[发明专利]异构蜂窝网络中内容缓存与用户关联联合优化方法

说明书

本发明属于移动通信领域，涉及一种异构蜂窝网络中内容缓存与用户关联联合优化方法，包括：根据基站存储容量和服务用户数的限制，以用户获取内容的平均时延的最小化为目标，建立内容缓存与用户关联的联合优化模型以及联合目标函数；根据所述联合目标函数通过三次指数平滑法预测下一周期基站上内容的访问频次，决定内容缓存；根据用户到达是否密集采取不同的关联方式，将用户关联至合适的基站；若用户到达密集，则采用时延关联方式，否则采用即时关联方式，本发明通过上述两种关联方式能够保证用户的服务质量。

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种异构蜂窝网络中内容缓存与用户关联联合优化方法。

背景技术

伴随着移动用户数量、移动链接数量和移动业务的快速增长，到2019年，全球移动流量增幅将超过固定流量增幅的三倍，其中移动视频将占到全球移动数据流量的72％。移动业务的快速增长对现有通信网络的体系和架构带来了巨大的挑战。

在网络过载的密集城区，特别是住宅楼群结构复杂、用户集中的居民区，由于墙壁引起的损耗使室内信号覆盖较差，导致信号覆盖的深度严重不足，加上建站困难，且扩容成本昂贵，这给运营商的网络带来极大的负担。在这种情况下，家庭基站(femto-basestations,FBS)作为蜂窝网在室内覆盖的补充，其结构简单、部署灵活、成本低廉，可以为用户提供高速率、高质量的话音及数据服务。“宏基站(macro base stations,MBS)+家庭基站”的异构蜂窝网络结构是第五代移动通信系统的重要组网形式。在“MBS+FBS”的异构蜂窝网络下，家庭基站通过回程链路连接到核心网，这要求回程链路必须具有很大的传输容量。而流行内容的重复下载不仅会导致网络数据流量负荷增加、网络响应变慢、用户获取内容的时间较长，而且还会造成数据冗余，占用回传链路大量的吞吐量。对内容进行分布式存储与缓存是解决该问题的重要途径之一。据统计，缓存技术在3G网络和LTE网络的应用可以降低1/3～2/3的移动数据量。在FBS上选择缓存部分内容，可以降低网络数据负荷和用户内容获取时延，提升用户体验。

缓存策略决定了缓存内容以及释放时间，通过评估内容当前的流行度、潜在的流行度、存储大小和现有副本在网络拓扑上的位置等因素提升缓存策略的性能增益。文献“K.Shanmugam,N.Golrezaei,A.G.Dimakis,A.F.Molisch,and G.Caire,“FemtoCaching:Wireless video content delivery through distributed caching helpers,”IEEETrans.Information Theory,vol.59,no.12,pp.8402-8413,Dec.2013.”中提出了一个在FBS下的本地缓存策略，将缓存问题建模为最优化所有用户到FBS节点之间的访问延时，以尽量减少下载内容的时延，但优化问题的求解过程复杂。用户获取内容中的时延不仅取决于FBS上缓存策略的优劣，还取决于用户与FBS之间的关联策略。在FBS重叠覆盖的场景下，用户有其所在覆盖范围内的多个FBS可供选择，选择信道质量好且缓存了用户所需内容的FBS能获得更低的下载时延。文献“Wang Y,Tao X,Zhang X,et al.“Joint CachingPlacement and User Association for Minimizing User Download Delay,”IEEEAccess,2016:8625-8633.”在联合设计缓存和用户关联策略时考虑了有线链路和无线链路的信道质量差异，研究了回程链路的时延影响，但文中用户关联策略采用的匈牙利算法只能得到用户与基站之间的最大匹配，并不是最优匹配。当前的研究都是通过预测用户请求内容的概率来决定内容的缓存，而实际上由于用户请求内容和关联基站的不确定性，无法准确预测单个用户请求内容的概率。另外，由于用户请求的到达密度是时变的，且重叠覆盖下用户有多条无线信道可供选择，但并不一定都能为用户提供高质量的服务，需要对无线信道进行筛选。

发明内容

针对以上研究的不足以降低异构蜂窝网用户获取内容时的时延的问题，本发明提出了一种异构蜂窝网络中内容缓存与用户关联联合优化方法，包括以下步骤：