一种适用于异构通信网络的缓存使能用户关联方法

本发明属于无线通信网络技术领域，尤其涉及一种适用于异构通信网络的缓存使能用户关联方法。

背景技术：

随着海量多媒体应用和大规模的设备接入，当前普遍使用sub-6g频段的第五代无线通信网络(5g)技术将在未来面临更大的传输容量和带宽压力。研究表明，在应对海量内容的场景下，由于内容通常具有特定统计特性，因此通过在基站端部署存储器并利用内容的统计特性提前缓存部分内容可以提高用户的内容获取速度，进而改善传输性能。而且，日益降低的存储器成本也使得该方案具有更高的性价比。为了解决大规模设备的接入问题，通过采用毫米波频段，利用其高带宽特性可以有效解决多设备接入问题且进一步增大网络传输容量。

然而，由于毫米波易受障碍物影响、衰减大，从而单位面积内需要部署更多的毫米波基站。故鉴于成本，未来的无线通信网络将存在长期的sub-6g/毫米波共存的异构网络形态。而这使得在多种类型基站共存的异构网络场景中设计合适的用户关联策略成为一个重要的课题。已有的关于异构无线网络的研究大多基于最大的用户接收信号功率，这会带来不可预料的资源浪费，如频繁的用户切换等。另外，部分结合缓存的用户关联方案研究通过优化方法得到了最优的基站内容缓存策略。然而，这些方案大多成本过高或者实现困难。

为了探索合适的异构网络中基于缓存的的用户关联策略，已有研究基于成功传输概率进行最优的缓存参数优化，然而这些方案基于已知用户对内容的需求情况，而这对于快速动态变化的网络需要极大的成本。随着5g的大规模商用，越来越多应用的接入更将带来海量的内容。因此，设计一种充分考虑传输性能、易于实施和低成本的用户关联策略具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种适用于异构通信网络的缓存使能用户关联方法,以解决现有方案无法充分考虑传输性能、易于实施和低成本的用户关联技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

一种适用于异构通信网络的缓存使能用户关联方法，包括以下步骤：

步骤1、所有基站部署存储器，根据内容流行度，在每个毫米波基站中缓存满流行的内容，在每个sub-6g基站中缓存流行的内容和毫米波基站已缓存内容之外流行的内容；

步骤2、用户根据自身所需内容向周围基站发出请求，判定缓存有所需内容的基站类型，包括以下步骤：

步骤2.1、若毫米波基站和sub-6g基站都缓存了用户所需的内容，用户优先关联到具有最大路径损耗增益且该增益大于给定阈值的毫米波基站，否则由多个信号最强的sub-6g基站采用联合传输策略向用户传输信号；

步骤2.2、若仅sub-6g基站缓存了用户所需的内容，则由多个信号最强的sub-6g基站采用联合传输策略向用户传输信号；

步骤2.3、若所有基站都没有缓存用户所需的内容，则由信号最强的sub-6g基站通过光纤从中心服务器取回相应的内容再传输给用户；

步骤3：根据步骤2建立用户的成功传输概率公式，以成功传输概率为优化目标，设计出步骤1中sub-6g基站缓存的最流行内容数量。

进一步的，步骤1中将所有内容划分为相同单位大小且总内容数为j，每个毫米波基站缓存了流行的j2个内容，每个sub-6g基站缓存了流行的jo个内容和流行度从j2+1到j2+j1-jo，其中j1表示sub-6g基站缓存的内容数；j、j1和j2取决于实际硬件系统jo由步骤3所得决定了内容存放机制。

进一步的，步骤2中，用aj表示内容流行度，其中下标j表示内容序号，并满足j∈{1,…,j}，j越小表示内容越流行；用户在关联到具有最大接收信号功率的毫米波基站情况下的接收信干噪比可表示为

其中p2表示毫米波基站的发射功率，h2,0表示关联基站到用户之间的小尺度衰落信道系数，表示主瓣天线增益，l2(r0)表示路径损耗增益，n2为用户的接收噪声功率，i2为用户周围其它的毫米波基站造成的干扰；

当用户由k个sub-6g基站进行联合传输时的接收信干噪比为

其中p1表示sub-6g基站的发射功率，h1,l表示第l个sub-6g基站到用户的小尺度衰落信道系数，l1(rl)表示路径损耗增益，n1为用户的接收噪声功率，i1为用户周围其它的sub-6g基站造成的干扰，sub-6g基站和用户采用全向天线，天线增益为1；当k＝1时表示用户关联到离用户最近的sub-6g基站时的接收信干噪比。

进一步的，步骤3中，成功传输概率表示为

其中pr{·}表示计算概率，s0表示给定的毫米波基站路径损耗增益阈值，rt为网络成功传输的速率阈值；

以ps(rt)为优化目标，jo为优化变量建立优化问题：

s.t.jo∈z⁺

jo≤min{j1,j2}

其中max表示求最大值，s.t.表示服从相应的条件，min{·}表示求大括号内的最小值，z⁺表示正整数，求解该优化问题，得到最优的jo用于步骤1中sub-6g基站的内容存放机制。

本发明的一种适用于异构通信网络的缓存使能用户关联方法，具有以下优点：

本发明设计了一种适用于异构通信网络的缓存使能用户关联方法，通过该方案实现用户根据所需内容自适应关联使用不同频段的基站或传输方式以获得最大传输速率，同时sub-6g基站的内容存放机制经过优化设计，能够使用联合传输与自适应调整内容分集度的结合来有效改善网络的传输性能，从而提高网络效率，且易于实施，成本低。

附图说明

图1为本发明的本发明实施例中的适用于异构通信网络的缓存使能用户关联方法示意图；

图2为本发明的本发明实施例中的缓存放置参数与卸载系数的关系曲线图结构示意图；

图3为本发明实施例中的缓存放置参数与成功传输概率关系曲线图。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种适用于异构通信网络的缓存使能用户关联方法做进一步详细的描述。

针对工作于sub-6g和毫米波频段的异构无线通信网络，采用二维平面的泊松点过程分别建模sub-6g和毫米波基站的位置，它们的密度分别用λ1和λ2表示，假设一个用户位于坐标原点(根据随机几何的相关定理，该用户可以代表任意一个用户)，中心服务器和sub-6g基站通过光纤连接，整个系统的内容被划分总数为j且相同大小的子内容。假设内容流行度服从zipf分布且用表示内容流行度，其中下标j表示内容序号，并满足j∈{1,…,j}，ζ表示zipf分布的系数，j表示内容序号，j越小表示内容越流行。所述适用于异构通信网络的缓存使能用户关联方法如图1所示，该方案包括如下步骤：

步骤一：所有基站部署存储器，根据内容流行度，在每个毫米波基站中缓存最流行的j2个内容，在每个sub-6g基站中缓存最流行的jo个内容和流行度从j2+1到j2+j1-jo的内容，其中j1表示sub-6g基站缓存的内容数。一般地，j、j1和j2取决于实际硬件系统，jo由步骤六所得且决定了内容存放机制。

步骤二：用户根据自身所需内容向周围基站发出请求，判定缓存有所需内容的基站类型。当用户请求内容序号j^*∈{1,…,j2}时，则毫米波基站缓存有用户请求内容；当j^*∈{1,…,jo}∪{j2+1,…,j1+j2-jo}则sub-6g基站缓存了用户请求内容。

步骤三：若毫米波基站缓存了用户所需的内容且与用户之间的最大路径损耗增益大于给定阈值s0，则用户关联到该具有最大路径损耗增益的毫米波基站，并且该基站调整天线方向以使用户获得主瓣天线增益。用户在关联到具有最大接收信号功率的毫米波基站情况下的接收信干噪比可表示为

其中p2表示毫米波基站的发射功率，h2,0表示关联基站到用户之间的小尺度衰落信道系数且服从nakagami分布，针对视距链路和非视距链路分别有参数ml和mn，为主瓣天线增益，n2为用户的接收噪声功率，r0表示提供服务的毫米波基站到用户的距离，l2(r)表示路径损耗增益，针对视距链路和非视距链路，l2(r)分别表示为和其中αl和αn分别表示视距链路和非视距链路下的路径损耗衰落系数。为用户周围其它的毫米波基站造成的干扰，其中n2表示其它毫米波基站的个数，h2,i表示其余的第i个基站与用户之间的小尺度衰落系数且服从nakagami分布，针对视距链路和非视距链路分别有参数ml和mn。gi表示天线增益且可被建模为

其中θ和θ2分别表示毫米波基站天线的离开角和主瓣宽度，为对应的旁瓣增益。此外，假设一条链路为视距和非视距与距离有关，视距链路和非视距概率分别表示为pl＝e^-βr和pn＝1-e^-βr，其中β为链路中与障碍物有关的参数。而当所有的毫米波基站都不满足条件时，由离用户最近的(即信号最强的)k个sub-6g基站采用联合传输策略向用户传输信号。此时，用户的接收信干噪比为

其中p1表示sub-6g基站的发射功率，h1,l表示第l个sub-6g基站到用户的小尺度衰落信道系数且服从rayleigh衰落，表示路径损耗增益，α1为路径损耗系数，n1为用户的接收噪声功率，为用户周围n1个sub-6g基站造成的干扰。一般地，sub-6g基站和用户采用全向天线，故此处的天线增益为1。h1,k表示其余的第k个基站到用户的链路的小尺度衰落系数且服从瑞利分布。

步骤四：若毫米波基站没有缓存用户所需的内容而sub-6g基站缓存了用户所需的内容，则离用户最近的k个sub-6g基站采用联合传输策略向用户传输信号。

步骤五：若所有基站都没有缓存用户所需的内容，则由离用户最近的(即信号最强的)sub-6g基站通过光纤从中心服务器取回相应的内容并传输给用户。此时，令k＝1，即表示用户关联到最近的sub-6g基站时的接收信干噪比。

步骤六：根据步骤三到步骤五，对于用户请求的任意一个内容，成功传输概率可表示为：

其中pr{·}表示计算概率，s0表示给定的毫米波基站路径损耗增益阈值，rt为网络能够成功传输的速率阈值。以ps(rt)为优化目标jo为优化变量建立优化问题：

s.t.jo∈z⁺

jo≤min{j1,j2}

其中max表示求最大值，s.t.表示服从相应的条件，min{·}表示求大括号内的最小值，z⁺表示正整数。求解该优化问题，解得最优的用于设计步骤一中sub-6g基站的缓存内容配置。

仿真示例：

本发明实施例中，适用于异构通信网络的缓存使能用户关联方法所涉及的sub-6g和毫米波共存的异构无线通信网络参数设置如下：λ1＝5(km^-2)，λ2＝80(km^-2)，p1＝50(w)，p2＝5(w)，ζ＝0.8，j＝100，j1＝j2＝40，k＝2，αl＝2，αn＝4，α1＝3，θ2＝30°，β＝1/141.4(m^-1)。

图2给出了本发明实施例中的成功传输概率与给定速率阈值的关系曲线图。从图中可知，成功传输概率随着给定速率阈值的增大而减小。此外，在部分rt变化区间内成功传输概率随着毫米波基站的密度λ2的增大而增大，而在另外的区间则随着λ2的增大而减小，这是由于密度λ2的增大导致基站间干扰增加。该仿真图给出了本发明实施例的仿真案例以及参数λ2可能对成功传输概率产生的影响。

图3给出了为本发明实施例中的缓存放置参数与成功传输概率关系曲线图，其中表示与缓存无关时关联到sub-6g基站的概率，与毫米波基站的密度λ2负相关。从图中可知，通过选取合适的缓存分配参数jo能够使得成功传输概率最大化；此外，最优的jo与毫米波基站的密度λ2有关，λ2越大时，最优的jo越小，通过jo根据网络环境的自适应变化可以实现最优的成功传输概率。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。