网络能量最小开销方法
【专利摘要】本发明涉及一种网络能量最小开销方法，包括以下步骤：分析网络中的存储能耗、传输能耗及它们之间的关系；根据网络中的缓存能耗、传输能耗建立网络中eNodeB的最小化网络能耗模型；通过对最小化网络能耗模型求解，得出所述eNodeB之间的协同缓存策略；网络中的eNodeB与SGW相互协作用于降低请求的传输距离，以减小网络传输时延和网络传输能耗。本发明基于无线接入网络eNodeB配备缓存能力，采用本发明提供的网络能量最小开销方法能够有效的减少网络能耗及减少网络时延，提高用户体验。
【专利说明】网络能量最小开销方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及计算机网络领域，尤其涉及一种网络能量最小开销方法。
【背景技术】
[0002]随着科技的不断发展，因特网已经成为一个统一、全球范围内的分布式系统。传统的Web内容和越来越多的视频文件,如用户产生视频(User Generation Video, UGV)、视频点播(Video on Demand)等，都通过因特网进行内容分发和传输。据思科公司2012年报估计，到2015年视频点播类流量会增长到3X1019。为了减少访问内容的访问延时和网络传输流量，网络设备的缓存能力被提出成为其基本属性，网络设备，包括路由器等设备按照一定的策略对其经过的数据包进行缓存，从而可以为后续到来的请求提供更好的服务。演进式基站节点(Evolved Node Basestation, eNodeB)是长期演进技术(Long TermEvolution, LTE)中基站的名称，作为接入用户的最后一公里，。无线接入网络(RationAccess Network)的eNodeB也被提出应具备缓存能力。eNodeB具备缓存能力对提升网络性能有很大的意义，而现有技术仍没有设计专门针对eNodeB缓存能力的缓存策略。
[0003]如图1所示，移动用户将请求首先给某个eNodeB发送，在传统方案中eNodeB收到请求后只承担请求路由转发的功能，eNodeB负责将请求发送到服务网关(Service Gate,SGff)0当eNodeB节点具备缓存能力之后，其收到请求先查找本地的存储空间，看请求是否能在本地得到满足，如满足则直接向移动用户返回请求内容；反之则向SGW转发。
[0004]综上所述，给eNodeB具备缓存能力可以将用户的访问内容更靠近地推送给用户，以减少用户对访问内容的访问时延，。从网络能耗的角度考虑，图1中为满足用户请求产生的网络能耗Etot主要包括传输能耗Eta和缓存能耗Εμ。通过给eNodeB配备缓存能力可以减少了内容的传输能耗，但也会带来额外的缓存能耗。传输能耗开销和存储能力开销存在对立的关系。在给定无线网络拓扑，eNodeB节点的缓存大小，需要决定在缓存空间放置哪些内容，可以使网络能耗最小；当缓存空间满了以后，则需要决定是否进行内容的替换。针对这些问题，当前仍没有系统模型研究无线接入网络中因eNodeB配备缓存设备后传输能耗和缓存能耗的关系。
[0005]Ahlehagh 等人在 “ In Wireless Communications and Networking Conference(WCNC)，2012IEEE, pages2276 - 2281.1EEE, 2012.”《Video caching in radio accessnetwork:1mpact on delay and capacity》中提出一种在无线接入网络的eNodeB节点放置内容的策略来尽量避免在核心网络的内容传输，但是他们的工作仅仅关注于eNodeB的缓存决策，而没有提及由于在eNodeB设置缓存而带来缓存能耗开销，也没有对缓存能耗和传输能耗的关系讨论。
[0006]Gupta和Singh是最早研究因特网能耗的学者，他们在“In Proceedings ofthe2003conference on Applications, technologies, architectures, and protocols forcomputer communications, pagesl9 - 26.ACM, 2003.，，《Greening of the internet》中提出美国网络设备的耗电占美国总耗电量的0.07%，并且逐年呈指数级增长的趋势。当前的技术主要关注于如何减小网络能耗，如Nedevschi等人提出一种周期性令设备休眠的机制来节约能耗，但是这种方案不适用于实时的网络设备，因为该方案有可能造成不可接受的网络时延；Raghavan 等人在 “ InProceedings of the2003conference on Applications, technologies, architectures, and protocols for computer communications, pagesl9 - 26.ACM, 2003.”中提出一种模型来近似因特网的能耗开销，他们主要计算因特网的操作能耗。Nedevschi和Raghavan对网络能耗的研究方案都不能直接应用于无线接入网络eNodeB节点的缓存。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是针对以上问题， 提供了一种可以有效较少网络能耗的网络能量最小开销方法。
[0008]为实现上述目的，本发明提供了一种网络能量最小开销方法，所述网络包括服务网关SGW、至少两个演进式基站节点eNodeB,所述至少两个演进式基站节点eNodeB具有缓存能力，其特征在于，所述方法包括以下步骤:
[0009]分析网络中的网络能耗及其关系，所述网络能耗包括缓存能耗和传输能耗，所述传输能耗是将内容k从一个所述eNodeB传输到另一个所述eNodeB的能量消耗；
[0010]根据所述网络中的网络能耗及其关系建立网络中所述eNodeB的最小化网络能耗模型；
[0011]通过对所述最小化网络能耗模型求解，得出所述eNodeB之间的协同缓存策略；
[0012]基于协同缓存策略，所述网络中的所述eNodeB与所述SGW对内容进行选择性存储以及传输，相互协作用于降低请求的传输距离，以减小网络传输时延和网络传输能耗。
[0013]进一步地，协同缓存策略包括放置决策和路由决策。
[0014]进一步地，所述最小化网络能耗模型包括:
[0015]目标函数，所述目标函数为在时间t内所述网络能耗中所述缓存能耗与所述传输能耗总和的最小值；
[0016]第一约束条件，所述第一约束条件为eNodeB放置内容的总和不能超过所述eNodeB可用的缓存空间大小；
[0017]第二约束条件，所述第二约束条件为请求或被第一个接收的eNodeB满足，或通过SGff转发由同一个无线接入网的其它eNodeB满足，或通过SGW转发到内容源服务器处得到满足；
[0018]第三约束条件，所述第三约束条件为SGW只有在Nj节点存储了所述内容k的前提下，将在eNodeB节点Ni对所述内容k的请求转发到节点N」。
[0019]进一步地，所述目标函数为:
[0020]
【权利要求】
1.一种网络能量最小开销方法，所述网络包括服务网关SGW、至少两个演进式基站节点eNodeB,所述至少两个演进式基站节点eNodeB具有缓存能力，其特征在于,所述方法包括以下步骤: 分析网络中的网络能耗及其关系，所述网络能耗包括缓存能耗和传输能耗，所述传输能耗是将内容k从一个所述eNodeB传输到另一个所述eNodeB的能量消耗； 根据所述网络中的网络能耗及其关系建立网络中所述eNodeB的最小化网络能耗模型； 通过对所述最小化网络能耗模型求解，得出所述eNodeB之间的协同缓存策略； 基于协同缓存策略，所述网络中的所述eNodeB与所述SGW对内容进行选择性存储以及传输，相互协作用于降低请求的传输距离，以减小网络传输时延和网络传输能耗。
2.如权利要求1所述的网络能量最小开销方法，其特征在于，协同缓存策略包括放置决策和路由决策。
3.如权利要求1所述的网络能量最小开销方法，其特征在于，所述最小化网络能耗模型包括: 目标函数，所述目标函数为在时间t内所述网络能耗中所述缓存能耗与所述传输能耗总和的最小值； 第一约束条件，所述第一约束条件为eNodeB放置内容的总和不能超过所述eNodeB可用的缓存空间大小； 第二约束条件，所述第二约束条件为请求或被第一个接收的eNodeB满足，或通过SGW转发由同一个无线接入网的其它eNodeB满足，或通过SGW转发到内容源服务器处得到满足； 第三约束条件，所述第三约束条件为SGW只有在Nj节点存储了所述内容k的前提下，将在eNodeB节点Ni对所述内容k的请求转发到节点Nj。
4.如权利要求3所述的一种网络能量最小开销方法，其特征在于，所述目标函数为:
5.如权利要求3或4所述的一种网络能量最小开销方法，其特征在于，所述第一约束条件为:
6.如权利要求3或4所述的一种网络能量最小开销方法，其特征在于，所述第二约束条件为:
7.如权利要求3或4所述的网络能量最小开销方法，其特征在于，所述第三约束条件为:
8.如权利要求1所述的网络能量最小开销方法，其特征在于，所述协同缓存测量是指eNodeB之间相互协作来决定缓存空间的所述内容放置和替换策略。
9.如权利要求1所述的网络能量最小开销方法，其特征在于，采用启发式算法求解所述目标函数最优解。
10.如权利要求1所述的网络能量最小开销方法，其特征在于，所述传输能耗主要由所述网络路由器和连接所述路由器的链路引起的能耗。
11.如权利要求1或4所述的网络能量最小开销方法，其特征在于，在同一子网中所述Ni到所述％转发所述内容k产生的传输能耗用Efc iJk表示:
Etr, ijk — Sk [pr (djj + 1) +P1Clij] 其中，Clij表示所述eNodeB是所述Ni到所述Nj之间的网络距离。
【文档编号】H04W52/02GK103747509SQ201310722830
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】徐月梅, 李杨, 林涛, 赵志军, 慈松 申请人:中国科学院声学研究所