一种基于内容缓存和网络状态感知的业务迁移方法与流程

本发明是以超密集无线网络在5G通信系统中的大规模应用为背景，涉及一种基于热点内容缓存和网络状态感知的业务迁移优化方法，属于无线通信技术领域。

背景技术：

随着目前对5G通信系统的研究，网络体系架构在不断扁平化，核心网下沉和业务靠近用户已经是趋势所在。其中，内容缓存技术将内容文件缓存到核心网络内部、边缘网关、小基站等，即将被访问实体从互联网中的原始服务器或者内容分发网络(Content Distribution Network，CDN)上转移到离移动用户更近的网络节点上，从而成为有效地降低网络延迟同时避免了大量的跨网数据流量、降低网络运营成本，这使得靠近用户的内容缓存具有很大的必要性；另一方面，在线视频服务涉及的网络数据实体具有自身的特殊性，如视频文件属于静态数据、文件被访问次数具有一定的聚合性，从而使得在线视频文件也具备被缓存的可能性。与此同时，特别注意到3GPP提出的标准中，3GPP TS 23.401协议明确提出在本地IP接入(Local IP Access，LIPA)架构下，小基站和本地网关(Local Gateway，LGW)合设，热点内容可存储在本地网关中，这为小基站存储内容提供了可行性。因此，小基站具有提供大量内容文件缓存的硬件条件。而小基站的地域特征也在一定程度上与内容文件被访问频率相吻合，从进一步为内容缓存的有效性创造了空间。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提供一种基于热点内容缓存和网络状态感知的业务迁移优化方法。该方法针对协作式缓存系统的业务迁移问题，提出一种将内容缓存和网络状况统一优化模型，在内容缓存的基础上，根据当前虚拟小区内基站的网络状况，如传输速率、传输带宽等，业务迁移准则为用户提供网络状况最佳、传输时延最小的服务基站，实现用户业务迁移。

技术方案：针对移动通信网络面临的容量瓶颈、用户业务体验问题，可以在超密集网络的小基站中分布式缓存一些热点内容，利用通信、计算和存储资源协同优化，既可以减小回传网的压力，又可以减小业务的端到端时延和网络通信流量，从而提升通信网络性能。

本发明提出了一种基于内容缓存和网络状态感知的业务迁移方法。根据虚拟小区内用户群体的兴趣点以及虚拟小区内流量统计特征，将热点内容缓存至分布式部署的基站群，虚拟小区内的控制基站会对基站群进行资源管理，通过感知缓存内容信息和基站的传输速率，比较当前向用户服务的服务基站和虚拟小区内其他基站的传输时延，判断当前用户服务是否需要进行业务迁移。控制基站能够实现基于业务请求、当前网络状态信息和内容感知的迁移决策，具有内容缓存的各个基站依照控制基站下发的迁移决策结果进行业务迁移，实现了控制平面与数据平面的分离。其目的为，降低整个网络用户访问内容的请求时延，实现无线资源的负载均衡，并且有效地避免了大量的跨网数据流量、降低网络运营成本提升了整体网络的服务性能。

本发明的基于内容缓存和网络状态感知的业务迁移方法，包括以下步骤：

1)系统内容库将缓存在虚拟小区内基站的内容文件按照Zipf定律分布部署到不同位置，使得虚拟小区内的基站缓存尽可能多高访问率的内容文件，具体流程为：

设一个虚拟小区内传输基站存储内容集合为S，更新周期为T，这里的更新周期是指具有缓存能力的传输基站缓存内容的更新时间，在一个更新周期T，传输基站记录内容访问率，根据访问频率按非增方式排序内容访问率服从Zipf定律分布f(i)，解出满足其中为访问频率因子，得到：

定义I≤|S|，I表示为热点内容文件的数目，热点内容集合a为缓存访问率排名前I的内容集合，内容集合b为缓存普通内容；

2)对所述步骤1)中得到的热点内容集合a和普通内容集合b，在更新周期内，将热点内容集合a分布式地缓存在虚拟小区内的基站中，而内容服务器侧缓存了内容集合a和b；

3)对所述步骤2)中得到了虚拟小区内用户群体的兴趣内容和缓存分布位置，具备协作式缓存的网络中，用户请求内容命中包括以下情况：

3-a)本地命中：当前服务基站上缓存有该被请求内容文件的副本；

3-b)服务器命中：该请求不是本地命中，则需要通过Internet向内容服务器发送请求；

4)对所述步骤3)中得到了用户请求内容命中位置，其中本地命中率与服务器命中率为：

4-a)用户请求的内容i在基站j命中，本地命中率为其中α_j表示基站j具备缓存内容能力，表示内容i是否被缓存在基站j处；

4-b)用户请求的内容i在服务器命中，服务器命中率为其中表示内容i是否属于内容服务器命中；

5)用户请求所产生的传输时延主要分为两个过程，分别是基站到用户的时延和内容服务器到基站的时延。时延表示基站j为用户传输内容i时的总传输时延，基站时延表示基站j为用户传输内容i时的传输时延，时延表示服务器为基站j传输内容i时的传输时延；

6)对所述步骤5)中得到了用户请求所产生的传输时延，具体表示如下：

6-a)用户所请求的内容在基站端无缓存时，那么被访问的基站需要向内容服务器发起请求。此时，对于用户的内容请求时延为：

6-b)用户请求的为普通内容时，基站所存储的内容库中没有，因此基站需要向内容服务器请求内容。此时，对于用户的内容请求时延为：

6-c)用户请求的为热点内容，基站能满足用户的需求。此时，对于用户的内容请求时延为：

6-d)对所述步骤6)中a)b)c)三种不同时延情况，其中a)和b)时延表示相同，可把这两种情况视为一种，因此对于用户所请求内容产生的总传输时延为：

7)对所述步骤6)中得到了用户请求内容所产生的传输时延，基站时延表示为内容服务器产生时延表示为其中s_i表示内容i文件大小，R_j表示基站j传输速率，D_server表示单位数据量服务器命中时延；

8)服务基站的网络图模型表示为G＝(N₀,E,D)，其中，N₀表示服务基站j所在虚拟小区内其他具有缓存内容的传输基站(候选目标集合)，E表示当前服务基站j迁移至候选目标集合中基站的路径集合，D表示选择不同目标基站的不同路径时所产生的时延；

9)对所述步骤8)中得到了虚拟小区内服务基站传输时延网络图，用户请求内容对系统的传输时延为：其中表示用户当前服务基站时延，表示用户迁移至基站k的传输时延，σ_jk表示为用户迁移指示符，β_i表示为用户请求内容i类别；

10)从系统的内容存放和基站网络状态角度考虑，提出判断用户发生迁移的准则，具体准则如下：

10-a)迁移目标候选集合内存在基站，满足传输速率比当前服务基站传输速率大；

其中，R₀为基站的最小传输速率；

10-b)迁移目标候选集合内存在基站，满足缓存的内容是当前服务基站不具备的；

11)对所述步骤10)中得到了业务迁移判别准则，在更新周期内，若当前服务基站j传输时延大于候选目标集合中基站k传输时延，则满足用户业务迁移准则，若当前服务基站j小于候选目标集合中基站k传输时延，但基站j无内容i缓存，则满足用户迁移准则。

有益效果

本发明针对协作式缓存系统的业务迁移问题，提出一种将内容缓存和网络状况统一优化模型，在内容缓存的基础上，根据当前虚拟小区内基站的网络状况，如传输速率、传输带宽等，业务迁移机制为用户提供网络状况最佳、传输时延最小的服务基站。MATLAB仿真结果表明在内容缓存网络下，利用业务迁移策略可以有效降低网络系统的总时延；同时，也可以降低系统的网间流量费用。

附图说明

图1为本发明的框架图。

图2为本发明的热点内容文件分布位置。

图3为本发明的控制基站和基站关系图。

图4为本发明的控制基站功能模块。

图5为本发明的流程图。

具体实施方式

以下结合实施例和说明书附图对本发明技术方案进行详细描述。

如图1所示，本发明的基于内容缓存和网络状态感知的业务迁移方法包括以下步骤：

1)步骤101，系统内容库将缓存在虚拟小区内基站的内容文件按照Zipf定律分布部署到不同位置，使得虚拟小区内的基站缓存尽可能多高访问率的内容文件，具体流程为：

设一个虚拟小区内传输基站存储内容集合为S，更新周期为T，这里的更新周期是指具有缓存能力的传输基站缓存内容的更新时间，在一个更新周期T，传输基站记录内容访问率，根据访问频率按非增方式排序内容访问率服从Zipf定律分布f(i)，解出满足其中为访问频率因子，得到：

定义I≤|S|，I表示为热点内容文件的数目，热点内容集合a为缓存访问率排名前I的内容集合，内容集合b为缓存普通内容。如图2所示，201表示热点内容集合a，202表示普通内容集合b，在更新周期内，将热点内容集合a分布式地缓存在虚拟小区内的基站中，而内容服务器侧缓存了内容集合a和b；

2)步骤102，对所述步骤101中得到了虚拟小区内用户群体的兴趣内容和缓存分布位置，具备协作式缓存的网络中，用户请求内容命中包括以下情况：

2-a)本地命中：当前服务基站上缓存有该被请求内容文件的副本；

2-b)服务器命中：该请求不是本地命中，则需要通过Internet向内容服务器发送请求；

3)对所述步骤102中得到了用户请求内容命中位置，其中本地命中率与服务器命中率为：

3-a)用户请求的内容i在基站j命中，本地命中率为其中α_j表示基站j具备缓存内容能力，表示内容i是否被缓存在基站j处；

3-b)用户请求的内容i在服务器命中，服务器命中率为其中表示内容i是否属于内容服务器命中；

4)步骤103，用户请求所产生的传输时延主要分为两个过程，分别是基站到用户的时延和内容服务器到基站的时延。时延表示基站j为用户传输内容i时的总传输时延，基站时延表示基站j为用户传输内容i时的传输时延，时延表示服务器为基站j传输内容i时的传输时延；

5)对所述步骤103中得到了用户请求所产生的传输时延，具体表示如下：

5-a)用户所请求的内容在基站端无缓存时，那么被访问的基站需要向内容服务器发起请求。此时，对于用户的内容请求时延为：

5-b)用户请求的为普通内容时，基站所存储的内容库中没有，因此基站需要向内容服务器请求内容。此时，对于用户的内容请求时延为：

5-c)用户请求的为热点内容，基站能满足用户的需求。此时，对于用户的内容请求时延为：

5-d)对所述步骤5)中a)b)c)三种不同时延情况，其中a)和b)时延表示相同，可把这两种情况视为一种，因此对于用户所请求内容产生的总传输时延为：

6)对所述步骤5)中得到了用户请求内容所产生的传输时延，基站时延表示为内容服务器产生时延表示为其中s_i表示内容i文件大小，R_j表示基站j传输速率，D_server表示单位数据量服务器命中时延；

7)服务基站的网络图模型表示为G＝(N₀,E,D)，其中，N₀表示服务基站j所在虚拟小区内其他具有缓存内容的传输基站(候选目标集合)，E表示当前服务基站j迁移至候选目标集合中基站的路径集合，D表示选择不同目标基站的不同路径时所产生的时延；

8)对所述步骤7)中得到了虚拟小区内服务基站传输时延网络图，用户请求内容对系统的传输时延为：其中表示用户当前服务基站时延，表示用户迁移至基站k的传输时延，σ_jk表示为用户迁移指示符，β_i表示为用户请求内容i类别；

9)步骤104，从系统的内容存放和基站网络状态角度考虑，提出判断用户发生迁移的准则，具体准则如下：

9-a)迁移目标候选集合内存在基站，满足传输速率比当前服务基站传输速率大；

其中，R₀为基站的最小传输速率；

9-b)迁移目标候选集合内存在基站，满足缓存的内容是当前服务基站不具备的；

10)对所述步骤104中得到了业务迁移判别准则，在更新周期内，若当前服务基站j传输时延大于候选目标集合中基站k传输时延，则满足用户业务迁移准则，若当前服务基站j小于候选目标集合中基站k传输时延，但基站j无内容i缓存，则满足用户迁移准则。

本发明提出一种基于内容缓存和网络状态感知的业务迁移方法，如图3所示，在无线接入网部分，密集部署了各种大小基站，其中有301控制基站、有已有内容缓存的基站和无内容缓存的基站。虚拟小区作为控制平面，每个虚拟小区里有一个本地集中控制基站，对该小区的基站进行集中管控，完成统一的配置协调和作为虚拟连接锚点。301作为集中管理基站，需要与虚拟小区内的基站群之间建立X2接口，用于配置信息的下发和基站网络状态信息的上报。

本发明提出一种基于内容缓存和网络状态感知的业务迁移方法，虚拟小区内的301会对基站群进行资源管理，301能够实现基于业务请求、当前网络状态信息和内容感知的迁移决策，具有内容缓存的各个基站依照控制基站下发的迁移决策结果进行业务迁移，实现了控制平面与数据平面的分离。如图4所示，301功能模块包括：

1)模块401为控制基站的资源管理模块，包括402收集模块与403统计模块。

2)模块402将周期性地收集虚拟小区内基站群的网络、业务、终端、内容、用户等数据信息，其中具体信息如下：

2-a)网络状态信息：基站接纳用户数、基站承载能力、基站剩余带宽资源、基站传输速率；

2-b)业务状态信息：终端用户业务类型；

2-c)终端状态信息：终端用户位置信息、终端用户移动速度；

2-d)内容缓存信息：基站的内容缓存信息；

2-e)用户偏好信息：流行度高的内容信息；

3)模块403将模块402周期性收集的所有信息进行数据分类处理和统计计算处理。

4)模块404为控制基站的决策控制模块，包括405决策模块和406下发模块。

5)模块405根据模块401在更新周期内所收集且处理完的信息进行判别业务迁移准则。

6)模块406根据模块405在更新周期内所判别的业务迁移信息下发至虚拟小区内相对应的基站。

本发明提出一种基于内容缓存和网络状态感知的业务迁移方法，如图5所示，在模块405中具体的业务迁移判别流程如下：

1)触发条件501表示为在虚拟小区内的基站群中，若满足传输速率比当前服务基站传输速率大时，触发业务迁移条件；触发条件502表示为迁移目标候选集合内存在基站，满足缓存的内容是当前服务基站不具备的时，触发业务迁移条件；

2)在触发条件生效时，一级判决包含如下：

2-a)判决条件503表示为筛选出虚拟小区内具有缓存能力的基站；

2-b)判决条件504表示为筛选出虚拟小区内具有缓存相同内容文件的基站；

2-c)判决条件505表示为筛选出虚拟小区内具有充足带宽资源的基站；

3)在一级判决生效时，二级判决包含如下：

3-a)条件506表示为筛选的出迁移目标候选集合；

3-b)条件507表示为根据基于内容缓存和网络状态感知的业务迁移方法，筛选出迁移目标候选集合内传输时延最小的基站；

3-c)条件508表示为得到迁移目标基站；

4)在二级判决生效时，三级判决条件509表示为比较当前服务基站对用户请求内容的总传输时延和迁移目标基站对用户请求内容的总传输时延的大小，若当前服务基站对用户请求内容的总传输时延大于迁移目标基站对用户请求内容的总传输时延，则将用户服务业务迁移至迁移目标基站，反之，此更新周期内迁移准则判定失效，等待下个周期到来继续判别。