一种基于异构混合缓存的网络资源分配方法和装置与流程

本发明涉及网络资源分配领域，更具体地，涉及一种基于异构混合缓存的网络资源分配方法和装置。

背景技术：

随着智能手机的发展，业务类型多种多样，尤其是数据业务占比越来越大。在5g网络中，用户对于数据业务的需求产生了新的变化，用户需求的数据容量越来越大，比如虚拟现实，同时也需要低时延的数据传输来保证实时性。基站与核心网之间的回程链路由于受到链路带宽的限制，非常不利于大容量低时延的数据传输。

在下一代无线网络中，移动边缘缓存(mobileedgecaching，mec)被认为是一种很有前途的技术移动边缘缓存的主要思想是在网络边缘，无论是在基站处或用户设备处预先缓存视频内容，以使缓存内容更接近用户。通过视频的缓存，用户可以从相邻的边缘服务器获得缓存内容，而不是远程的云服务器，以满足快速传输数据信息的需求，从而随时随地为移动设备提供数据服务。。

通过基站缓存缩短了无线传输距离，降低了传输时延，与传统的内容分发网络相比，大大提高了用户的服务质量。d2d缓存可以从邻近设备上的获得缓存内容，从而节省大量的空口带宽和能源消耗，而且还可以利用资源丰富的用户设备来满足实时交互和低延迟传输的需要。通过基站缓存，我们可以减少回程流量并提高能效和频谱效率，通过d2d缓存可以增加传输增益和提高网络的可扩展性。

d2d缓存是基站缓存的有力补充。在基站缓存和d2d缓存的混合传输系统中，存在集中式的缓存资源和分布式缓存资源，两种资源由于地理位置和功率消耗的不同，同时用户处于不同的移动过程中，如何协调这些因素，同时最大化网络整体性能，成为需要研究的重要问题。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于异构混合缓存的网络资源分配方法和装置。

根据本发明的一个方面，提供一种基于异构混合缓存的网络资源分配方法，包括：

在基于移动边缘缓存的异构混合网络中，基站缓存和d2d缓存同时存在，通过基站处mec服务器缓存所有数据，通过用户设备缓存部分数据；

当收到用户的数据请求时，根据所述异构混合网络的功率资源约束条件、信道资源约束条件及干扰约束层级约束条件，对数据传输节点进行功率分配和频谱分配，以使所述异构混合网络的资源利用率最高，所述数据传输节点包括mec服务器和用户设备。

根据本发明的另一个方面，还提供一种基于异构混合缓存的网络资源分配装置，包括：

数据存储模块，用于在基于移动边缘缓存的异构混合网络中，基站缓存和d2d缓存同时存在，通过基站处mec服务器缓存所有数据，通过用户设备缓存部分数据；以及

资源分配模块，用于当收到用户的数据请求时，根据所述异构混合网络的功率资源约束条件、信道资源约束条件及干扰约束层级约束条件，对数据传输节点进行功率分配和频谱分配，以使所述异构混合网络的资源利用率最高，所述数据传输节点包括mec服务器和用户设备。

根据本发明的另一个方面，还提供一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及

与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行本发明基于异构混合缓存的网络资源分配方法及其任一可选实施例的方法。

根据本发明的另一个方面，提供一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行本发明基于异构混合缓存的网络资源分配方法及其任一可选实施例的方法。

本发明提出一种基于异构混合缓存的网络资源分配方法，将mec服务器结构部署在更接近于传统的基站设施附近，用户之间使用d2d缓存模式协调数据资源，两种模式一起运行，根据网络情况进行不同模式的选择，从而对网络的频谱资源和功率资源进行分配管理，使得异构系统兼具基站缓存和d2d缓存的优越性，利用两种缓存方式的优势，完成缓存数据的传输，提高了系统性能和用户体验，并使得系统资源利用率最高。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于异构混合缓存的网络资源分配方法流程示意图；

图2为本发明实施例一种电子设备的框架示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明实施例一种基于异构混合缓存的网络资源分配方法流程示意图，如图1所示的基于异构混合缓存的网络资源分配方法，包括：

s100，在基于移动边缘缓存的异构混合网络中，基站缓存和d2d缓存同时存在，通过基站处mec服务器缓存所有数据，通过用户设备缓存部分数据；

本发明实施例将mec服务器结构部署在更接近于传统的基站设施附近，用户之间使用d2d缓存模式协调数据资源，两种模式一起运行，根据网络情况进行不同模式的选择。

基于步骤s100，本发明实施例提供一种基于基站缓存和d2d缓存的异构混合资源分配架构，包括：

本发明实施例的资源分配架包括缓存模块，所述缓存模块包含数据资源缓存子模块和数据请求子模块，所述数据资源缓存子模块用于缓存所有的数据资源，包括数据资源、图像资源等等；所述数据请求子模块用于缓存用户对数据资源的请求信息。其中，mec服务器缓存用户请求的所有数据资源的内容，以提供低延迟的移动数据服务。同时，用户设备还缓存了一部分的数据资源内容，可以帮助请求相应数据内容的用户快速的获取数据。

本发明实施例的用户可分为两组，即请求者和合作者，请求者要求数据内容，合作者提供缓存数据的服务。据资源缓存子模块获取mec服务器和合作者用户处的缓存数据信息。数据请求子模块获取请求者用户的请求信息。

建立用户之间、用户与基站之间链路传输集合，以实现异构混合资源分配架构。

s200，当收到用户的数据请求时，根据所述异构混合网络的功率资源约束条件、信道资源约束条件及干扰约束层级约束条件，对数据传输节点进行功率分配和频谱分配，以使所述异构混合网络的资源利用率最高，所述数据传输节点包括mec服务器和用户设备。

具体的，基站缓存和d2d缓存的混合系统中，用户可以自由地选择d2d数据传输或者基站数据传输。对于整个网络而言，在一定的功率资源、信道资源约束下，要尽量更有效地完成数据传输的任务，最大化资源利用率，所述资源利用率即是能量效率(ee)。

具体的，所述异构混合网络的资源利用率的目标函数为：

p1:

其中，ctoatl表示总吞吐量，ptoatl表示总功率消耗，m表示信道集合，i表示请求者集合，j表示合作者集合，ld,i表示用户与其他用户连接，lb,i表示用户与基站连接，为第一信道因子，表示请求者pi和基站是否通过信道m连接；为第二信道因子，表示请求者pi和合作者hj是否通过信道m连接；为请求者pi和基站连接时pi的传输功率，为请求者pi和合作者hj连接时pi的传输功率，dv,j为合作者hj处的缓存数据情况，如合作者hj处缓存有第v个数据，则dv,j＝1，b为每个信道的带宽，为基站占用m-th信道时单位功率的信号噪声比率，为合作者hj占用m-th信道时单位功率的信号噪声比率；为数据v的传输速率阈值，其中ri^v表示请求者pi请求缓存第v个数据，tave是平均传输时间，为基站使用m-th信道传输数据信息时请求者pi受到的同信道干扰，为合作者hj使用m-th信道传输数据信息时请求者pi受到的同信道干扰，为请求者通过合作者缓存时的最大传输功率，为请求者通过基站缓存时的最大传输功率。

本发明实施例中，ld,i+lb,i＝1，也就是lb,i＝1-ld,i。系统内有v个缓存数据，每个缓存数据的大小为sv。基站处的mec缓存有所有的数据，用户端缓存有多少不一的数据，如果缓存有用户需要的数据，则可以作为合作者提供缓存数据服务。基站处的缓存数据列表为bv，其中bv＝1,v＝1,...,v。合作者处的缓存数据列表为一个v×j的矩阵，为dv×j，如果合作者hj缓存有第v个数据，则dv,j＝1。用表示请求者pi和基站是否通过信道m连接，如果连接，否则当用户选择d2d连接来传输缓存数据时，用表示请求者pi和合作者hj是否通过信道m连接，如果连接，否则

当用户选择基站连接来传输缓存数据时，pi的信干噪比为是请求者pi和基站连接时，pi的传输功率，为请求者pi和基站之间在信道m上信道增益，n0是白高斯噪声，b是每个信道的带宽。表示基站使用m-th信道传输数据信息时请求者pi受到的同信道干扰。为了简明起见，基站占用m-th信道时单位功率的信号干扰噪声比率如下：

当用户选择d2d连接来传输缓存数据时，pi的信干噪比是是请求者pi和合作者hj连接时，pi的传输功率，为请求者pi和合作者hj之间在信道m上信道增益。合作者hj占用m-th信道时单位功率的信号干扰噪声比率如下：

约束条件中，对于每个请求者pi，传输的吞吐量要大于请求者pi请求的数据传输速率，如下：

其中，是请求者pi请求的数据传输速率，ti,thr是请求者pi对缓存数据容忍的最大传输时间阈值。

对整个系统中请求者pi的干扰约束层级如下：

其中，ii,th是请求者pi的干扰阈值。

同时，在每次传输数据时，分配的信道因子(第一信道因子和第二信道因子)和功率要满足如下约束：

而用户接入因子，要满足如下约束：

ld∈{0,1}；

基于上述分析，所述异构混合网络的资源利用率的目标函数p1为及其约束函数为：

p1:

本发明实施例对异构网络的频谱资源和功率资源进行分配管理，使得异构系统兼具基站缓存和d2d缓存的优越性，可以以利用两种缓存方式的优势，完成缓存数据的传输，提高系统性能和用户体验。本发明实施例同基站缓存和用户缓存的双连接方式，用户同时利用mec和d2d缓存传输需求的数据资源，相对于现有技术提高了用户的服务质量，并使得系统资源利用率最高。

在一个可选的实施例中，步骤s200中所述根据所述异构混合网络的功率资源约束条件、信道资源约束条件及干扰约束层级约束条件，对数据传输节点进行功率分配和频谱分配，以使所述异构混合网络的资源利用率最高，所述数据传输节点包括mec服务器和用户设备，具体包括：

s200.1，将所述异构混合网络的资源利用率的目标函数转换为凸优化问题，将所述功率资源约束条件、信道资源约束条件及干扰约束层级约束条件作为所述凸优化问题的约束条件；

具体的，基于所述异构混合网络的资源利用率的目标函数p1，引入一个非负参数λ，将p1转换为p2：

p2:

s.t.

c1:

c2:

c3:

c6:

c7:ld,i∈[0.1]

c8:

优化问题p2由两层组成。外层是数据传输模式的选择过程，涉及到0-1整数优化问题。内层可以进一步分裂成两个独立的子问题，第一个子问题是信道分配，另一个子问题是功率控制。

在外层求解中，使用分支定界算法解决这个0-1整数优化问题。首先，将指数变量ld，放缩为[0,1]的连续变量。这是可以理解的，假如这些变量表示的是用户传输占用信道的时间比例，比如ld＝0.1，则请求者在0.1τ时间内，使用d2d传输方式，在0.1τ-τ时间内，使用基站传输方式。

p3:

s.t.

c1,c2,c3,c6

c7:ld,i∈[0.1]

c8:

和f^*(l,γ,p,λ)为p3的最优解和p3对应目标函数的最优值。如果每个都是整数，那么p3获得最优解。否则，将分枝策略引入p3，将每一个问题分枝为两个子问题。类似的，选择非整数ld,i'作为分枝变量。

基于ld,i'，将p3分解为两个子问题p3-1和p3-2：

p3-1:

s.t.

c1,c2,c3,c6,c8

ld,i’＝1；

分支定界过程会一直进行，直到放缩的问题满足所有的整数约束，并且获得目标函数的最大值。

模式选择后，优化问题p3可简化为p4，如下所示：

p4:

s.t.

c1,c2,c3,c6

c8:

在之前的外层求解中，将和放缩为[0,1]的变量，即约束条件c5变为c8:比如表示分配这m-th个信道的部分给j-th合作者用于传输数据信息给i-th个请求者。

需要说明的是，定义和可以将p4转化为p5，除了的一些点，等效问题p5可以恢复回问题p4，所以这并不是一个一一映射关系。然而，当时，表示请求者并没有通过这个信道接收缓存数据，因此mec服务器不需要分配相应的功率资源。由于优化问题的性质，的这些点并不会对问题映射造成影响。所以当与的映射被定义为如下形式时，问题p4和p5成为一一映射的等价问题。

p5:

根据凸优化理论，一个凸优化问题是指在一个凸集上最大化一个凸的目标函数或者最小化一个凹的目标函数，因此只需证明问题p5的约束条件和目标函数满足条件即可。因为约束条件c2、c3、c6、c8是线性的，所以它们构成一个凸集，剩下只需证明目标函数和约束条件c1是凸函数即可。

首先证明函数在点x＝0的连续性，令可得函数是对数函数的透视函数。由于是函数logs的透视函数，并且函数logs是关于变量s的凸函数，因此也是一个凸函数，并且是关于γ和s的凸函数。因此p5的目标函数是一系列凸函数和线性函数的加权和，所以它是一个凸函数。同时，c1也是关于γ和s的凸函数。至此，已证明问题p5的可行域是凸集，目标函数是凸函数，故问题p5是一个凸问题。

s200.2，根据所述凸优化问题的约束条件对所述凸优化问题进行求解，获得目标频谱因子和目标功率参数；

具体的，为了降低求解复杂度，采用分步迭代计算的方法，第一步，假设频谱分配因子和是固定的，由于问题p5是一个凸问题，求解和第二步，基于第一步获得和值，求解和通过如此多次迭代，和的值将收敛不再变化，此时获得值就是原问题p5的解。

即，基于所述凸优化问题p5和p5的约束条件，通过分步迭代计算的方法使和的值收敛，获得p5的解，从而获得目标频谱因子和目标功率参数。

s200.3，根据所述目标频谱因子和目标功率参数对所述数据传输节点进行功率分配和频谱分配。

具体包括：

引入拉格朗日算子，p5可以转化为：

p6:

p6可以通过多个子问题和主问题的迭代解决。其中，子问题为：

这个子问题可以分为两步解决。第一步先求出最优的功率分配。

对这个拉格朗日函数进行求导，设置表达式为0。可得：

通过kkt条件可以获得最优的功率分配，如下所示：

对于

对于

把代入可以得到：

此处，

拉格朗日因子μ，v，φ^m的迭代数值可以通过次梯度算法求得。

其中，i是迭代指数，δμ，δv，δφ是正数迭代步长。

最后，根据所述最优的功率分配和所述最优的频谱分配，对所述数据传输节点进行功率分配和频谱分配。

综上所述，本发明实施例所述基于异构混合缓存的网络资源分配方法，针对现有数据缓存算法基站缓存与用户缓存分离，即基站缓存技术和d2d缓存技术分离，本发明实施例统合两类数据资源和技术，构建异构混合资源分配架构；将缓存模块和用户传输模块提取出的缓存信息和移动性信息加入到基本的资源分配系统中，采用分布处理模式，得到用户接入选择、功率和频谱资源分配方案。

本发明实施例利用基站缓存和用户缓存的双连接方式，用户同时利用基站缓存和d2d缓存传输需求的数据资源，使得异构系统兼具基站缓存和d2d缓存的优越性，利用两种缓存方式的优势，完成缓存数据的传输，相对于现有技术提高了用户的服务质量，并使得系统整体目标效益最大。

本发明实施例还提供一种基于异构混合缓存的网络资源分配装置，包括：

数据存储模块，用于在基于移动边缘缓存的异构混合网络中，基站缓存和d2d缓存同时存在，通过基站处mec服务器缓存所有数据，通过用户设备缓存部分数据；以及

资源分配模块，用于当收到用户的数据请求时，根据所述异构混合网络的功率资源约束条件、信道资源约束条件及干扰约束层级约束条件，对数据传输节点进行功率分配和频谱分配，以使所述异构混合网络的资源利用率最高，所述数据传输节点包括mec服务器和用户设备。

本发明实施例的装置，可用于执行图1所示的基于异构混合缓存的网络资源分配方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

图2示出了本发明实施例电子设备的框架示意图。

参照图2，所述设备，包括：处理器(processor)201、存储器(memory)202和总线203；其中，所述处理器201和存储器202通过所述总线203完成相互间的通信；

所述处理器201用于调用所述存储器202中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：在基于移动边缘缓存的异构混合网络中，基站缓存和d2d缓存同时存在，通过基站处mec服务器缓存所有数据，通过用户设备缓存部分数据；当收到用户的数据请求时，根据所述异构混合网络的功率资源约束条件、信道资源约束条件及干扰约束层级约束条件，对数据传输节点进行功率分配和频谱分配，以使所述异构混合网络的资源利用率最高，所述数据传输节点包括mec服务器和用户设备。

本发明另一实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：在基于移动边缘缓存的异构混合网络中，基站缓存和d2d缓存同时存在，通过基站处mec服务器缓存所有数据，通过用户设备缓存部分数据；当收到用户的数据请求时，根据所述异构混合网络的功率资源约束条件、信道资源约束条件及干扰约束层级约束条件，对数据传输节点进行功率分配和频谱分配，以使所述异构混合网络的资源利用率最高，所述数据传输节点包括mec服务器和用户设备。

本发明另一实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：在基于移动边缘缓存的异构混合网络中，基站缓存和d2d缓存同时存在，通过基站处mec服务器缓存所有数据，通过用户设备缓存部分数据；当收到用户的数据请求时，根据所述异构混合网络的功率资源约束条件、信道资源约束条件及干扰约束层级约束条件，对数据传输节点进行功率分配和频谱分配，以使所述异构混合网络的资源利用率最高，所述数据传输节点包括mec服务器和用户设备。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述设备实施例或方法实施例仅仅是示意性的，其中所述处理器和所述存储器可以是物理上分离的部件也可以不是物理上分离的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。