效增益相当于网络平均吞吐量R与基站平均总功耗的比率：求解并优化问题maxη∈(0,1)EE(η)，η表示缓存容量；当η＝η0时，能量效益最大。进一步的，所述步骤2的具体方法为：对内容进行流行度分级，缓存流行的内容，采取Zipf-like分布模型，定义内容流行度为：其中，Ff＝{1,…,Ff}代表的是整个内容目录，f表示用户请求第f个内容，δ的值在0.5-1.0之间；所述步骤3的具体方法为：根据内容流行度的分布模型，定义缓存命中率为：其中表示缓存容量，Nc是每个基站缓存的大小，Ff＝{1,…,Ff}代表的是整个内容目录，f表示用户请求第f个内容，δ的值在0.5-1.0之间。进一步的，所述步骤4中，所述的分布式缓存策略是在蜂窝下行链路网络中，将基站分为a、b、c、d四类，彼此相邻的各个基站缓存不同的内容，其中，a类基站缓存第4、8、4Nc的流行内容，b类基站缓存第3、7、4Nc-1的流行内容，c类基站缓存第2、6、4Nc-2的流行内容，d类基站缓存第1、5、4Nc-3的流行内容，Nc是每个基站缓存的大小。进一步的，所述步骤5的具体方法为：基于用户分布的基站休眠率，即为了降低能耗和避免基站间干扰，设定BS休眠范围时间内，一旦没有用户服务，则BS变成休眠模式，否则BS以活跃模式运行；根据用户的分布，BS休眠率为：其中，λu表示用户采用泊松分布的密度，小区内有Nb个基站数目。进一步的，所述步骤6的具体方法为：用户本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于缓存流行内容的蜂窝下行链路网络能效优化系统，其特征在于：蜂窝下行链路网络中，根据内容流行程度将内容进行分级，并采用分布式缓存策略把不同内容存放在不同基站的高速缓存中；蜂窝下行链路网络分为三层：核心网络即SGW、基站即BS、用户即UE，SGW缓存所有BS请求的文件，每个BS有能缓存Nc个内容的缓存设备，通过容量为Cbh的回程链路与SGW相连，通过无线链路与UE相连；所述的根据内容流行程度将内容进行分级，即根据移动用户对内容的请求频率、访问次数和内容更新的时间，对内容进行流行程度分析，划分为不同的流行程度级别。

【技术特征摘要】
1.一种基于缓存流行内容的蜂窝下行链路网络能效优化系统，其特征在于：蜂窝下行链路网络中，根据内容流行程度将内容进行分级，并采用分布式缓存策略把不同内容存放在不同基站的高速缓存中；蜂窝下行链路网络分为三层：核心网络即SGW、基站即BS、用户即UE，SGW缓存所有BS请求的文件，每个BS有能缓存Nc个内容的缓存设备，通过容量为Cbh的回程链路与SGW相连，通过无线链路与UE相连；所述的根据内容流行程度将内容进行分级，即根据移动用户对内容的请求频率、访问次数和内容更新的时间，对内容进行流行程度分析，划分为不同的流行程度级别。2.根据权利要求1所述的基于缓存流行内容的蜂窝下行链路网络能效优化系统的方法，其特征在于：当用户请求的文件缓存在本地基站中，则基站从缓存设备中直接获取该文件传输给用户，称为缓存命中用户；否则，基站将通过回程链路从SGW中获取该文件然后传输给用户，称为缓存未命中用户；所述本地基站是指每个用户与最近的基站相连接；通过传输过程中涉及的若干参数，对下行链路能效增益进行优化，所述的下行链路能效增益是指发送的比特数与消耗的功率的比率，所述参数包括：总的内容目录Ff、用户请求内容的缓存命中率H、用户请求内容的平均吞吐量R、基于用户分布的基站休眠率Ps、回程链路产生的功率消耗P4、缓存流行内容的功率消耗P3、休眠和活跃模式下基站的平均电路功耗为Pt、休眠和活跃模式下基站的平均发射功耗Pc；引入缓存容量η＝Nc/Ff，具体包括以下步骤：步骤1：根据用户的泊松点过程的分布，估算每个小区用户数；步骤2：根据Zipf-link分布实现流行度分布；步骤3：根据内容流行度分布，考虑用户请求内容的缓存命中率H；步骤4：设计一个分布式缓存策略，提高缓存命中率H；步骤5：根据用户的泊松分布，设计各个基站的休眠模式；步骤6：根据内容流行度分布，考虑用户请求内容的平均吞吐量R；步骤7：讨论休眠和活跃模式下基站的平均电路功耗Pt，休眠和活跃模式下基站的平均发射功耗Pc；步骤8：根据缓存设备和回程设备，计算缓存流行内容的功率消耗P3和回程链路产生的功率消耗P4；步骤9：优化缓存容量，实现最佳缓存容量下的最大能效，平均总功耗为所述的下行链路能效增益相当于网络平均吞吐量R与基站平均总功耗的比率：求解并优化问题maxη∈(0,1)EE(η)，η表示缓存容量；当η＝η0时，能量效益最大。3.根据权利要求2所述的基于缓存流行内容的蜂窝下行链路网络能效优化系统的方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：对内容进行流行度分级，缓存流行的内容，采取Zipf-like分布模型，定义内容流行度为：其中，Ff＝{1,…,Ff}代表的是整个内容目录，f表示用户请求第f个内容，δ的值在0.5-1.0之间；所述步骤3的具体方法为：根据内容流行度的分布模型，定义缓存命中率为：其中表示缓存容量，Nc是每个基站缓存的大小，Ff＝{1,…,Ff}代表的是整个内容目录，f表示用户请求第f个内容，δ的值在0.5-1.0之间。4.根据权利要求2所述的基于缓存流行内容的蜂窝下行链路网络能效优化系统的方法，其特征在于：所述步骤4中，所述的分布式缓存策略是在蜂窝下行链路网络中，将基站分为a、b、c、d四类，彼此相邻的各个基站缓存不同的内容，其中，a类基站缓存第4、8、4Nc的流行内容，b类基站缓存第3、7、4Nc-1的流行内容，c类基站缓存第2、6、4Nc-2的流行内容，d类基站缓存第1、5、4Nc-3的流行内容，Nc是每个基站缓存的大小。5.根据权利要求2所述的基于缓存流行内容的蜂窝下行链路网络能效优化系统的方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：嵇介曲，朱琨，王然，代陈，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32