本發(fā)明是以超密集無線網(wǎng)絡(luò)在5G通信系統(tǒng)中的大規(guī)模應(yīng)用為背景，涉及一種基于熱點內(nèi)容緩存和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知的業(yè)務(wù)遷移優(yōu)化方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著目前對5G通信系統(tǒng)的研究，網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)在不斷扁平化，核心網(wǎng)下沉和業(yè)務(wù)靠近用戶已經(jīng)是趨勢所在。其中，內(nèi)容緩存技術(shù)將內(nèi)容文件緩存到核心網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部、邊緣網(wǎng)關(guān)、小基站等，即將被訪問實體從互聯(lián)網(wǎng)中的原始服務(wù)器或者內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(Content Distribution Network，CDN)上轉(zhuǎn)移到離移動用戶更近的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上，從而成為有效地降低網(wǎng)絡(luò)延遲同時避免了大量的跨網(wǎng)數(shù)據(jù)流量、降低網(wǎng)絡(luò)運營成本，這使得靠近用戶的內(nèi)容緩存具有很大的必要性；另一方面，在線視頻服務(wù)涉及的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實體具有自身的特殊性，如視頻文件屬于靜態(tài)數(shù)據(jù)、文件被訪問次數(shù)具有一定的聚合性，從而使得在線視頻文件也具備被緩存的可能性。與此同時，特別注意到3GPP提出的標(biāo)準(zhǔn)中，3GPP TS 23.401協(xié)議明確提出在本地IP接入(Local IP Access，LIPA)架構(gòu)下，小基站和本地網(wǎng)關(guān)(Local Gateway，LGW)合設(shè)，熱點內(nèi)容可存儲在本地網(wǎng)關(guān)中，這為小基站存儲內(nèi)容提供了可行性。因此，小基站具有提供大量內(nèi)容文件緩存的硬件條件。而小基站的地域特征也在一定程度上與內(nèi)容文件被訪問頻率相吻合，從進(jìn)一步為內(nèi)容緩存的有效性創(chuàng)造了空間。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種基于熱點內(nèi)容緩存和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知的業(yè)務(wù)遷移優(yōu)化方法。該方法針對協(xié)作式緩存系統(tǒng)的業(yè)務(wù)遷移問題，提出一種將內(nèi)容緩存和網(wǎng)絡(luò)狀況統(tǒng)一優(yōu)化模型，在內(nèi)容緩存的基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)前虛擬小區(qū)內(nèi)基站的網(wǎng)絡(luò)狀況，如傳輸速率、傳輸帶寬等，業(yè)務(wù)遷移準(zhǔn)則為用戶提供網(wǎng)絡(luò)狀況最佳、傳輸時延最小的服務(wù)基站，實現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)遷移。

技術(shù)方案：針對移動通信網(wǎng)絡(luò)面臨的容量瓶頸、用戶業(yè)務(wù)體驗問題，可以在超密集網(wǎng)絡(luò)的小基站中分布式緩存一些熱點內(nèi)容，利用通信、計算和存儲資源協(xié)同優(yōu)化，既可以減小回傳網(wǎng)的壓力，又可以減小業(yè)務(wù)的端到端時延和網(wǎng)絡(luò)通信流量，從而提升通信網(wǎng)絡(luò)性能。

本發(fā)明提出了一種基于內(nèi)容緩存和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知的業(yè)務(wù)遷移方法。根據(jù)虛擬小區(qū)內(nèi)用戶群體的興趣點以及虛擬小區(qū)內(nèi)流量統(tǒng)計特征，將熱點內(nèi)容緩存至分布式部署的基站群，虛擬小區(qū)內(nèi)的控制基站會對基站群進(jìn)行資源管理，通過感知緩存內(nèi)容信息和基站的傳輸速率，比較當(dāng)前向用戶服務(wù)的服務(wù)基站和虛擬小區(qū)內(nèi)其他基站的傳輸時延，判斷當(dāng)前用戶服務(wù)是否需要進(jìn)行業(yè)務(wù)遷移?？刂苹灸軌?qū)崿F(xiàn)基于業(yè)務(wù)請求、當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息和內(nèi)容感知的遷移決策，具有內(nèi)容緩存的各個基站依照控制基站下發(fā)的遷移決策結(jié)果進(jìn)行業(yè)務(wù)遷移，實現(xiàn)了控制平面與數(shù)據(jù)平面的分離。其目的為，降低整個網(wǎng)絡(luò)用戶訪問內(nèi)容的請求時延，實現(xiàn)無線資源的負(fù)載均衡，并且有效地避免了大量的跨網(wǎng)數(shù)據(jù)流量、降低網(wǎng)絡(luò)運營成本提升了整體網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)性能。

本發(fā)明的基于內(nèi)容緩存和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知的業(yè)務(wù)遷移方法，包括以下步驟：

1)系統(tǒng)內(nèi)容庫將緩存在虛擬小區(qū)內(nèi)基站的內(nèi)容文件按照Zipf定律分布部署到不同位置，使得虛擬小區(qū)內(nèi)的基站緩存盡可能多高訪問率的內(nèi)容文件，具體流程為：

設(shè)一個虛擬小區(qū)內(nèi)傳輸基站存儲內(nèi)容集合為S，更新周期為T，這里的更新周期是指具有緩存能力的傳輸基站緩存內(nèi)容的更新時間，在一個更新周期T，傳輸基站記錄內(nèi)容訪問率，根據(jù)訪問頻率按非增方式排序內(nèi)容訪問率服從Zipf定律分布f(i)，解出滿足其中為訪問頻率因子，得到：

定義I≤|S|，I表示為熱點內(nèi)容文件的數(shù)目，熱點內(nèi)容集合a為緩存訪問率排名前I的內(nèi)容集合，內(nèi)容集合b為緩存普通內(nèi)容；

2)對所述步驟1)中得到的熱點內(nèi)容集合a和普通內(nèi)容集合b，在更新周期內(nèi)，將熱點內(nèi)容集合a分布式地緩存在虛擬小區(qū)內(nèi)的基站中，而內(nèi)容服務(wù)器側(cè)緩存了內(nèi)容集合a和b；

3)對所述步驟2)中得到了虛擬小區(qū)內(nèi)用戶群體的興趣內(nèi)容和緩存分布位置，具備協(xié)作式緩存的網(wǎng)絡(luò)中，用戶請求內(nèi)容命中包括以下情況：

3-a)本地命中：當(dāng)前服務(wù)基站上緩存有該被請求內(nèi)容文件的副本；

3-b)服務(wù)器命中：該請求不是本地命中，則需要通過Internet向內(nèi)容服務(wù)器發(fā)送請求；

4)對所述步驟3)中得到了用戶請求內(nèi)容命中位置，其中本地命中率與服務(wù)器命中率為：

4-a)用戶請求的內(nèi)容i在基站j命中，本地命中率為其中α_j表示基站j具備緩存內(nèi)容能力，表示內(nèi)容i是否被緩存在基站j處；

4-b)用戶請求的內(nèi)容i在服務(wù)器命中，服務(wù)器命中率為其中表示內(nèi)容i是否屬于內(nèi)容服務(wù)器命中；

5)用戶請求所產(chǎn)生的傳輸時延主要分為兩個過程，分別是基站到用戶的時延和內(nèi)容服務(wù)器到基站的時延。時延表示基站j為用戶傳輸內(nèi)容i時的總傳輸時延，基站時延表示基站j為用戶傳輸內(nèi)容i時的傳輸時延，時延表示服務(wù)器為基站j傳輸內(nèi)容i時的傳輸時延；

6)對所述步驟5)中得到了用戶請求所產(chǎn)生的傳輸時延，具體表示如下：

6-a)用戶所請求的內(nèi)容在基站端無緩存時，那么被訪問的基站需要向內(nèi)容服務(wù)器發(fā)起請求。此時，對于用戶的內(nèi)容請求時延為：

6-b)用戶請求的為普通內(nèi)容時，基站所存儲的內(nèi)容庫中沒有，因此基站需要向內(nèi)容服務(wù)器請求內(nèi)容。此時，對于用戶的內(nèi)容請求時延為：

6-c)用戶請求的為熱點內(nèi)容，基站能滿足用戶的需求。此時，對于用戶的內(nèi)容請求時延為：

6-d)對所述步驟6)中a)b)c)三種不同時延情況，其中a)和b)時延表示相同，可把這兩種情況視為一種，因此對于用戶所請求內(nèi)容產(chǎn)生的總傳輸時延為：

7)對所述步驟6)中得到了用戶請求內(nèi)容所產(chǎn)生的傳輸時延，基站時延表示為內(nèi)容服務(wù)器產(chǎn)生時延表示為其中s_i表示內(nèi)容i文件大小，R_j表示基站j傳輸速率，D_server表示單位數(shù)據(jù)量服務(wù)器命中時延；

8)服務(wù)基站的網(wǎng)絡(luò)圖模型表示為G＝(N₀,E,D)，其中，N₀表示服務(wù)基站j所在虛擬小區(qū)內(nèi)其他具有緩存內(nèi)容的傳輸基站(候選目標(biāo)集合)，E表示當(dāng)前服務(wù)基站j遷移至候選目標(biāo)集合中基站的路徑集合，D表示選擇不同目標(biāo)基站的不同路徑時所產(chǎn)生的時延；

9)對所述步驟8)中得到了虛擬小區(qū)內(nèi)服務(wù)基站傳輸時延網(wǎng)絡(luò)圖，用戶請求內(nèi)容對系統(tǒng)的傳輸時延為：其中表示用戶當(dāng)前服務(wù)基站時延，表示用戶遷移至基站k的傳輸時延，σ_jk表示為用戶遷移指示符，β_i表示為用戶請求內(nèi)容i類別；

10)從系統(tǒng)的內(nèi)容存放和基站網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)角度考慮，提出判斷用戶發(fā)生遷移的準(zhǔn)則，具體準(zhǔn)則如下：

10-a)遷移目標(biāo)候選集合內(nèi)存在基站，滿足傳輸速率比當(dāng)前服務(wù)基站傳輸速率大；

其中，R₀為基站的最小傳輸速率；

10-b)遷移目標(biāo)候選集合內(nèi)存在基站，滿足緩存的內(nèi)容是當(dāng)前服務(wù)基站不具備的；

11)對所述步驟10)中得到了業(yè)務(wù)遷移判別準(zhǔn)則，在更新周期內(nèi)，若當(dāng)前服務(wù)基站j傳輸時延大于候選目標(biāo)集合中基站k傳輸時延，則滿足用戶業(yè)務(wù)遷移準(zhǔn)則，若當(dāng)前服務(wù)基站j小于候選目標(biāo)集合中基站k傳輸時延，但基站j無內(nèi)容i緩存，則滿足用戶遷移準(zhǔn)則。

有益效果

本發(fā)明針對協(xié)作式緩存系統(tǒng)的業(yè)務(wù)遷移問題，提出一種將內(nèi)容緩存和網(wǎng)絡(luò)狀況統(tǒng)一優(yōu)化模型，在內(nèi)容緩存的基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)前虛擬小區(qū)內(nèi)基站的網(wǎng)絡(luò)狀況，如傳輸速率、傳輸帶寬等，業(yè)務(wù)遷移機(jī)制為用戶提供網(wǎng)絡(luò)狀況最佳、傳輸時延最小的服務(wù)基站。MATLAB仿真結(jié)果表明在內(nèi)容緩存網(wǎng)絡(luò)下，利用業(yè)務(wù)遷移策略可以有效降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總時延；同時，也可以降低系統(tǒng)的網(wǎng)間流量費用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的框架圖。

圖2為本發(fā)明的熱點內(nèi)容文件分布位置。

圖3為本發(fā)明的控制基站和基站關(guān)系圖。

圖4為本發(fā)明的控制基站功能模塊。

圖5為本發(fā)明的流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合實施例和說明書附圖對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。

如圖1所示，本發(fā)明的基于內(nèi)容緩存和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知的業(yè)務(wù)遷移方法包括以下步驟：

1)步驟101，系統(tǒng)內(nèi)容庫將緩存在虛擬小區(qū)內(nèi)基站的內(nèi)容文件按照Zipf定律分布部署到不同位置，使得虛擬小區(qū)內(nèi)的基站緩存盡可能多高訪問率的內(nèi)容文件，具體流程為：

設(shè)一個虛擬小區(qū)內(nèi)傳輸基站存儲內(nèi)容集合為S，更新周期為T，這里的更新周期是指具有緩存能力的傳輸基站緩存內(nèi)容的更新時間，在一個更新周期T，傳輸基站記錄內(nèi)容訪問率，根據(jù)訪問頻率按非增方式排序內(nèi)容訪問率服從Zipf定律分布f(i)，解出滿足其中為訪問頻率因子，得到：

定義I≤|S|，I表示為熱點內(nèi)容文件的數(shù)目，熱點內(nèi)容集合a為緩存訪問率排名前I的內(nèi)容集合，內(nèi)容集合b為緩存普通內(nèi)容。如圖2所示，201表示熱點內(nèi)容集合a，202表示普通內(nèi)容集合b，在更新周期內(nèi)，將熱點內(nèi)容集合a分布式地緩存在虛擬小區(qū)內(nèi)的基站中，而內(nèi)容服務(wù)器側(cè)緩存了內(nèi)容集合a和b；

2)步驟102，對所述步驟101中得到了虛擬小區(qū)內(nèi)用戶群體的興趣內(nèi)容和緩存分布位置，具備協(xié)作式緩存的網(wǎng)絡(luò)中，用戶請求內(nèi)容命中包括以下情況：

2-a)本地命中：當(dāng)前服務(wù)基站上緩存有該被請求內(nèi)容文件的副本；

2-b)服務(wù)器命中：該請求不是本地命中，則需要通過Internet向內(nèi)容服務(wù)器發(fā)送請求；

3)對所述步驟102中得到了用戶請求內(nèi)容命中位置，其中本地命中率與服務(wù)器命中率為：

3-a)用戶請求的內(nèi)容i在基站j命中，本地命中率為其中α_j表示基站j具備緩存內(nèi)容能力，表示內(nèi)容i是否被緩存在基站j處；

3-b)用戶請求的內(nèi)容i在服務(wù)器命中，服務(wù)器命中率為其中表示內(nèi)容i是否屬于內(nèi)容服務(wù)器命中；

4)步驟103，用戶請求所產(chǎn)生的傳輸時延主要分為兩個過程，分別是基站到用戶的時延和內(nèi)容服務(wù)器到基站的時延。時延表示基站j為用戶傳輸內(nèi)容i時的總傳輸時延，基站時延表示基站j為用戶傳輸內(nèi)容i時的傳輸時延，時延表示服務(wù)器為基站j傳輸內(nèi)容i時的傳輸時延；

5)對所述步驟103中得到了用戶請求所產(chǎn)生的傳輸時延，具體表示如下：

5-a)用戶所請求的內(nèi)容在基站端無緩存時，那么被訪問的基站需要向內(nèi)容服務(wù)器發(fā)起請求。此時，對于用戶的內(nèi)容請求時延為：

5-b)用戶請求的為普通內(nèi)容時，基站所存儲的內(nèi)容庫中沒有，因此基站需要向內(nèi)容服務(wù)器請求內(nèi)容。此時，對于用戶的內(nèi)容請求時延為：

5-c)用戶請求的為熱點內(nèi)容，基站能滿足用戶的需求。此時，對于用戶的內(nèi)容請求時延為：

5-d)對所述步驟5)中a)b)c)三種不同時延情況，其中a)和b)時延表示相同，可把這兩種情況視為一種，因此對于用戶所請求內(nèi)容產(chǎn)生的總傳輸時延為：

6)對所述步驟5)中得到了用戶請求內(nèi)容所產(chǎn)生的傳輸時延，基站時延表示為內(nèi)容服務(wù)器產(chǎn)生時延表示為其中s_i表示內(nèi)容i文件大小，R_j表示基站j傳輸速率，D_server表示單位數(shù)據(jù)量服務(wù)器命中時延；

7)服務(wù)基站的網(wǎng)絡(luò)圖模型表示為G＝(N₀,E,D)，其中，N₀表示服務(wù)基站j所在虛擬小區(qū)內(nèi)其他具有緩存內(nèi)容的傳輸基站(候選目標(biāo)集合)，E表示當(dāng)前服務(wù)基站j遷移至候選目標(biāo)集合中基站的路徑集合，D表示選擇不同目標(biāo)基站的不同路徑時所產(chǎn)生的時延；

8)對所述步驟7)中得到了虛擬小區(qū)內(nèi)服務(wù)基站傳輸時延網(wǎng)絡(luò)圖，用戶請求內(nèi)容對系統(tǒng)的傳輸時延為：其中表示用戶當(dāng)前服務(wù)基站時延，表示用戶遷移至基站k的傳輸時延，σ_jk表示為用戶遷移指示符，β_i表示為用戶請求內(nèi)容i類別；

9)步驟104，從系統(tǒng)的內(nèi)容存放和基站網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)角度考慮，提出判斷用戶發(fā)生遷移的準(zhǔn)則，具體準(zhǔn)則如下：

9-a)遷移目標(biāo)候選集合內(nèi)存在基站，滿足傳輸速率比當(dāng)前服務(wù)基站傳輸速率大；

其中，R₀為基站的最小傳輸速率；

9-b)遷移目標(biāo)候選集合內(nèi)存在基站，滿足緩存的內(nèi)容是當(dāng)前服務(wù)基站不具備的；

10)對所述步驟104中得到了業(yè)務(wù)遷移判別準(zhǔn)則，在更新周期內(nèi)，若當(dāng)前服務(wù)基站j傳輸時延大于候選目標(biāo)集合中基站k傳輸時延，則滿足用戶業(yè)務(wù)遷移準(zhǔn)則，若當(dāng)前服務(wù)基站j小于候選目標(biāo)集合中基站k傳輸時延，但基站j無內(nèi)容i緩存，則滿足用戶遷移準(zhǔn)則。

本發(fā)明提出一種基于內(nèi)容緩存和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知的業(yè)務(wù)遷移方法，如圖3所示，在無線接入網(wǎng)部分，密集部署了各種大小基站，其中有301控制基站、有已有內(nèi)容緩存的基站和無內(nèi)容緩存的基站。虛擬小區(qū)作為控制平面，每個虛擬小區(qū)里有一個本地集中控制基站，對該小區(qū)的基站進(jìn)行集中管控，完成統(tǒng)一的配置協(xié)調(diào)和作為虛擬連接錨點。301作為集中管理基站，需要與虛擬小區(qū)內(nèi)的基站群之間建立X2接口，用于配置信息的下發(fā)和基站網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的上報。

本發(fā)明提出一種基于內(nèi)容緩存和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知的業(yè)務(wù)遷移方法，虛擬小區(qū)內(nèi)的301會對基站群進(jìn)行資源管理，301能夠?qū)崿F(xiàn)基于業(yè)務(wù)請求、當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息和內(nèi)容感知的遷移決策，具有內(nèi)容緩存的各個基站依照控制基站下發(fā)的遷移決策結(jié)果進(jìn)行業(yè)務(wù)遷移，實現(xiàn)了控制平面與數(shù)據(jù)平面的分離。如圖4所示，301功能模塊包括：

1)模塊401為控制基站的資源管理模塊，包括402收集模塊與403統(tǒng)計模塊。

2)模塊402將周期性地收集虛擬小區(qū)內(nèi)基站群的網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)、終端、內(nèi)容、用戶等數(shù)據(jù)信息，其中具體信息如下：

2-a)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息：基站接納用戶數(shù)、基站承載能力、基站剩余帶寬資源、基站傳輸速率；

2-b)業(yè)務(wù)狀態(tài)信息：終端用戶業(yè)務(wù)類型；

2-c)終端狀態(tài)信息：終端用戶位置信息、終端用戶移動速度；

2-d)內(nèi)容緩存信息：基站的內(nèi)容緩存信息；

2-e)用戶偏好信息：流行度高的內(nèi)容信息；

3)模塊403將模塊402周期性收集的所有信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分類處理和統(tǒng)計計算處理。

4)模塊404為控制基站的決策控制模塊，包括405決策模塊和406下發(fā)模塊。

5)模塊405根據(jù)模塊401在更新周期內(nèi)所收集且處理完的信息進(jìn)行判別業(yè)務(wù)遷移準(zhǔn)則。

6)模塊406根據(jù)模塊405在更新周期內(nèi)所判別的業(yè)務(wù)遷移信息下發(fā)至虛擬小區(qū)內(nèi)相對應(yīng)的基站。

本發(fā)明提出一種基于內(nèi)容緩存和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知的業(yè)務(wù)遷移方法，如圖5所示，在模塊405中具體的業(yè)務(wù)遷移判別流程如下：

1)觸發(fā)條件501表示為在虛擬小區(qū)內(nèi)的基站群中，若滿足傳輸速率比當(dāng)前服務(wù)基站傳輸速率大時，觸發(fā)業(yè)務(wù)遷移條件；觸發(fā)條件502表示為遷移目標(biāo)候選集合內(nèi)存在基站，滿足緩存的內(nèi)容是當(dāng)前服務(wù)基站不具備的時，觸發(fā)業(yè)務(wù)遷移條件；

2)在觸發(fā)條件生效時，一級判決包含如下：

2-a)判決條件503表示為篩選出虛擬小區(qū)內(nèi)具有緩存能力的基站；

2-b)判決條件504表示為篩選出虛擬小區(qū)內(nèi)具有緩存相同內(nèi)容文件的基站；

2-c)判決條件505表示為篩選出虛擬小區(qū)內(nèi)具有充足帶寬資源的基站；

3)在一級判決生效時，二級判決包含如下：

3-a)條件506表示為篩選的出遷移目標(biāo)候選集合；

3-b)條件507表示為根據(jù)基于內(nèi)容緩存和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知的業(yè)務(wù)遷移方法，篩選出遷移目標(biāo)候選集合內(nèi)傳輸時延最小的基站；

3-c)條件508表示為得到遷移目標(biāo)基站；

4)在二級判決生效時，三級判決條件509表示為比較當(dāng)前服務(wù)基站對用戶請求內(nèi)容的總傳輸時延和遷移目標(biāo)基站對用戶請求內(nèi)容的總傳輸時延的大小，若當(dāng)前服務(wù)基站對用戶請求內(nèi)容的總傳輸時延大于遷移目標(biāo)基站對用戶請求內(nèi)容的總傳輸時延，則將用戶服務(wù)業(yè)務(wù)遷移至遷移目標(biāo)基站，反之，此更新周期內(nèi)遷移準(zhǔn)則判定失效，等待下個周期到來繼續(xù)判別。