[发明专利]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

权利要求书

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N_c个内容的缓存设备，通过容量为C_bh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；

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F_f、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P_s、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P_t、休眠和活跃模式下基站的平均发射功耗P_c；引入缓存容量η＝N_c/F_f，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，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，F_f＝{1，…，F_f}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；

步骤3：根据内容流行度分布，计算用户请求内容的缓存命中率H：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，N_c是每个基站缓存的大小，F_f＝{1，…，F_f}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；

步骤4：设计一个分布式缓存策略，提高缓存命中率H；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、4N_c的流行内容，b类基站缓存第3、7、4N_c-1的流行内容，c类基站缓存第2、6、4N_c-2的流行内容，d类基站缓存第1、5、4N_c-3的流行内容，N_c是每个基站缓存的大小；

步骤5：根据用户的泊松分布，设计各个基站的休眠模式，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，λ_u表示用户采用泊松分布的密度，小区内有N_b个基站数目；

步骤6：根据内容流行度分布，计算用户请求内容的平均吞吐量R，具体方法为：用户请求的平均发送速率即网络平均吞吐量，当基站上没有缓存用户请求的内容时需要通过回程链路获取，并且回程流量负载受到回程容量的约束，所以第b个小区的平均瞬时下行吞吐量表示为：

其中是瞬时接受信号干扰比，C_bh是回程链路的回程容量，u_b总的用户数量，u_c表示请求的内容被缓存在基站的用户数目；

步骤7：计算休眠和活跃模式下基站的平均电路功耗P_t，休眠和活跃模式下基站的平均发射功耗P_c；基站处于休眠或活跃状态的平均电路功率消耗分别为：

其中ζ_BS＝1代表基站的活跃状态，ζ_BS＝0代表基站的休眠状态，P₁是在活跃模式下的基站电源功率，P₂是在休眠模式下的基站电源功率；

基站处于休眠或活跃状态的平均发射功率消耗分别为：

其中P代表基站活跃模式下的发射功率，ρ是影响功率放大器因素；

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；

回程链路功耗P₄的具体计算方法为：回程链路产生的功率消耗，即当用户请求的内容没有缓存在本地缓存时，通过高速回程链路获取该内容，则在整个下行链路中将产生回程功率消耗，小区平均回程功耗P₄为：

其中，ω₂是回程设备的功率系数，表示缓存未命中的平均速率；

高速缓存功耗P₃的具体方法为：缓存流行内容产生的功耗，即在基站处采用高速缓存器缓存一部分流行内容时将产生功率消耗，则平均缓存功率消耗P₃为：

P₃＝ω₁ηFF_f

其中，F是每个内容的大小即Mbyte，ω₁是高速缓存器的功率参数，η表示缓存容量；

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max_η∈(0，1)EE(η)，η表示缓存容量；当η＝η₀时，能量效益最大；求解并优化问题具体为：

其中，η表示缓存容量，F_f＝{1，…，F_f}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，C_bh是回程链路的回程容量，N_b表示小区内基站个数，δ的值在0.5-1.0之间，N_c是每个基站缓存的大小，ω₁表示缓存硬件设备的功率系数，ω₂表示回程设备的功率系数。