基于相近緩存協(xié)作的移動網(wǎng)絡(luò)基站緩存內(nèi)容放置方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及移動通信領(lǐng)域，具體涉及在移動網(wǎng)絡(luò)基站部署緩存服務(wù)移動用戶內(nèi)容 請求的移動網(wǎng)絡(luò)基站緩存系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著移動網(wǎng)絡(luò)接入帶寬的大幅度增加，移動網(wǎng)絡(luò)中面向內(nèi)容業(yè)務(wù)流量（例如網(wǎng) 絡(luò)視頻等）飛速增長?，F(xiàn)有的集中式的移動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無法勝任大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸。為了提 高移動網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)視頻等業(yè)務(wù)的支持，在移動網(wǎng)絡(luò)基站部署緩存，并由緩存服務(wù)用戶的內(nèi) 容請求是實(shí)現(xiàn)移動網(wǎng)絡(luò)高效內(nèi)容分發(fā)的有效手段。相比于傳統(tǒng)的基于緩存的內(nèi)容分發(fā)系 統(tǒng)，例如內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，在移動網(wǎng)絡(luò)基站部署緩存主要存在以下問題a)受限于移動網(wǎng)絡(luò)基 站服務(wù)用戶數(shù)目較少以及基站緩存的有限存儲容量，基站緩存的內(nèi)容請求命中率相對較 低；b)基站緩存獨(dú)立存儲內(nèi)容，基于內(nèi)容流行度的緩存內(nèi)容放置策略（例如常用的Least Frequently Used策略）導(dǎo)致臨近緩存間存儲大量的冗余數(shù)據(jù)。
[0003] 針對這些移動網(wǎng)絡(luò)基站緩存系統(tǒng)存在的主要問題，利用基站緩存之間的協(xié)作存儲 是一種有效的解決方法。協(xié)作存儲是指當(dāng)用戶請求在當(dāng)前緩存沒有命中時(shí)，將用戶請求轉(zhuǎn) 發(fā)至其他緩存來響應(yīng)用戶的內(nèi)容請求。緩存協(xié)作可以提高緩存存儲內(nèi)容的多樣性，減少存 儲冗余，提高緩存利用率以及內(nèi)容請求命中率，并最終達(dá)到移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商降低數(shù)據(jù)傳輸 開銷、減小數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延、提高用戶對移動視頻等應(yīng)用的用戶體驗(yàn)等目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)移動網(wǎng)絡(luò)內(nèi) 的高效內(nèi)容分發(fā)機(jī)制。
[0004] 緩存內(nèi)容管理就是建立內(nèi)容與緩存之間的映射，決定在每個(gè)緩存存儲什么內(nèi)容， 我們將緩存內(nèi)容管理亦稱為緩存內(nèi)容放置問題。一般地，緩存內(nèi)容的放置取決于用戶對內(nèi) 容的請求程度，因此對緩存內(nèi)容的放置管理是實(shí)現(xiàn)高效內(nèi)容分發(fā)的前提，只有緩存內(nèi)容配 置更加優(yōu)化合理，用戶體驗(yàn)才能得到保障。
[0005] 對于移動網(wǎng)絡(luò)基站部署緩存的移動網(wǎng)絡(luò)基站緩存系統(tǒng)中的內(nèi)容放置問題， H. Ahlehagh 等人在 "Video Caching in Radio Access Network ：Impacton Delay and Capacity" 一文中提出了兩種基站緩存內(nèi)容放置策略以實(shí)現(xiàn)移動網(wǎng)內(nèi)的內(nèi)容分發(fā)機(jī)制， 但此文中的緩存之間未考慮協(xié)作存儲。J. He等人在"A Collaborative Framework for In-networkVideo Caching in Mobile Networks"中提出了基于全網(wǎng)協(xié)作存儲的緩存內(nèi)容 放置機(jī)制。但是移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣闊，往往包含數(shù)量巨大的基站。因此全網(wǎng)協(xié)作將增加 用戶發(fā)現(xiàn)內(nèi)容以及內(nèi)容傳輸?shù)膹?fù)雜性，限制了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。
[0006] 綜上所述，目前的移動網(wǎng)絡(luò)基站緩存內(nèi)容放置解決方案中，沒有有效利用相鄰基 站劃定協(xié)作范圍來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化緩存內(nèi)容放置的方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種基于相近緩存協(xié)作的移動網(wǎng)絡(luò)基站緩 存內(nèi)容放置方法，適用于優(yōu)化移動網(wǎng)絡(luò)基站緩存中對緩存內(nèi)容的優(yōu)化配置，以提高緩存命 中率，減小用戶請求內(nèi)容的傳輸延時(shí)。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0009] 基于相近緩存協(xié)作的移動網(wǎng)絡(luò)基站緩存內(nèi)容放置方法，包含移動網(wǎng)絡(luò)基站緩存系 統(tǒng)，所述移動網(wǎng)絡(luò)基站緩存系統(tǒng)主要由移動網(wǎng)絡(luò)基站、設(shè)置在移動網(wǎng)絡(luò)基站中作為存儲設(shè) 備的基站緩存以及用戶用于請求內(nèi)容的用戶設(shè)備組成；所述方法包括如下步驟：
[0010] Si通過統(tǒng)計(jì)基站間的傳輸性能參數(shù)，確定每一個(gè)基站緩存的協(xié)作基站集，劃定基 站緩存的協(xié)作區(qū)域；
[0011] S2通過基站緩存間的協(xié)作關(guān)系以及移動網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D確定表征移動網(wǎng)絡(luò)基站緩存 系統(tǒng)的模型圖G，圖G中每一個(gè)基站用一個(gè)頂點(diǎn)表示，當(dāng)兩個(gè)基站間存在協(xié)作關(guān)系時(shí)用一條 邊連接兩頂點(diǎn)；
[0012] S3統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)情景信息，包括用戶對內(nèi)容請求的概率以及用戶接入每個(gè)基站的概 率；
[0013] S4基于劃定的基站協(xié)作區(qū)域、給定的系統(tǒng)模型表征圖G以及網(wǎng)絡(luò)情景信息數(shù)據(jù)來 分配緩存內(nèi)容；
[0014] S5周期性執(zhí)行步驟Sl至步驟S4重新分配基站緩存空間以應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)情景信息的更 新。
[0015] 需要說明的是，步驟Sl中，所述傳輸性能參數(shù)包括基站間的傳輸延時(shí)，而劃定基 站緩存的協(xié)作區(qū)域的具體方法如下：
[0016] 當(dāng)兩個(gè)基站間的傳輸延時(shí)小于給定的門限值時(shí)兩個(gè)基站互為協(xié)作基站，通過上述 標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)基站劃定一個(gè)協(xié)作基站集合，并且與協(xié)作集合中的基站進(jìn)行內(nèi)容協(xié)作存儲應(yīng) 答。
[0017] 需要說明的是，步驟S3的具體方法如下：
[0018] 3. 1)根據(jù)用戶的歷史觀看記錄計(jì)算判斷用戶對某個(gè)內(nèi)容請求的概率；
[0019] 3. 2)使用離散時(shí)間馬爾科夫鏈對用戶在基站間切換進(jìn)行建模，從而由用戶的歷史 移動數(shù)據(jù)得到用戶接入基站的概率。
[0020] 需要說明的是，步驟S4具體包括：
[0021] 4. 1)由步驟S2中得到的系統(tǒng)模型表征圖G生成用于算法計(jì)算的圖G2;
[0022] 4. 2)對每一個(gè)基站，計(jì)算基站聚合用戶請求，即該基站的聚合用戶請求參數(shù)，用以 表示該基站以及其所有協(xié)作基站的用戶對某個(gè)內(nèi)容的請求程度，用Clfi表示，其中η表示基 站，HiiQ = 1，2, ...，Μ)表示請求內(nèi)容，M表示內(nèi)容的總數(shù)量；
[0023] 4. 3)對每一個(gè)內(nèi)容Hi1，其所有基站緩存中聚合用戶請求最高的值用表示，對 所有內(nèi)容Hi1，按照降序排列得到列表List (M);對每一個(gè)內(nèi)容Hi1，按照降序排列得 到M個(gè)列表List (Hii);
[0024] 4.4)首先，判斷列表List (M)是否為空，若為空則緩存空間分配結(jié)束，執(zhí)行步驟 S5,否則繼續(xù)執(zhí)行如下判斷：
[0025] 判斷每個(gè)基站緩存是否還有未分配的存儲空間，若沒有則緩存空間分配結(jié)束，執(zhí) 行步驟S5,否則繼續(xù)步驟4.5);
[0026] 4. 5)在當(dāng)前排在列表List (M)第一位的內(nèi)容Iiii對應(yīng)的列表List (Iiii)中，選取聚合 用戶請求大于一給定值V的所有節(jié)點(diǎn)并放入集合Anil中；在對應(yīng)的圖G 2中，求取集合A "中 有緩存空間的最大權(quán)重獨(dú)立節(jié)點(diǎn)集Bnil，則集合Bnil中對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的基站緩存存儲內(nèi)容m i，并且 更新其緩存空間容量；
[0027] 4. 6)從當(dāng)前排在列表List (M)第一位的內(nèi)容Iiii對應(yīng)的列表List (Iiii)中刪除與集 合Bnil對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)以及集合B "在圖G 2中的鄰居節(jié)點(diǎn)；此時(shí)，若該列表List (m J為空，則從 列表List(M)中刪除內(nèi)容叫對應(yīng)的項(xiàng)，返回步驟4.4);若列表List(Hi1)不為空，則更新內(nèi) 容Hi i當(dāng)前的最大聚合用戶請求，重新排列列表List (M)，返回步驟4. 4)。
[0028] 進(jìn)一步需要說明的是，步驟4. 1)的具體方法如下：
[0029] 圖G與圖G2的節(jié)點(diǎn)集合相同，當(dāng)在圖G中，兩節(jié)點(diǎn)uv之間存在一條邊，或存在一 節(jié)點(diǎn)W，使得UW之間存在一條邊且WV之間存在一條邊，則在圖G 2中，兩節(jié)點(diǎn)UV之間存在一 條邊。
[0030] 進(jìn)一步需要說明的是，步驟4. 2)中的聚合用戶請求參數(shù)由下式計(jì)算得到：
[0032] 其中u表示某一用戶，n'表示位于基站η的協(xié)作集合N(n)中的基站；pf表示用 戶u接入基站n'的概率；pf1·表示用戶u請求內(nèi)容叫的概率。
[0033] 進(jìn)一步需要說明的是，步驟4. 5)中的給定值V通過下式進(jìn)行計(jì)算：
[0035] 其中，dmi>N為當(dāng)前在列表List(M)中位于第二位的內(nèi)容心所對應(yīng)的最大聚合用戶 請求，α為可調(diào)節(jié)參數(shù)。
[0036] 進(jìn)一步需要說明的是，步驟4. 5)中，求取集合Anil中有緩存空間的最大權(quán)重獨(dú)立節(jié) 點(diǎn)集Bni的具體方法如下：
[0037] 4. 5. 1)對于給定的節(jié)點(diǎn)集合Ami，將其中的節(jié)點(diǎn)按照節(jié)點(diǎn)權(quán)重由高到低排列形