一种基于内容感知的资源调度方法与流程

本发明涉及无线通信中的资源调度领域，具体是一种基于内容感知的资源调度方法。

背景技术：

随着移动设备泛在化，移动应用不断丰富，用户移动数据需求正在呈现爆炸式增长的态势，并对网络运营商带来了巨大挑战。而海量数据需求主要集中在多媒体内容上，据预测，2019年多媒体内容传输将占据72％的数据流量。不同于语音通话或点对点短信服务，多媒体内容具有截然不同的流行度属性，即同一个多媒体内容能够被多个用户所请求。据统计，尽管用户请求的多媒体内容流量巨大，但大部分的用户请求其实集中在少部分的高关注度内容，且这部分内容可以通过统计历史请求数据、或内容产生前检索次数等有效预测。同时，随着半导体器件的飞速发展，用户终端(智能手机，平板等)具备着巨大缓存空间，可以有效的通过广播或WIFI方式预存热点内容。另一方面，传统的资源调度方式无论是基于最大速率调度或是比例公平调度，在调度时只关注于信息bit级别的传输速率，却忽略了用户请求内容的流行度属性，造成了内容的重复发送。因此，我们从内容层面出发，综合考虑信道状态信息(CSI)、业务信息(流行度)与用户终端缓存空间来做调度决定，其中信道好的未请求用户能够接收并缓存基站空口传输给信道差的请求用户的热点内容。通过此联合调度，我们能够提高网络传输效率和用户体验。

现有技术中LTE资源调度算法无论是基于最大速率调度或是比例公平调度，在调度时只关注于信息bit级别的传输速率，忽略了内容的流行度属性。在多媒体内容中，我们应该关注内容传播效率，而非简单的物理层bit传输速率。

现有技术中已有考虑在广播推送业务中利用内容流行度属性进行调度，但由于其是广播推送业务，而非实时调度业务，并不能够利用用户实时请求的物理层信道信息与内容属性联合作资源调度决策。

技术实现要素：

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于内容感知的资源调度方法，综合考虑信道状态信息(Channel State Information，简称CSI)、业务信息(流行度)与用户终端缓存空间来做调度决定。在用户终端，信道好的未请求用户能够接收并缓存基站空口传输给信道差的请求用户的热点内容，即在不增加额外空口开销的情况下同时服务未来的潜在用户群体。与此同时，通过一次多播传输满足了同一内容的当前访问与潜在未来访问，能够提升系统的容量和用户体验。

基于以上目的，本发明采用的技术方案包括如下步骤，

一种基于内容感知的资源调度方法，包括如下步骤：

步骤1：基站(可不限于基站，适用于各种类型的无线发射点)统计各请求用户(不限于用户，可适用于各类型的信息接收点)所请求内容ID与相关信道状态信息。

步骤2：基站以内容ID为标识维系相应的请求队列，并分别计算不同请求内容下采用不同编码调制方式能够满足的当前服务请求的用户数目。

步骤3：基站根据预测的内容未来热度、覆盖范围内用户缓存状态与连接个数，计算当前以某种编码调制方式调度某内容的未来潜在服务用户数目，并将此潜在服务用户数目加入到调度权重中。。

步骤4：根据调度权重将内容排序，按照调度权重将内容从高到低按照预设的编码调制方式发送。

步骤5：请求得到调度的内容的用户接收并译码空口数据。对于未发送请求的信道好的用户而言，可选择性的缓存空口高关注度内容(比如热门微博，视频)。

所述步骤1中：用户产生内容请求时，首先检查本地存储空间是否完整缓存，如有，则本地播放；反之，将内容请求上报基站。基站对于内容标识和信道信息可通过如下方式获取:业务内容可进行标记区分，如通过HASH函数生成唯一标识。当用户发送内容请求时，基站侧识别出所请求内容ID。用户CSI信息可通过用户下行估计反馈，或是信道互易系统中基站侧通过上行测量获取。

所述步骤2中：基站并不维系以用户为中心的请求队列，而是以内容为标识维系请求队列，并分别计算不同编码调制方式下能够满足的当前服务请求的用户数目。具体而言，假设总内容数目为M，可供选择的调制编码方式为K种(对应于频谱效率从高到低的编码调制方式)，其中信道好的用户能够译码发送给信道差的用户的信息。基站侧维系M×K请求矩阵，其中矩阵元素指的是对于第i个内容采用第j种编码调制机制下能够得到服务的用户数目，记作Q_i,j(t)。

所述步骤3中：内容未来热度获取方式可通过服务器统计内容历史请求数据或是内容近期搜索热度来预测；覆盖范围内用户缓存状态与连接个数可通过多种方式获取：a)通过用户应用层软件统计反馈给基站；b)基站根据用户历史访问信息/用户接入基站信令覆盖范围内缓存用户终端数目。根据未来热度和用户缓存状态，我们能够计算出采用j编码调制方式调度内容i的未来期望服务数目N_i,j(t)。具体而言，假设调度内容i采用j编码调制方式，能够获取的未来期望服务数目为其中U为用户集合，p_k,i(t)是用户k未来请求内容i的概率，而I_k,i,j(t)表明的是用户k能够成功缓存空口以j编码调制方式传输内容i的标识，其由剩余缓存空间与当前所处信道状态所决定。基站综合当前请求用户数目Q_i,j(t)与未来潜在服务数目N_i,j(t)，并考虑调度资源开销，计算j编码调制方式调度内容i的调度权重其中分子项为采用频谱效率为c_j的编码调制方式发送内容i得到的潜在收益，包括当前调度时刻能够服务的用户数以及未来能够调度的时刻用户数，其中ρ∈[0,1]为权重因子，用来衡量未来服务数目在当前服务收益的权重比例，可由业务属性、网络负载所确定；分母项为以第j种编码调制方式c_j调度下所消耗的带宽时间积资源，其中S_i为调度内容i的传输文件大小；w_i,j(t)的物理意义便是此时单位资源消耗下能够获取的调度收益，在ρ＝1为单位资源消耗下能够服务的期望用户数。

所述步骤4中:基站将按照从高到低进行排序，并依次调度。假设用户端不具备存储空间，并且不识别请求内容ID，则调度准则为以用户为中心，此时调度第j个用户(频谱效率为c_j)的权重即退化成最大速率调度准则。

所述步骤5中:在请求内容调度时刻，如果Q_i,j(t)＞1,则c_j为多播服务请求用户群体，可采用喷泉码或用户端请求重传方式恢复误包；在内容调度时刻，基站会先传输内容标识ID。对于覆盖范围内的信道好的用户，其能够解码内容标识ID，同时应用软件通过用户历史请求信息预测此内容未来访问概率，并根据终端电量与剩余存储空间等因素综合考量决定是否接收此内容。如果确定缓存此内容，则在下次与基站进行交互时将缓存状态告知基站侧，同时基站侧更新维系的用户缓存状态。同时，由于信道好的未请求用户并非此次调度的服务主体，其只是通过利用无线传输的广播特性捎带接收基站传输给信道差用户的内容并缓存。因此考虑到无线信道的衰落和用户的移动性，此时即便出现误包也不会立即通过重传等方式获取，而是在此用户未来点击观看已缓存的有丢包的内容时，才通过基站侧进行数据恢复。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果

1.更高的网络利用效率：不同于传统的物理层资源分配，拟发明能够利用内容流行度属性，综合考量当前调度用户数和潜在未来服务人数，通过服务当前用户请求，在不引入传输开销的情况下能够服务更多的用户，即实现了调度资源时单位消耗资源下的期望回报最大。由于信道好的用户能够缓存，避免了热点内容的重复传输，提高了内容的传输效率。

2.更好的用户体验：相比于现有技术而言，在不引入额外传输开销的情况下能够使得信道好的未请求用户缓存热点内容，当其点击此热点内容时，本地直接可以播放，给用户能够带来更好的用户体验。

附图说明

图1为系统示意图；

图2为本发明基于内容感知的资源调度方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

图1为系统示意图，如图所示，某时刻有UE1和UE5两个用户向基站发送内容请求，假设基站在此时隙只能调度一个用户。其中UE1处于基站附近，请求的是非热点内容；UE5处于小区边缘，请求的是热点内容。按照传统的最大速率调度准则，则会优先调度处于信道好的UE1，忽略了用户的内容流行度属性。如果考虑内容流行度属性，因为UE5请求的是热点内容，通过调度UE5，可以使得小区内其余信道好的未发送数据请求的空闲用户(UE1到UE4)也能够缓存此热点内容，如此当其他用户产生此热点内容数据请求时，便可以直接在本地满足。此例中，通过调度请求高流行度内容的边缘用户能够使得大部分信道好的用户捎带缓存此热点内容，避免了再次请求时发送。将不同时刻的不同用户请求集中在一次多播发送，提升了网络的传输效率。同时，由于热点内容能够捎带缓存在信道好的用户终端，当缓存有热点内容的用户终端产生数据需求时，可以直接本地流畅播放，提升了用户体验。

图2为本发明基于内容感知的资源调度方法的流程图，由图可见，首先，用户产生内容请求，并检查本地是否已经完整存储所请求内容，如果是，则直接本地浏览观看。如果不是，则用户将内容上报基站，具体包括如下步骤：

步骤1：基站统计各请求用户所请求内容ID与相关信道状态信息。如图2所示，信道好的UE1请求非热点内容F_i，处于小区边缘的信道差的用户UE5请求热点内容F_j。

步骤2：基站以内容ID为标识维系相应的请求队列，并分别计算不同请求内容下采用不同编码调制方式能够满足的当前服务请求的用户数目。为便于阐释，考虑大尺度衰落，假设共有三种不同编码调制方式，对应频谱效率从高到低分别为c₁、c₂和c₃，其中服务最内圈信道最好的UE1和UE2采用频谱效率最高的c₁的编码调制方式；服务UE3和UE4需采用频率效率c₂的编码调制方式，服务边缘用户UE5需要采用频率效率c₃的编码调制方式。

步骤3：基站根据内容未来流行度与覆盖范围内用户缓存状态与连接数目计算内容热点权重，并将内容热点权重加入到调度准则中。假设F_j和F_i的待传输文件大小为单位长度，同时未来UE1到UE4均有50％机会会访问内容F_j，且均具有多余的缓存空间和充足电量，则采用c₃方式调度内容F_j的潜在未来服务用户数为4×0.5＝2，假设未来服务用户数和当前用户数具有相同权重，即ρ＝1，则采用c₃方式调度内容F_j的期望收益为3，即总期望服务用户数，相应的调度权重为3c₃；采用c₁方式调度内容F_i的期望服务人数为1，相应的调度权重为c₁。

步骤4：根据调度权重将内容排序，按照调度权重将内容从高到低安装预设的编码调制方式发送。采用c₁方式调度内容F_i的调度权重为c₁,而采用c₃方式调度内容F_j的调度权重为3c₃。假设c₁＜3c₃，则此时应该优先调度请求热点内容F_j的边缘用户UE 5。而在传统的最大速率调度准则中，其会优先调度信道好的用户，而并不关注请求内容的热度差异。

步骤5：请求得到调度的内容的用户接收并译码空口数据。对于未发送请求的信道好的用户而言，可选择性的缓存空口高关注度内容。内容F_j以频谱效率c₃的编码调制方式发送，处于边缘的请求用户UE5接收内容，请求得到满足。与此同时，信道好的未请求用户也能够成功译码数据，如UE1到UE4,根据自身历史访问请求，剩余存储空间和电量等因素确定是否接收缓存。假设接收过程中出现误包(比如信道快衰落，用户移动)，并不立即请求重传恢复，而是在用户下次点击观看产生请求时恢复数据。

本发明无线发射点侧综合考量信息接收点的无线信道信息、内容流行度属性和用户端缓存能力来进行资源分配。信道好的未请求用户能够接收并缓存基站空口传输给信道差的请求用户的热点内容；是否缓存由自身历史请求信息、剩余电量和存储空间所决定。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。