一种面向5G用户为中心网络Cache部署的内容传送方法与流程

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及第五代移动通信系统(the 5th generation，简称为5G)超密集组网场景下以用户为中心网络中Cache部署的研究。

背景技术：

移动互联网和智能终端的快速发展带来了移动数据业务的爆发式增长，数据流量呈现指数式增长。这些变化引发了业界对第五代(5G)移动通信的讨论。未来的网络将面对巨大的挑战，这些挑战包括更大的容量，更低的时延等。而超密集网络(ultra-dense network，简称为UDN)是第五代(5G)移动通信的关键技术之一。小型化基站(small cell)的密集部署可以提高覆盖，同时增加数据业务的传输速率，从而适应未来5G移动通信1000倍的数据业务量需求。

但站点的密集部署会带来干扰、backhaul部署等问题。为解决干扰问题，提升网络效率，5G移动通信研究的重要方向之一就是构建用户为中心的网络。用户为中心的网络通过为用户构建动态的协作传输点集合实现网络跟随用户移动，始终为用户提供高质量的服务。传输点集合中的传输点(Transmission point，简称为TP)按照功能分为两类，一类是服务TP，一类是同步TP。服务TP是当前正在为终端提供服务的TP；而同步TP是潜在的服务TP，但已做好资源预留和数据准备，随时能为终端提供服务的TP。

从业务角度来看，移动流媒体的快速发展对带宽和时延提出了更高的要求。但在超密集组网中受限于部署条件难以实现全光纤的理想backhaul部署，而非理想backhaul的部署在带宽和时延上都会影响移动流媒体业务的服务质量。此外，不同内容的热度也有区别，其表现为在某一时间段为，用户往往集中需求相同的内容。而核心网多次向站点传输相同内容也会加大backhaul的压力。为解决上述问题，减少冗余数据的传输，在TP上部署Cache成为有效的解决方案。考虑到Cache容量受限，单一站点无法实现全部内容的存储。

因此，如何利用基于Cache部署的用户为中心网络中站点协作的特征，设计全新的内容搜寻和传送机制，针对相同的用户内容请求，减少站点与核心网间冗余的数据传输，降低backhaul压力和数据传输时延是需要解决的关键问题。

技术实现要素：

本发明的Cache部署主要考虑用户为中心网络中站点间的协作特性，具体表现为网络为用户构建传输点集合后，用户在请求某一内容时，会首先在传输点集合内寻找，若内容存在，则通过站点间的协作为用户提供该内容。若内容不存在，再考虑扩大请求的范围。

进一步，本发明在符合超密集网络部署的场景中为用户构建传输点集合，超密集网络由宏基站和密集部署的传输点构成，宏基站完成控制管理功能，网络会在宏基站和每个传输点上部署Cache。因此，本发明主要针对用户为中心网络如何为用户搜寻和传送所需内容。

本发明的Cache部署方案包括以下步骤：

步骤200，传输点集合中的服务TP在自己的Cache中查找用户需要的内容。

用户将对某一内容的请求发送给传输点集合中的服务TP。服务TP在自身的Cache中查找是否存储了这一内容。如果该内容已经存在，服务TP计算用户的接收速率。用户j的接收速率R_i,j计算如式(1)所示：

其中，上述式(1)中，h_ij代表用户j与服务TP i之间的信道衰落，g_ij代表用户j与服务TP i之间的路径损耗。P_i代表服务TP i的发射功率，N代表噪声功率。Q为TP与宏基站构成的基站集合。h_kj代表用户j与站点k(除服务TP i外的其余站点)之间的信道衰落，g_kj代表用户j与站点k之间的路径损耗，P_k代表站点k的发射功率。

若用户j接收速率R_i,j大于业务的需求速率T，服务TP为用户进行传送，否则传输点集合更新服务TP，将用户需求内容转发给新的服务TP，由新的服务TP为用户传送。

若用户需求内容无法在服务TP查找到，则进入下一步。

步骤210，传输点集合中的同步TP查找是否存储用户需要的内容。

服务TP并没有存储用户需要的内容，那么服务TP会将用户的请求转发给传输点集合中的同步TP。多个同步TP会同时在自己的Cache中查找中用户请求的内容。如果同步TP查找到用户需要的内容，并且同步TP与用户之间传输速率(由公式(1)计算)能满足业务要求的速率T，那么同步TP更新为服务TP，为用户直接进行数据传输；若信道状态无法满足要求，同步TP将该内容由站间链路传输给服务TP，由服务TP为用户进行传输。若多个同步TP中均没有找到用户需要的内容，同步TP回复服务TP查找失败，进入下一步。

步骤220，服务TP将用户的请求发送给宏基站，宏基站在其自身的Cache中查找。

服务TP将用户对某一内容的请求发送给宏基站，宏基站首先在自身的Cache中查找，如果能够找到，并且宏基站与用户间的传输速率(由公式(1)计算传输速率)能够满足速率要求，由宏基站为用户提供服务，否则，宏基站将该内容传送给服务TP，由服务TP为用户进行传输。如果宏基站中无法找到，则进入下一步。

步骤230，宏基站将用户的请求发送给其覆盖管理范围内的其他传输点，这些传输点均在自身的Cache中查找。

当宏基站无法在自身的Cache中查找到用户需求的内容时，宏基站将用户的请求发送给其管理范围内的其他传输点，收到该请求的传输点均在自身的Cache中搜寻。如果能够找到，将该内容传输给宏基站，根据信道状态，由宏基站为用户提供服务，或者由宏基站转发给服务TP，由服务TP为用户提供服务。如果在宏基站管理范围内的TP都无法找到用户需求的内容，回复宏基站查找失败，则进入下一步。

步骤240，宏基站将用户的请求通过核心网发送给服务器，从服务器取得用户需求的内容。

如果在传输点集合、宏基站以及宏基站管理的传输点中都无法找到用户需求的数据，宏基站会将用户的请求通过核心网发送给服务器，由服务器提供用户需求的内容。当宏基站取得用户需求的内容后，若信道状态满足要求速率要求T，可由宏基站直接为用户传输，否则宏基站将内容转发给服务TP，由服务TP为用户传输。

有益效果

本发明的内容传送机制可以充分利用用户为中心网络中站点间的协作特征，通过在传输点集合、宏基站以及宏基站管理的站点中搜寻，扩大了内容搜寻的范围，同时在传输时考虑站点和用户间的链路状态，选择满足速率要求的站点进行传输，因此在提高Cache命中率的同时兼顾了空口速率，在保证速率的同时降低了时延和backhaul压力。

附图说明

图1是本发明的基于Cache部署的用户为中心网络模型图；

图2是本发明的算法实施流程图；

图3是本发明的Cache覆盖率仿真示意图；

具体实施方式

本发明实施案例结合附图做详细说明。

实例1是本发明的基于Cache部署的用户为中心网络下的内容传输机制，附图1是实际应用的系统架构和场景。在站点密集部署的用户为中心网络中，网络为用户构建传输点集合，红色TP代表服务TP，蓝色TP代表同步TP，宏基站和每个TP上都部署了Cache，各个TP通过backhaul链路与宏基站相连，宏基站通过网关接入核心网。

我们将网络分为两层。第一层是宏基站从核心网获得数据用来提供覆盖。数据从核心网经由网关后，由光纤链路推送至宏基站。第二层由TP组成，通过回程链路从上一层宏基站获得数据，用于提高网络的覆盖，实现传输节点的无规划部署，进一步提高网络的容量。

本方案的机制实现由服务TP执行，其简要流程如附图2所示。用户将对某一内容的请求发送给服务TP。如果服务TP没有存储该内容，将由服务TP通过与同步TP、宏基站的交互协作解决。

这里，服务TP与同步TP、宏基站的交互协作主要体现当服务TP的Cache中没有存储用户需求的内容时，服务TP将用户请求转发，扩大内容的搜寻范围。在同步TP、宏基站无法直接与用户相连进行数据传输时，由服务TP从同步TP或宏基站获取用户需求的内容，完成数据传输。

用户为中心网络内容传送机制的步骤：

步骤300，网络为用户构建传输点集合，确定服务TP和同步TP。

步骤310，用户将对某一内容的请求发送给服务TP，服务TP在Cache中查找是否已存储该内容。若该内容存在并且速率满足要求，服务TP直接为用户传输。若速率不满足要求，更新服务TP，原服务TP将内容转发至新的服务TP，由新服务TP为用户传输。

步骤320，如果服务TP中没有存储用户需求的内容，服务TP将用户请求发送给传输点集合中的同步TP。

步骤330，同步TP收到服务TP转发的用户请求后，在Cache中搜寻是否存在该内容。若该内容存在，且同步TP与用户间链路状态满足要求，同步TP为用户传输，否则转发给服务TP，由服务TP为用户传输。

步骤340，如果同步TP中没有存储用户需求的内容，回复服务TP查找失败，服务TP将用户的请求转发给宏基站。宏基站在Cache中搜寻，如果请求的内容存在，其宏基站与用户间链路满足要求，宏基站直接为用户传输；否则，宏基站将内容转发给服务TP，由服务TP为用户传输。

步骤350，如果宏基站中没有存储该内容，宏基站将用户请求转发给其管理范围内的传输点，各个传输点在Cache中搜寻。如果请求的内容存在，将其转发给宏基站。如果宏基站能够为用户服务，宏基站直接与用户建立连接传输数据；否则，回复宏基站查找失败，宏基站将数据转发给服务TP，由服务TP为用户传输。

步骤360，如果宏基站管理范围内的传输点均未存储用户需求内容，宏基站将请求通过核心网发送至服务器，从服务器获取用户需求的内容。如果宏基站能够为用户服务，宏基站直接与用户建立连接传输数据；否则，宏基站将数据转发给服务TP，由服务TP为用户传输。

仿真结果如附图3所示。附图3是Cache覆盖率的仿真示意图。Cache覆盖率表示在满足要求的传输速率下的Cache命中率，即用户为中心网络的覆盖率和Cache的命中率共同决定了Cache覆盖率。横坐标代表Cache的大小。该仿真结果给出了在不同速率要求下在传输点集合中查找文件的覆盖率与超密集网络的对比。因为在实际的cache的部署中，用户通过传输点集合或者服务小站的cache查找及获取文件所带来的时间等开销要远远小于用户利用宏基站以及宏基站管理的站点进行搜索及获取内容，故主要考虑了传输点集合的查找过程。由仿真结果可看出，在相同的Cache大小下，相比于超密集网络，用户为中心网络能实现Cache覆盖率的极大提升。