一种考虑用户时延的小小区网络边缘部分缓存方法

摘要

本发明公开了一种考虑用户时延的小小区网络边缘部分缓存方法，属于无线通信技术领域。首先，将缓存视频文件备选集按热度重新排列，并得到相应的热度值和对应的视频文件大小；然后，计算能完整缓存的视频文件的最大个数K；按照最大个数K利用最大类间方差法进行迭代，对小于等于缓存阈值Sc的视频文件进行完整缓存，对大于缓存阈值Sc的视频文件进行部分缓存；当用户向小小区基站发起内容请求时，若视频文件被完整缓存，则用户从该小小区基站获取完整内容并结束；若部分缓存或没有缓存，则通过回程链路从核心网中的内容服务器请求内容。本发明能保证用户的访问时延，提高缓存命中率，提升小基站的缓存空间的利用率，有效缓解回程链路的带宽压力。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体是一种考虑用户时延的小小区网络边缘部分缓存方法。

背景技术

据思科白皮书预测，在2019年移动数据流将占到全球数据流量的约75％，移动数据流大部分是由视频流量承担的，随着智能终端的全球化普及，以及自媒体不断发展的全球环境下，网络视频流量将呈现指数增长的趋势。现如今的宏蜂窝网络容量已经不能进一步扩大以满足日益增长的流量需求。

为了解决这一问题，引入了小小区(Small Cell)网络，在宏蜂窝网络的覆盖下，通过小小区基站的密集部署，极大地提升了系统的容量，缓解了对网络的流量需求。但是，薄弱的小小区回程链路削弱了这种优势，因此边缘缓存成了近年来的研究热点，边缘缓存通过付出廉价的存储资源就可以获得较高的回报。边缘缓存使得用户能就近获取到想要的网络资源而不通过薄弱的回程链路，一方面大大降低了用户的请求时延，另一方面又缓解了回程链路的传输压力，因此在小小区系统中采用边缘缓存的方式在小小区基站部署缓存机制能大大地提升小小区系统的服务性能。

由于存储容量仍然是有限的，因此每个小小区基站节点不能将所有网络视频都进行缓存，只能缓存极少的一部分，由二八定律可知，网络中20％的视频内容承担着80％的网络流量，因此20％是主要考虑的缓存对象，但即便是如此，也无法完全将这20％的内容全部缓存，因此学者们开始致力于研究更佳的缓存配置方案使得缓存效率最大化。

现有的边缘缓存方案按缓存的节点来分存在两大类：一类是集中式缓存，一类是分布式缓存。集中式缓存最大的优势就在于其简单性，所有的节点缓存相同的内容，而由于缓存容量有限，使得缓存效率低下；分布式缓存的优势在于合理利用用户与多个节点相连的特性，采取在一定范围内不同节点部署不同的内容，从而获得较高的缓存效率。按每个文件的缓存方式则可分为完整缓存和部分缓存，完整缓存则是完整地将每个文件缓存到节点，而部分缓存则是将每个文件的一部分缓存到节点。

在目前的无线网络边缘缓存的研究中，多数学者对边缘缓存方案的设计针对的都是每个文件大小假设相等的情况，并且大多数采用的是完整缓存的方式，即缓存的每一个文件都是完整的。另外有学者对部分缓存也进行了研究，即仅缓存每个文件中的一部分在边缘，剩余的从网络中心获取，研究发现部分缓存的效益会明显高于完整缓存的方式。但是仍然是基于每个文件大小相等的情况下得出的结论，因此，没有考虑文件大小不同的情况。实际中，文件大小的不同会影响边缘缓存的效益，无论是完整缓存还是部分缓存。

综上，现有技术中，一方面现有的边缘缓存研究没有考虑文件大小不等的情况，另一方面现有的部分缓存方案没有给出最佳的缓存百分比，因此边缘缓存的效益并没有达到最佳状态。而且在边缘缓存的设计方案中，缓存命中率不仅仅取决于每个文件的热度，同时还与每个文件的大小相关，而缓存效益不仅仅与缓存命中率相关，同时还与回程链路的突发量相关。用户体验中最重要的因素之一是时延，因此边缘缓存方案的设计不能脱离这一因素。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，为了在小小区网络有限的边缘缓存空间中实现缓存效益的最大化，根据文件大小不同因素对缓存效益产生的影响，提出了一种考虑用户时延的小小区网络边缘部分缓存方法。

具体步骤如下：

步骤一、建立包含核心网、宏基站、小小区基站，以及小小区基站周围覆盖的用户的小小区网络场景；

每个小小区基站用来部署内容缓存文件。

步骤二、针对某小小区基站，设定该基站的缓存区最大容量M以及该小基站的缓存视频文件备选集；

将所有缓存的视频文件大小随机化，得到备选集为{f₁,f₂,....f_n}；

步骤三、将该小基站的缓存视频文件备选集，按热度从高到低重新排列为{f_h1,f_h2,....f_hn}，相应的热度值为{p_h1,p_h2,....p_hn}，且对应的视频文件大小为{S_h1,S_h2,....S_hn}；

步骤四、针对该基站，在不超过缓存区最大容量M的前提下，计算能完整缓存的视频文件的最大个数K；

所有完整保存的视频文件的大小满足

步骤五、在保证用户时延的条件下，利用最大类间方差法迭代次数达到最大个数K后，取得该基站对每个视频文件的最佳的缓存阈值S_c；

具体步骤如下：

首先，针对用户请求播放的视频，计算用户播放要达到没有初时延也没有停顿时延需满足的条件；

具体条件如下：

R₁为小基站到终端设备的下载速率，M_p为播放视频时需要在终端设备上缓存的内容最小值；M_p满足M_p＜min{S_hi}且S_c＞M_p；S_c为每个视频文件的缓存阈值；t₀为用户所能接受的最大初时延；R₂为核心网到小基站的下载速率；V是视频的播放速度。

然后，根据满足时延的条件计算缓存阈值S_c的约束式，并得到缓存阈值S_c的若干结果；

约束式如下：

最后、采用最大类间方差法对缓存阈值S_c的若干结果迭代K次，获取最大的类间方差值对应的缓存阈值S_c作为最佳结果；

当部分缓存时缓存的文件满足S_hi＞S_c的文件数为m，S_hi＜S_c的文件数为n，有m+n＝K；

步骤六、根据最佳缓存阈值S_c，将所有按热度排序的缓存视频文件进行缓存，对小于等于缓存阈值S_c的视频文件进行完整缓存；对大于缓存阈值S_c的视频文件，选取长度为S_c的前端部分进行缓存；

完整缓存的视频文件为K个。

步骤七、用户向小小区基站发起内容请求；

步骤八、该小小区基站判断请求内容是否缓存并且是否被完整缓存，如果是，用户直接从该小小区基站获取完整内容，并结束；否则，进入步骤九；

步骤九、小小区基站判断请求内容是否部分缓存，如果是，进入步骤十；否则，请求内容没有缓存，用户通过回程链路从核心网中的内容服务器请求内容。

步骤十、用户从小小区基站获取内容的已缓存部分，同时通过无线回程链路从内容提供商处获取剩下内容。

本发明的优点在于：

1)、一种考虑用户时延的小小区网络边缘部分缓存方法，该发明能保证用户的访问时延，提高缓存命中率，提升小基站的缓存空间的利用率。

2)、一种考虑用户时延的小小区网络边缘部分缓存方法，能有效地缓解回程链路的带宽压力。

附图说明

图1为本发明建立的小小区网络场景示意图；

图2为本发明一种考虑用户时延的小小区网络边缘部分缓存方法流程图；

图3为本发明根据最佳缓存阈值对缓存视频文件进行缓存的示意图；

图4为正序，逆序和随机分布的视频文件完整缓存和部分缓存的示意图；

图5为三种分布下的视频文件的缓存阈值分别与缓存文件数和请求命中率的对比图；

图6为升序分布下的视频文件在完整缓存和最佳阈值缓存对比下缓存容量与平均时延的效果图；

图7为降序分布下的视频文件在完整缓存和最佳阈值缓存对比下缓存容量与平均时延的效果图；

图8为随机分布的视频文件在完整缓存和最佳阈值缓存对比下缓存容量与平均时延的效果图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明在小小区网络系统的模型下，摒弃了传统的将所有待缓存的文件大小等同处理，而是将文件大小随机化，根据视频文件的热度确定小小区基站的缓存文件备选集，由于文件大小的不同特点以及用户对视频文件的时延敏感度，对缓存的效益有着重要的影响；通过仿真发现由于文件大小随机化分布使得不同热度的文件占用的缓存空间存在较大的差异，为了确保缓存效益的最大化，以最小的缓存空间获得最大的缓存效益，引入了图像领域的最大类间方差法求取每个小小区基站的最佳缓存阈值；通过采用新的边缘缓存方式，即根据最佳缓存阈值将大文件进行部分缓存，小文件完整缓存；通过仿真验证了基于最佳阈值的内容部分缓存方案比完整缓存的缓存效益更高。

如图2所示，具体步骤如下：

步骤一、建立包含核心网、宏基站、小小区基站，以及小小区基站周围覆盖的用户的小小区网络场景；

建立的仿真场景如图1所示，每个小小区基站都具有边缘缓存的能力，用来部署内容缓存文件。

步骤二、针对某小小区基站，设定该基站的缓存区最大容量M以及该小基站的缓存视频文件备选集；

将网络中心所有缓存的视频文件大小随机化，得到备选集为F＝{f₁,f₂,....f_n}；M＜F。

步骤三、将该小基站的缓存视频文件备选集，按热度从高到低重新排列为{f_h1,f_h2,....f_hn}，相应的热度值为{p_h1,p_h2,....p_hn}，且对应的视频文件大小为{S_h1,S_h2,....S_hn}；

针对本基站用户的视频热度分布服从二八定律，10％的热点视频占了80％的视频播放量，90％的视频内容只占了20％的播放量，因此，那10％的热点内容才是边缘基站缓存的对象，但是仍然存在M＜10％F，现有技术得出了分布式缓存更优于集中式的缓存的结论，因此为了实现更佳的网络效益，采用在一个宏小区范围内的分布式基站缓存是一种更有效的方式。

但是为了着重分析每一个视频文件大小对缓存命中率的影响和简化模型，采用集中式缓存方案，假设缓存视频文件备选集{f₁,f₂,....,f_j,...,f_n}满足：

其中S_j为缓存视频文件f_j的大小，即有

必然存在0<λ<1使得

缓存视频文件备选集{f₁,f₂,....,f_j,...,f_n}中的文件热度都在80％以上，按热度从高到低重新排列为{f_h1,f_h2,....f_hn}，相应的热度大小为{p_h1,p_h2,....p_hn}，且对应的视频文件大小为{S_h1,S_h2,....S_hn}；

设定x_hj∈{0,1}表示文件f_hj是否缓存在小小区基站cache中，则需满足条件：

此时缓存命中率表示为：

可知，当存入的视频文件的热度越高且存入的视频文件数目越多时，缓存命中率越高。

步骤四、针对该基站，在不超过缓存区最大容量M的前提下，计算能完整缓存的视频文件的最大个数K；

为了达到更高的缓存命中率，本发明采用将高热度的较小的视频文件完整缓存，而对于热度稍低的较大的视频文件只缓存该文件开头的一个部分，其余部分从核心网获取，对于将哪些文件完整缓存，哪些文件部分缓存，缓存多少才能保证更好的用户体验是要实现的目标；但是要在保证用户体验质量的前提下实现：

所有完整保存的视频文件的大小满足该最大值K对应的热度值为p_hK，满足p_hK＞p_hn；

步骤五、在保证用户时延的条件下，利用最大类间方差法迭代次数达到最大个数K后，取得该基站对每个视频文件的最佳的缓存阈值S_c；

提高缓存命中率，需要平衡请求命中率和字节命中率的大小，当请求命中率高时，可能会导致字节命中率降低。因此缓存阈值S_c的设置至关重要，则需考虑请求时延的问题。

时延分为两个部分，一是在请求的视频播放前有一个初时延，二是在视频播放过程中由于网络拥塞等情况造成的停顿时延。

具体步骤如下：

首先，针对用户请求播放的视频，计算用户播放要达到没有初时延也没有停顿时延需满足的条件；

当把热点视频文件的前端部分内容缓存在小小区基站，初时延主要由缓存在基站的那部分文件大小决定，设小基站到终端设备的下载速率为R₁，核心网到小基站的下载速率为R₂，假定在终端设备上需要缓存M_p的内容大小时，视频才能开始播放，此时存在不等式M_p＜min{S_hi}且S_c＞M_p，假设用户所能接受的最大初时延为t₀需要满足的条件是：

对于完整缓存在基站的文件，假设视频的播放速度小于下载速度R₁，则完整缓存在基站中的视频文件将不会在用户播放过程中出现中间停顿时延。

而对于大小为S_hi(S_hi＞S_c)的文件，在小基站中只缓存了前面S_c长度的内容时，要使得用户播放时既然有初时延也没有停顿时延需同时满足以下条件

V是视频的播放速度。

然后，根据满足时延的条件计算缓存阈值S_c的约束式，并得到缓存阈值S_c的若干结果；

为了保证用户的体验质量，约束式如下：

最后、采用最大类间方差法迭代K次，获取最大的类间方差值对应的缓存阈值S_c作为最佳结果；

假设当部分缓存时缓存的文件满足S_hi＞S_c的文件数为m，S_hi＜S_c的文件数为n，有m+n＝K；

选择K个文件大小的平均值为初始缓存阈值S_c进行循环迭代，对比计算出使得上式值最大的S_c值；根据获得的最佳缓存阈值的大小以及小基站的缓存容量进一步计算出：设置最佳的缓存阈值S_c后能缓存的文件数N₂。

步骤六、根据最佳缓存阈值S_c设计该小小区基站的内容部分缓存方法；

在缓存容量有限的条件下，大文件视频完整缓存将占用较大的存储空间，如此极不利于存储空间的利用效率。对于这些过大的视频文件而言完整缓存是没有必要的，一方面多数用户会采用离线缓存后再播放的观影方式，此时他们对实时传输时延的要求比较低；另一方面视频的播放速度小于小小区基站的下行传输速率，只缓存视频的一部分在边缘网络也能保证用户的时延需求；再者对于较小的视频文件，用户的实时性要求相对较高；因此考虑引入缓存阈值进行部分缓存，当文件大小小于缓存阈值时，进行完整缓存，当文件大小大于缓存阈值时，只缓存该文件前段内容大小为阈值的部分，如图3所示，阴影部分即为缓存部分。设置缓存阈值有助于缓存更多较小的并且热度较高的视频文件，从而获得更佳的缓存效益。

具体为：

备选集中所有缓存视频文件根据热度从高到低进行缓存，当某个视频文件的大小小于等于缓存阈值S_c时，将该视频文件进行完整缓存；反之，选取该视频文件的前端部分长度为最佳缓存阈值S_c进行缓存；能完整缓存的视频文件为K个。

步骤七、用户向小小区基站发起内容请求，请求过程假定服从泊松分布；

步骤八、该小小区基站判断请求内容是否缓存并且是否被完整缓存，如果是，用户直接从该小小区基站获取完整内容，并结束；否则，进入步骤九；

每一个小小区基站将本地热点视频存储到本地区域的小基站Cache中，当小小区用户请求内容时，若小基站中已缓存了相应的内容，则直接由小基站对该用户提供服务，若小基站没有，则从宏基站通过回程链路链接的核心网从网络中心的内容服务器中去获取。

步骤九、小小区基站判断请求内容是否部分缓存，如果是，进入步骤十；否则，请求内容没有缓存，用户通过回程链路从核心网中的内容服务器请求内容。

步骤十、用户从小小区基站获取内容的已缓存部分，同时通过无线回程链路从内容提供商处获取剩下内容。

最后，统计用户缓存命中次数R，以及总的请求次数A并出缓存命中率。

本发明不同的视频文件大小分布对边缘缓存的效益存在明显的影响，通过设置缓存阈值来区分视频文件的大小，在保证用户时延容忍度的前提下将最大类间方差法引入边缘缓存求解部分缓存中的最佳缓存阈值，通过联合调整内容的缓存策略与用户的接入网络选择方案，计算对应系统的最小能耗值，并获得最优的缓存效益。

为了证明不同的文件大小对缓存效益存在较大影响，本发明考虑当缓存视频文件备选集的热度分布已确定时，对不同的文件大小分布进行MATLAB仿真，如图4所示，假设视频文件的热度服从均匀分布，热度越高的文件大小也越高的文件分布为逆序分布，热度越高而文件大小越低的文件分布为正序分布，缓存阈值的意义是文件只缓存小于或等于缓存阈值的前段内容，图中左侧代表完整缓存时的状态，右侧是与左侧在文件大小同分布下的固定阈值为500的部分缓存状态，横坐标代表按热度排行的文件，纵坐标是文件字节数。从图中得知，文件大小的分布对缓存效益存在明显的影响，并且对完整缓存的影响比对部分缓存的影响更大。并且部分缓存的效果比完整缓存更加稳定，因此采用部分缓存的方式是更有意义的，因此缓存的性能不能忽略文件大小因素。

对热点视频内容部分放置方案的仿真场景设置为小小区网络的常用仿真网络配置，假设缓存容量M固定为20000M，缓存备选文件有2000个，每个文件的大小为50M至1500M之间的随机值，热度为离散的二八分布；缓存阈值为500M时，随机产生了大小不同的1000个文件作为缓存的备选集。

内容放置方案仿真参数如表1所示：

表1

参数值小基站下行速率1.024(M/S)回程链路下行速率2.2(M/S)播放速率0.72(M/S)

如图5所示，缓存阈值越低，缓存的请求命中率会越高，但是请求命中率并不是决定网络性能的唯一因素，还需要考虑字节命中率以及用户时延、回程链路占用的因素。当缓存阈值数值过低时，虽然请求命中率较高，但是字节命中率会下降，不仅缓存效益会降低，回程链路的带宽危机也不能得到有效的缓解。因此缓存阈值的大小对缓存效益产生着重要的影响。

在不同的小基站缓存空间容量下的平均时延效果图如图6，图7和图8所示，随着缓存容量的增加，用户获取视频资源的平均时延会降低，从图中对比可以看到当采用基于最佳缓存阈值的部分缓存方法时，用户所有访问的平均时延低于完整缓存方法中产生的平均时延，因此采用基于最佳缓存阈值的部分缓存方法可以保证用户访问的时延要求；又能提高缓存的命中率。