基于边缘缓存的云无线接入网络中用户设备关联方法与流程

本发明属于通信技术领域，特别是涉及一种基于边缘缓存的云无线接入网络中用户设备关联方法。

背景技术：

随着第五代移动通信系统(5g)和物联网技术的快速发展，无线接入设备得到了迅猛地发展，随之而来的传输数据量也得到了爆炸式地增长。

云无线接入网络(cloudradioaccessnetwork，c-ran)被看作是一种新颖的网络架构，在抑制干扰、减小能量消耗和为无线网络分配资源等方面有着显著的优势。

随着接入用户设备数的增多，而每个无线射频单元的天线数量限制着接入的用户设备数量，且每个无线射频单元的缓存策略也对系统性能的提升产生很大影响，如何缩短总任务的传输时延并降低系统能耗成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是如何将用户设备关联至无线射频单元，以缩短系统的总任务传输时延，降低系统能耗。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于边缘缓存的云无线接入网络中用户设备关联方法，所述方法包括：

根据系统中无线射频单元的地理位置划分不同的簇；

基于文件的流行度信息，将文件缓存到簇内的无线射频单元中；

基于簇内用户设备到簇内各无线射频单元的距离的信息，确定簇内用户设备与无线射频单元之间的预关联关系；

基于与预关联的无线射频单元之间的大尺度衰落系数信息，为簇内的每个用户设备选出备选无线射频单元；

基于备选无线射频单元的文件缓存与用户设备预申请文件的信息，将簇内用户设备重新关联至对应的无线射频单元；

根据无线射频单元的关联用户设备数及时延和能耗的信息，对簇内用户设备与无线射频单元之间的关联关系进行调整。

可选地，所述基于文件的流行度信息，将文件缓存到簇内的无线射频单元中，包括：

基于齐夫分布，为每个文件设置对应的流行度信息；

取出流行度最大的3l个文件，并以轮询的方式将所述3l个文件按照流行度分配给簇内相邻的三个无线射频单元进行缓存。

可选地，所述基于簇内用户设备到簇内各无线射频单元的距离的信息，确定簇内用户设备与无线射频单元之间的预关联关系，包括：

获取簇内所有用户设备与无线射频单元的天线之间的距离；

将距离最小值对应的用户设备关联到与所述用户设备之间的距离为所述距离最小值的无线射频单元上，并将该用户设备到所有无线射频单元之间的距离设为无穷大；

若某一时刻关联到簇内一无线射频单元的用户设备数等于该无线射频单元的天线数时，设置所有用户设备到此无线射频单元的距离为无穷大，直至所有用户设备均被关联完毕。

可选地，所述基于与预关联的无线射频单元之间的大尺度衰落系数信息，为簇内的每个用户设备选出备选无线射频单元，包括：

获取簇内用户设备与无线射频单元之间的距离；

将簇内大于与用户设备距离最近的无线射频单元与该用户设备之间的大尺度衰落系数的倍距离的无线射频单元，作为所述用户设备的备选无线射频单元。

可选地，采用如下的公式计算得到：

其中，为的最小值，dcmcu为用户设备与距离用户设备最近的无线射频单元之间的距离，rc为簇c的半径。

可选地，所述基于备选无线射频单元的文件缓存与用户设备预申请文件的信息，将簇内用户设备重新关联至对应的无线射频单元，包括：

从对应的备选无线射频单元中选出已有缓存该用户设备预申请文件的无线射频单元；

当未选出对应的无线射频单元时，将用户设备的关联关系保持不变；

若选出的无线射频单元为一个时，将用户设备与选出的一个无线射频单元关联；

若选出的无线射频单元为两个以上时，将用户设备与选出的无线射频单元中距离最近的无线射频单元关联。

可选地，所述根据无线射频单元的关联用户设备数及时延和能耗的信息，对簇内用户设备与无线射频单元之间的关联关系进行调整，包括：

计算出在未关闭预关闭无线射频单元之前用户设备关联情况下的系统性能目标函数值；

将关联用户设备数小于预设的数量阈值uth且关联用户设备数最小的无线射频单元预关闭，并从距离被预关闭的无线射频单元最近的用户设备开始，将被预关闭的无线射频单元关联的用户设备优先关联到缓存其申请文件的备选无线射频单元中；

若关联用户设备数小于所述数量阈值uth且关联用户设备数最小的无线射频单元存在两个以上，则先预关闭与所有被关联用户设备之间距离之和最大的无线射频单元；将被预关闭的无线射频单元上关联的用户设备重新关联到缓存其申请文件且距离最近的备选无线射频单元上；当所有备选的无线射频单元未缓存用户设备所申请文件时，则将该用户设备关联到距离最近的无线射频单元上；

计算出在无线射频单元预关闭后用户设备关联情况下的系统性能目标函数值；

若确定预关闭后的系统性能目标函数值小于或等于预关闭前的系统性能目标函数值，则关闭对应的无线射频单元，并将系统性能目标函数值更新为关闭后的系统性能目标函数值，否则，不关闭对应的无线射频单元；

将与该预关闭的无线射频单元关联的用户设备数设置为无穷大；

从所述将关联用户设备数小于所述数量阈值uth且关联用户设备数最小的无线射频单元关闭，并从距离被关闭的无线射频单元距离最近的用户设备开始，将被关闭的无线射频单元关联的用户设备优先关联到缓存其申请文件的备选无线射频单元中重新开始执行，直到所有无线射频单元关联的用户设备数不小于uth或者存在关联用户设备数小于uth的无线射频单元但将其关闭后不满足hc'≤hc的情况。

可选地，采用如下的公式计算得到系统性能目标函数值：

且：

其中，h表示系统性能目标函数值，u表示整个系统的用户设备数，u表示簇c中用户设备的位序，uc表示簇c中随机分布的单天线用户设备的集合，tcu表示用户设备得到文件的总时延，表示簇c中用户设备所申请文件的传输时延，表示无线射频单元中缓存有文件l，表示无线射频单元中未缓存文件l，表示用户设备申请了文件l，表示用户设备未申请文件l，t0表示服务器处理每个文件的计算时延，表示用户设备申请了文件l，dl表示文件l的比特数，表示表示无线射频单元与用户设备之间的关联关系，表示用户设备被关联到无线射频单元上，表示用户设备未被关联到无线射频单元上，γcu表示用户设备的接收信干噪比，rc表示第c个簇随机分布的多天线无线射频单元的集合，f表示文件服务器中存储的文件集合，b表示系统带宽，pc表示簇c总的功率损耗，p为天线的发送功率，pfix表示簇c中固定的电路损耗，n表示每个无线射频单元的天线数，prrh表示每个无线射频单元运行内部射频组件的电源，表示回程链路的功耗，p0为每个回程链路的固定功耗部分，rcm为数据传输的总速率，pbt是传输一个比特所消耗的功率。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

上述的方案，通过根据系统中无线射频单元的地理位置划分不同的簇，基于文件的流行度信息，将文件缓存到簇内的无线射频单元中，基于簇内用户设备到簇内各无线射频单元的距离的信息，确定簇内用户设备与无线射频单元之间的预关联关系，基于与预关联的无线射频单元之间的大尺度衰落系数信息，为簇内的每个用户设备选出备选无线射频单元，基于备选无线射频单元的文件缓存与用户设备预申请文件的信息，将簇内用户设备重新关联至对应的无线射频单元，根据无线射频单元的关联用户设备数及时延和能耗的信息，对簇内用户设备与无线射频单元之间的关联关系进行调整，在每个簇中各个无线射频单元缓存策略给定的情况下，考虑“系统平均时延最小和系统能耗最小”原则，将每个簇中的各用户设备关联到簇中的各无线射频单元中，不仅有效地提高了系统的可靠性，而且减小了系统的总功耗和任务传输的时延。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明实施例的一种基于边缘缓存的云无线接入网络中用户设备关联方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。本发明实施例中有关方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如背景技术所述，现有技术中随着接入用户设备数的增多，而每个无线射频单元的天线数量限制着接入的用户设备数量，且每个无线射频单元的缓存策略也给系统性能的提升产生很大影响，如何缩短总任务的传输时延并降低系统能耗成为亟待解决的问题。

本发明的技术方案通过根据系统中无线射频单元的地理位置划分不同的簇，基于文件的流行度信息，将文件缓存到簇内的无线射频单元中，基于簇内用户设备到簇内各无线射频单元的距离的信息，确定簇内用户设备与无线射频单元之间的预关联关系，基于与预关联的无线射频单元之间的大尺度衰落系数信息，为簇内的每个用户设备选出备选无线射频单元，基于备选无线射频单元的文件缓存与用户设备预申请文件的信息，将簇内用户设备重新关联至对应的无线射频单元，根据无线射频单元的关联用户设备数及时延和能耗的信息，对簇内用户设备与无线射频单元之间的关联关系进行调整，在每个簇中各个无线射频单元缓存策略给定的情况下，考虑“系统平均时延最小和系统能耗最小”原则，将每个簇中的各用户设备关联到簇中的各无线射频单元中，不仅有效地提高了系统的可靠性，而且减小了系统的总功耗和任务传输的时延。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图1是本发明实施例的一种基于边缘缓存的云无线接入网络中用户设备关联方法的流程示意图。参见图1，一种基于边缘缓存的云无线接入网络中用户设备关联方法，具体可以包括如下的步骤：

步骤s101：根据系统中无线射频单元的地理位置划分不同的簇。

在具体实施中，本发明实施例中的基于边缘缓存的c-ran中用户设备关联方法适用的具有移动边缘缓存的下行c-ran系统，包含c个按照地理位置划分的簇，集合为其中，第c个簇包含：cu个随机分布的单天线用户设备，记为集合cm个随机分布的多天线无线射频单元，记为集合每个无线射频单元具有n根天线，基带处理单元池中存在着一个文件服务器和c个与簇一一对应的本地控制器，且每个本地控制器拥有一个本地服务器。共有j个文件存储在文件服务器中，文件集合记为f＝{f1,f2,...,fj}。

步骤s102：基于文件的流行度信息，将文件缓存到簇内的无线射频单元中。

在具体实施中，所述的每个文件的流行度是基于齐夫分布的，所以第j个最受欢迎的文件被用户设备请求的概率为：

其中，ε为齐夫分布指数。

在基于文件的流行度信息，将文件缓存到簇内的无线射频单元中时，首先取出最流行的3l(3l＜＜j)个文件，并以轮询的方式将这些文件按照流行度大小分给簇中相邻的三个无线射频单元，使得每个簇中所有的无线射频单元按照文件流行度缓存l个文件且相邻的三个无线射频单元缓存的文件不同。

步骤s103：基于簇内用户设备到簇内各无线射频单元的距离的信息，确定簇内用户设备与无线射频单元之间的预关联关系。

在具体实施中，所述的将用户设备关联到各个无线射频单元中，每个用户设备只能被关联到一个无线射频单元中。在所有用户设备与所有天线的距离中选取最小值，将该最小值对应的用户设备关联到该距离最小值对应的无线射频单元上，并将该用户设备到所有无线射频单元之间的距离设为无穷大。若某一时刻关联到簇中一个无线射频单元的用户设备数等于该无线射频单元的天线数时，设置所有用户设备到该无线射频单元的距离为无穷大。重复上述的操作，反复迭代，直至所有用户设备都被关联。

步骤s104：基于与预关联的无线射频单元之间的大尺度衰落系数信息，为簇内的每个用户设备选出备选无线射频单元。

在具体实施中，获取簇内所有用户设备与无线射频单元的天线之间的距离，且每个用户设备按照其与最近无线射频单元之间大尺度衰落系数的倍进行搜索。若距离用户设备最近的无线射频单元为则选出满足下列条件的所有无线射频单元

且：

其中，为比例因子，βcmcu为簇c中第u个用户设备与之间的大尺度衰落系数，为的最小值，dcmcu为与之间的距离，rc为簇c的半径。

步骤s105：基于备选无线射频单元的文件缓存与用户设备预申请文件的信息，将簇内用户设备关联至对应的无线射频单元。

在具体实施中，每个用户设备在其备选无线射频单元中选出缓存有该用户设备预申请文件的无线射频单元进行关联；若选出的备选无线射频单元为多个，则将该用户设备与其中距离最近的备选无线射频单元进行关联；若不存在这样的无线射频单元，则该用户设备的关联策略保持不变。

步骤s106：根据无线射频单元的关联用户设备数及时延和能耗的信息，对簇内用户设备与无线射频单元之间的关联关系进行调整。

在本发明一实施例中，所述根据无线射频单元的关联用户设备数及时延和能耗的信息，对簇内用户设备与无线射频单元之间的关联关系进行调整时，包括如下的操作：

(a)计算出在未关闭预关闭无线射频单元之前用户设备关联情况下的系统性能目标函数值。系统的性能指标包括平均用户设备时延与总能耗，簇c的平均用户设备时延与总能耗的乘积可表示为：

其计算过程可分为以下三个步骤：

(1)定义为簇c中关联到第m个无线射频单元中的用户设备索引集合，则簇c中第u个用户设备收到的信号为：

其中，ycu表示第u个用户设备收到的信号，hcmcu∈c^1×n是用户设备与无线射频单元的所有天线之间的信道矩阵，p为无线射频单元的发射功率，scu为用户设备的基带数据，且e{|scu|²}＝1，表示表示无线射频单元与用户设备之间的关联关系，表示用户设备被关联到无线射频单元上，表示用户设备未被关联到无线射频单元上，表示簇c中关联到中的用户设备是否都为缓存命中的用户设备，当τcm＝0表示簇c中关联到中的用户设备都为缓存命中用户设备，反之，则τcm＝1，表示无线射频单元中缓存有文件l，表示无线射频单元中未缓存文件l，表示用户设备申请了文件l，表示用户设备未申请文件l，gcmcu∈c^n×1为无线射频单元的所有天线与用户设备之间的预编码矩阵，zcm∈c^n×1～cn(0,qcm,cm)为量化噪声矢量，αcm为的量化噪声系数，ncu为噪声项；

(2)计算簇c的平均时延为：

且：

其中，tcu表示用户设备得到文件的总时延，dl表示文件l的比特数，b表示系统带宽，e{·}表示对式子中信道的小尺度衰落做统计平均，γcu表示的接收信干噪比，σ²为噪声方差；

(3)下行传输的过程中，计算系统消耗的总功率为其中，簇c总的功率损耗可计算为：

其中，pfix是簇c中固定的电路损耗，|rc|为簇c中正常开机的无线射频单元数量，prrh为每个无线射频单元运行内部射频组件的电源，pt为rf传输功率，ξ为功率放大系数，对于基于光纤的结构，表示回程链路的功耗，p0为每个回程链路的固定功耗部分，rcm为数据传输的总速率，pbt是传输一个比特所消耗的功率。

(b)将关联用户设备数小于预设的数量阈值uth且关联用户设备数最小的无线射频单元预关闭，并从距离被预关闭的无线射频单元最近的用户设备开始，将被预关闭的无线射频单元关联的用户设备优先关联到缓存其申请文件的备选无线射频单元中；若关联用户设备数小于所述数量阈值uth且关联用户设备数最小的无线射频单元存在两个以上，则先预关闭与所有被关联用户设备之间距离之和最大的无线射频单元；将被预关闭的无线射频单元上关联的用户设备重新关联到缓存其申请文件且距离最近的备选无线射频单元上；当所有备选的无线射频单元未缓存用户设备所申请文件时，则将该用户设备关联到距离最近的无线射频单元上；

计算出在无线射频单元预关闭后用户设备关联情况下的系统性能目标函数值；

(c)采用公式(4)计算出在无线射频单元预关闭后用户设备关联情况下的系统性能目标函数值，即：

(d)当hc'≤hc则关闭该无线射频单元，且更新hc＝hc'，否则不关闭；同时，将该无线射频单元关联的用户设备的数量设置为无穷大。

(e)重复上述的步骤(b)至步骤(d)，直到所有无线射频单元关联的用户设备数不小于uth或者存在关联用户设备数小于uth的无线射频单元但将其关闭后不满足hc'≤hc的情况。

本发明实施例中的上述方案，在现有技术的基础上，在无线射频单元处增加了缓存功能，并且应用回程压缩技术，大大减小信息交互的时延和缓解回程容量的压力。

同时，本方法基于“系统平均时延最小和系统能耗最小”的原则，首先将簇中各个用户设备按照距离预关联到簇中的各个无线射频单元中，然后根据用户设备请求文件情况和各无线射频单元文件缓存情况调整关联策略，最后选取和关闭一些效率不高的无线射频单元，不仅有效地提高了系统的可靠性，而且减小了系统的总功耗和任务传输的时延。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。