一种用于认知无线电网络中的无线缓存分配方法组成比例

本发明专利技术涉及一种用于认知无线电网络中的无线缓存分配方法，包括：根据协作认知无线电网络系统需求进行目标参数设置；根据主用户受欢迎文件特性，采用基于阈值的文件缓存方式，其中主用户文件库为F，每个次基站具有有限缓存空间C，文件流行度服从Zipf分布；采用基于阈值的文件缓存模型；通过缓存协作方式在优化带宽和功率分配基础上达到次用户最低需求成功传输概率基础上实现次用户占用带以及功率下获得的平均成功传输概率最大化，构建数学优化问题；通过利用二级二分算法从而得到最佳带宽和功率分配方案。

【技术实现步骤摘要】
一种用于认知无线电网络中的无线缓存分配方法
本专利技术属于5G移动无线通信领域，更具体的涉及在认知无线电网络中利用无线缓存技术提前在网络空闲时段存储用户需求内容，提高认知无线电网络的频谱利用率，使得主，次网络达到双赢状态。技术背景近年来随着物联网、移动互联网和云计算等网络技术的飞速发展，个性化、宽带化和数据海量化已经成为互联网发展的主要关注点。新型无线服务应用涌现出，网页浏览、视频、社交娱乐等促使数据流量急剧增长。千倍流量增长和海量连接设备急迫需要，建立大容量、全覆盖和智能化的无线移动通信网络。为了实现上述目标，需增加信号传输的频谱带宽。然而，当今社会频率资源是极度缺乏，弥足珍贵。因此，需要更加有效的使用现有频谱资源。认知无线电是由软件无线电发展而来的具有潜力解决5G网络频谱资源短缺的新兴技术。其主要思想是：具有频谱感知功能的次用户，在不对主用户产生干扰的情况下，动态地使用授权的主用户在空闲状态时的频谱空洞，使得频谱重复利用，提高无线频谱的利用率。尽管认知无线电技术可有效改善频谱短缺，频谱利用率低的问题，但在实际的通信网络中，由于信道衰落使得通信环境较差，及有可能出现通信盲区，导致用户传输速率无法满足等情况。为了提高认知无线电网路中主、次用户网络成功传输概率，使得两个系统达到双赢效果。这就要求主、次系统要相互协作，其基本思想是：次基站协助主基站服务于主用户得以提升主用户文件传输概率，这种情况下次基站将获得部分主用户所释放的授权带宽用于次用户自身数据传输。基于认知无线电中信息和能量协作方法较为广泛研究，并且取得较好的效果，但是由于认知无线电网络中能量有限，时延较长，传输信道特性考虑不周全，因此，协作认知无线电网络仍然是当前研究的热点。随着存储技术的发展，提出了一种新的协作认知无线电网络的解决方案，其主要思想就是将主用户受欢迎的视频等文件在流量非高峰期提前缓存到距离较近的次基站中，当主用户有请求文件时，相应次基站可以直接将文件传输给主用户，这样降低了回程链路以及传输时延，同时增大了次用户接入主用户授权频段的机会，从而有利于次用户的文件传输。
技术实现思路
本专利技术旨在提出一种用于认知无线电网络中的无线缓存分配方法，该分配方法是一种在认知无线电网络中基于文件成功传输概率的缓存分配方案，在满足主用户成功传输文件概率下，通过优化占用授权带宽以及功率，达到次用户请求文件成功传输概率的最大化，可以有效的提高认知无线电网络中主网络和认知网络的系统性能。本专利技术为实现上述目标，采用了如下的技术方案：一种用于认知无线电网络中的无线缓存分配方法，运行在具有主基站，主用户构成的主网络以及认知基站，次用户构成的认知网络中，主用户包括一个，次级用户有N个，其特征在于包括以下步骤：第一步：根据协作认知无线电网络系统需求进行目标参数设置，包括主用户文件成功传输概率pl,主用户的授权带宽W，主基站最大传输功率Pp，次基站最大传输功率Ps；第二步：根据主用户受欢迎文件特性，采用基于阈值的文件缓存方式，其中主用户文件库为F，每个次基站具有有限缓存空间C，文件流行度服从Zipf分布；第三步：采用基于阈值的文件缓存模型，缓存文件分为三种，第一种对于最受欢迎的m个文件，在N个次基站中都要缓存m个文件；对于次流行文件则在每个次基站中对应缓存一部分次流行文件；对于未缓存的主用户文件直接通过主基站中的回传链路获得；对于次用户，不考虑次基站对于次用户文件缓存，次用户获得数据需通过回传链路直接从次基站中直接获取；第四步：通过缓存协作方式在优化带宽和功率分配基础上达到次用户最低需求成功传输概率基础上实现次用户占用带以及功率下获得的平均成功传输概率最大化，构建数学优化问题；第五步：通过利用二级二分算法从而得到最佳带宽和功率分配方案。本专利技术所提出无线缓存分配方案，根据文件流行度，能够折中主用户缓存文件的复用性以及多样性，在满足主用户文件成功传输概率的同时最大化作用于次用户的授权带宽和发射功率，从而提高了次用户信息成功传输速率，在认知无线电网络中使得主、次用户达到双赢。本专利技术对于授权带宽以及资源分配进行二分法计算，计算简单，能够快速获得在满足主用户文件的成功传输概率下的带宽和功率分配，因此能够快速获得最佳带宽和功率分配策略。附图说明图1是本专利技术的系统图；图2是本专利技术在不同次基站功率下次用户能够实现的成功传输概率以及与传统缓存方案下获得的次用户成功传输概率对比图。具体实施方式为使本专利技术的目标、技术方案及优点更加清楚明确，下面将结合附图对本专利技术实例进行详细地描述。传统的协作认知无线电网络是次基站通过多跳中继协助主用户信息传输，从而使得次用户获得更多接入主用户授权带宽的机会，忽略了多跳传输时延以及能量开销。对于无线缓存网络而言，对于请求的缓存文件而言，主用户可以直接从次基站中获得，降低传输时延并节约能量，提高了认知无线电网络的整体系统性能。本专利技术基于无线网络缓存提出了一种无线网络缓存协作下的资源分配方法，具体包括缓存分配以及带宽和功率资源优化分配。假设网络拓扑是半径为800m的圆形区域，1个主基站和3个次基站的位置固定，网络区域内主用户和次用户均匀分布在半径为200m的圆形区域内。所有基站和用户都使用单一天线，所有基站到用户信道的路径损耗因子α＝4，信道系数服从瑞丽分布，信道噪声为功率谱密度N0＝4×10^(-18)(W/Hz)的加性高斯白噪声。主基站的发送功率为3W，次基站的发送功率为25mW，主用户授权带宽为20MHz。主用户的请求速率Rp＝4Mbps，主用户阈值成功传输概率pl＝0.8，次用户请求速率为Rc＝1Mbps，次基站具备有限缓存容量C＝40，主用户文件流行度服从zipf分布，流行度系数γ＝1.2。本专利技术提出的用于认知无线电网络中的无线缓存分配方法步骤如下：第一步：采用基于阈值的缓存模型，将主用户请问文件库F＝200中的文件分为三种类型：第一类：假设有m个最流行文件全部缓存于3个次基站中，其中m是需要优化的缓存分配变量；第二类：不同的次基站使用剩余空间缓存m+1～3*(C-m)+m的次流行文件，具体指SBS1缓存m+1～C次流行文件，SBS2缓存C+1～2C-m次流行文件，SBS3缓存2C-m+1～3C-m种次流行文件；第三类：对于剩余低流行度文件3C-m+1～F，没有缓存于任何次基站中，通过主基站PBS直接获得。第二步：根据基于阈值的文件缓存模型，确定了主用户请求各类主文件对应传输模型以及文件成功传输概率。由于各次基站采用正交频分复用方式接入带宽，因此各个基站之间不考虑干扰，从而可得次基站到主用户之间链路的SNR以及信道容量，以次基站j到主用户为例，其链路的SNR为：其中σ2＝N0w表示噪声功率，β表示次基站用于传输主用户文件功率分配比例。文件传输速率为Rj＝wlog(1+SNRj)，文件成功传输概率表示为：文件传输速率大于等于主用户请求文件的需求速率Rc，即Rj≥Rc。对于不同类型的缓存文件，存在与它对应的文件传输模型。第一类：对于缓存于所有次基站的m个最流行文件，3个次基站将通过协作波束赋型方式传输，文件成功传输概率为：第二类：对于只缓存于一个次基站中的次流行文件，通过对应的缓存该文件的次基站直接获得，文件成功传输概率为：pj＝Pr(wlog本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于认知无线电网络中的无线缓存分配方法，运行在具有主基站，主用户构成的主网络以及认知基站，次用户构成的认知网络中，主用户包括一个，次级用户有N个。其特征在于包括以下步骤：第一步：根据协作认知无线电网络系统需求进行目标参数设置，包括主用户文件成功传输概率pl,主用户的授权带宽W，主基站最大传输功率Pp，次基站最大传输功率Ps；第二步：根据主用户受欢迎文件特性，采用基于阈值的文件缓存方式，其中主用户文件库为F，每个次基站具有有限缓存空间C，文件流行度服从Zipf分布；第三步：采用基于阈值的文件缓存模型，缓存文件分为三种，第一种对于最受欢迎的m个文件，在N个次基站中都要缓存m个文件；对于次流行文件则在每个次基站中对应缓存一部分次流行文件；对于未缓存的主用户文件直接通过主基站中的回传链路获得；对于次用户，不考虑次基站对于次用户文件缓存，次用户获得数据需通过回传链路直接从次基站中直接获取；第四步：通过缓存协作方式在优化带宽和功率分配基础上达到次用户最低需求成功传输概率基础上实现次用户占用带以及功率下获得的平均成功传输概率最大化，构建数学优化问题；第五步：通过利用二级二分算法从而得到最佳带宽和功率分配方案。...

【技术特征摘要】
1.一种用于认知无线电网络中的无线缓存分配方法，运行在具有主基站，主用户构成的主网络以及认知基站，次用户构成的认知网络中，主用户包括一个，次级用户有N个。其特征在于包括以下步骤：第一步：根据协作认知无线电网络系统需求进行目标参数设置，包括主用户文件成功传输概率pl,主用户的授权带宽W，主基站最大传输功率Pp，次基站最大传输功率Ps；第二步：根据主用户受欢迎文件特性，采用基于阈值的文件缓存方式，其中主用户文件库为F，每个次基站具有有限缓存空间C，文件流行度服从Zipf分布；第三步：采用基于阈值的文件缓存模...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨嘉琛，徐慧芳，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12