本发明提供了一种无线缓存网络的文件传输和波束赋形设计方法，属于无线接入云网络、波束赋形设计以及功率分配
技术领域：
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背景技术：
：第五代无线网络(5g)的发展为无线网络支持更多需要大量数据的应用，如增强和虚拟现实技术(ar/vr)、视频游戏等，铺平了道路。数据传输的低时延特性对这些需要大量数据的应用至关重要，因为网络时延过高将会影响用户的整体体验质量(qoe)。为了降低云无线网络(c-rans)中用户的下载时延，将文件缓存在基站中以及设计相应有效的波束赋形设计方法引起了学术界与工业界的广泛关注。在无线缓存网络中用户请求不同文件的概率在某些时间段相差很大，即根据网络的潮汐效应，一部分文件被用户请求的概率高出其它被请求的文件许多，也就是说具有很高的流行度。由于文件流行度分布的不均衡特性，在基站侧安装相应的缓存设备缓存流行度高的文件，以减少文件到用户的传输距离，进而减少用户获得所需文件的网络传输时延。同时，此种网络传输方式避免了用户每次请求的文件，都是从远端文件服务器中获得，降低了核心网和回程链路的负载。现有缓存文件传输策略和波束赋形设计方法，虽然能够降低用户的下载时延，但是这两种重要的影响用户文件下载时延的因素都是被分开研究的。缓存文件的传输策略仅仅影响回程时延的大小，而波束赋形设计方法是为了降低基站与用户之间的传输时延。之前的文献只是单一的研究缓存文件的传输策略或是波束赋形设计算法，这样的结果是仅仅能够降低回程时延或是基站与用户之间的传输时延。所以如何综合考虑缓存文件的传输策略和波束赋形设计方法来降低用户的下载时延成为一个亟待解决的问题。本发明的目的是致力于解决上述的缓存文件传输策略和波束赋形设计方法联合设计，以降低用户的文件下载时延。技术实现要素：本发明的目的是在无线缓存网络中，综合考虑缓存文件的传输策略及波束赋形，降低用户的文件下载时延，提出了一种无线缓存网络的文件传输与波束赋形设计方法。一种无线缓存网络的文件传输和波束赋形设计方法，简称本方法；所依托的无线缓存网络系统，包括：i个单天线用户、j个基站、一个中心节点，其中i个单天线用户和j个基站的位置随机，每个基站的天线数为nt，各基站均设有存储装置来缓存文件，中心节点存储用户请求的所有文件，各个基站通过有线或者无线回程链路连接到中心节点；且中心节点能够实时感知基站和用户之间链路的信道状态信息以及各个基站缓存文件的情况；本方法包括中心节点到基站以及基站到用户的文件传输策略；其中，中心节点到基站的文件传输策略具体体现为：对于用户请求的文件，基站向该用户传输该文件的比例设计，即中心节点向基站下发的文件比例；其中，中心节点向基站下发的文件比例，简称文件传输比；基站到用户的文件传输策略，即基站向用户传输文件的发射波束赋形设计，简称波束赋形设计；具体设计时：考虑到基站与用户之间无线链路上的路径损耗、衰落和噪声、中心节点到各个基站回传链路的传输时延、以及文件的流行度分布；其中，中心节点到各个基站回传链路的传输时延，回传时延；基站到用户的文件传输策略，具体为：中心节点存储所有用户请求的文件，基站存储设备缓存了用户请求的一部分文件；用户可以接入一个或者多个基站，多个基站可以对用户发起协作文件传输，各个基站决定对各用户文件传输比，该比值同时影响中心节点到基站的文件传输；当用户发起文件请求时，根据基站和用户之间无线链路的信道质量、基站对用户文件的缓存状态、回传时延确定基站对用户的文件传输比，中心节点是否向基站传输文件，以及基站对用户的发射波束赋形设计；用户i和基站j的距离为dij，路径损耗为用户i和基站j之间的信道hij服从某衰落分布，噪声为功率为pi，noise的加性高斯白噪声,pj为基站j最大发射功率；si为用户i接入的所有基站集合，si中的所有基站可以对用户传输文件；一种无线缓存网络的文件传输和波束赋形设计方法，包括如下步骤：步骤1、用户i需要文件f时，向si中的基站发起对f的文件传输请求，基站收到用户i发送的文件传输请求后，更新文件请求变量qfi：步骤2、用户i向所有属于si的基站j反馈的基于路径损耗和信道测量信息得到的信道增益hij和噪声功率pi，noise；步骤3、基站获得被请求文件f的缓存状态，更新cfj：获得cfj后，基站向中心节点反馈hij，qfi，cfj，pi，noise，以及针对文件f中心节点到基站的传输时延djf；步骤4、中心节点获得步骤3中基站向中心节点反馈的hij，qfi，cfj，pi，noise，以及针对文件f中心节点到基站的传输时延djf后，通过如下子步骤确定基站j对用户i的发射波束赋形值wij，基站j对用户i请求的文件f的文件传输比xi，f，j；步骤4.1系统初始化迭代计数器的计数值，迭代计数器计数值记为t；初始化迭代计数器t＝0,初始化发射波束赋形矢量文件传输比变量迭代终止门限∈1；步骤4.2计算设置迭代终止门限∈2，迭代计数器n＝0，其中步骤4.3如果n＝0,采用初始化采用f(n)＝f(t)初始化f(n)；步骤4.4n＝n+1，求解以下问题获得exp(-βij)≤log2(1+rij),步骤4.5获得当前最优目标值通过更新通过f(n)＝f*更新f(n)；步骤4.6计算|f(n)-f(n-1)|,如果|f(n)-f(n-1)|＜∈1,到步骤g；否则返回步骤4.3；步骤4.7t＝t+1,计算其中步骤4.8根据文件流行度分布pf和文件大小lf，得到针对文件f用户基站j到用户i的传输时延步骤4.9对于用户i和文件f，获得传输时延最小的基站j*＝argminjτifj,并按照如下式子计算步骤5、更新迭代计数器的计数值，计算计算|ft-f(t-1)|＝|ft-fpre|,如果|ft-fpre|＜∈2,到步骤6；否则返回步骤4.2；步骤6、中心节点向基站j下发对应和如果且cfj＝0，则中心节点同时向基站j下发文件f；步骤7、基站j根据收到的决定是否向用户i传输文件f,如果基站采用为发射波束赋形向用户i发起文件传输，否则不发起文件传输。有益效果本发明一种无线缓存网络的文件传输和波束赋形设计方法，与其它文件传输策略及波束赋形设计方法相比，具有如下有益效果：1.可以支持基站根据基站与用户的链路状况，动态的调整基站发送给用户的文件大小；2.所提出的无线缓存网络的文件传输和波束赋形设计方法以用户的平均下载时延作为优化目标使得各用户之间的下载时延差异变小，保证了用户之间的公平性。附图说明图1为本发明一种无线缓存网络的文件传输和波束赋形设计方法的下行无线缓存网络场景图；图2为本发明一种无线缓存网络的文件传输和波束赋形设计方法的下行无线缓存网络场景图；图3为本发明及实施例中的文件传输和波束赋形设计方法与其他方案的用户平均下载时延在不同zipf情况下的对比图；图4为本发明及实施例中的文件传输和波束赋形设计方法与其他方案的用户平均时延在不同基站天线情况下的对比图。具体实施方式为使本发明的目标、技术方案及优点更加清楚明确，下面将结合附图对本发明的实施例进行详细的描述。本实施例以本发明的技术方案为指导进行实际的实践核验，同时给出了详细的实施方式和具体的操作流程，但本发明的保护范围并不只限于如下的实施例。实施例1假设网络拓扑为3个500m*500m矩形区域，每个区域中心各有一个宏基站，此宏基站覆盖整个矩形网络区域，并且每个宏基站配置4根天线，具有相同的存储空间。9个用户随机分布在仿真区域，用户设备安装了单个天线，设用户到基站的最小距离为400m；系统带宽为1mhz，噪声功率谱密度为-106dbm/hz，信道路径损耗和阴影衰落表示为128.1+37.6log10(d)+n(0，8)db，其中d(单位：km)为用户到服务微基站的距离。各个微基站最大发射功率相同，均为5w。文件数为15，各个文件大小在8～10mbit之间随机选择，文件热度服从zipf分布。本发明提出的无线缓存网络的文件传输和波束赋形设计方法的流程如下：步骤a、用户i需要文件f时，向si中基站发起对f的文件传输请求；基站收到用户发送的文件传输请求后，更新文件请求变量qfi：步骤b、用户i向所有属于si的基站j反馈的基于路径损耗和信道测量信息得到的信道增益hij和噪声功率pi，noise＝10-10w；步骤c、基站获得被请求文件f的缓存状态，更新cfj：获得cfj后，基站向中心节点反馈hij，qfi，cfj，pi，noise，以及针对文件f中心节点到基站的传输时延djf；步骤d、中心节点获得上述值后，通过以下步骤确定基站j对用户i的发射波束赋形值wij，基站j对用户i请求的文件f的文件传输比xifj。a.设置迭代计数器t＝0,初始化发射波束赋形矢量文件传输比变量迭代终止门限∈1；b.计算设置迭代终止门限∈2，迭代计数器n＝0，其中c.如果n＝0,采用初始化采用f(n)＝f(t)初始化f(n)d.n＝n+1，求解以下问题获得exp(-βij)≤log2(1+rij),e.获得当前最优目标值通过更新通过f(n)＝f*更新f(n)，f.计算|f(n)-f(n-1)|,如果|f(n)-f(n-1)|＜0.005,到步骤g；否则返回步骤c.g.t＝t+1,计算其中h.根据文件流行度分布pf和文件大小lf，得到针对文件f用户基站j到用户i的传输时延i.对于用户i和文件f，获得传输时延最小的基站j*＝argminjτifj,并按照如下式子计算j.计算|ft-f(t-1)|＝|ft-fpre|,如果|ft-fpre|＜0.005,到步骤5；否则返回步骤b.步骤e、中心节点向基站j下发对应和如果且cfj＝0，则中心节点同时向基站j下发文件f。步骤f、基站j根据收到的决定是否向用户i传输文件f,如果基站采用为发射波束赋形向用户i发起文件传输，否则不发起文件传输。测试中分别对下表中5种方案进行比较，测试性能为1000组拓扑下的性能平均。表1提出的无线缓存网络的文件传输和波束赋形设计方法与其它四种方案对比方案用户接入和功率分配方案方案1提出的波束赋形算法和文件传输策略方案2提出的波束赋形算法，等文件比例传输策略方案3提出的波束赋形算法，随机文件比例传输策略方案4提出的波束赋形算法，仅传输缓存的文件策略方案5提出的波束赋形算法，无缓存文件的传输策略图3给出了随着文件流行度参数增大用户平均时延大小的变化情况。可以看到，采用本发明的无线缓存网络的文件传输和波束赋形设计方法后能大大降低用户平均时延。图4给出了文件流行度参数一定，随着基站天线数增大用户的平均下载时延的变化情况，采用所提无线缓存网络的文件传输和波束赋形设计方法时，用户的平均下载时延相对于无缓存的文件传输策略相比下降47.4％。综上所述，本发明提出的无线缓存网络的文件传输和波束赋形设计方法能够有效降低用户的平均下载时延，从而提升系统性能的优势，具有实际的应用意义。以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和优点益处都进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12