一種基于內容緩存和網絡狀態感知的業務遷移方法與流程

本發明是以超密集無線網絡在5G通信系統中的大規模應用為背景，涉及一種基于熱點內容緩存和網絡狀態感知的業務遷移優化方法，屬于無線通信技術領域。

背景技術：

隨著目前對5G通信系統的研究，網絡體系架構在不斷扁平化，核心網下沉和業務靠近用戶已經是趨勢所在。其中，內容緩存技術將內容文件緩存到核心網絡內部、邊緣網關、小基站等，即將被訪問實體從互聯網中的原始服務器或者內容分發網絡(Content Distribution Network，CDN)上轉移到離移動用戶更近的網絡節點上，從而成為有效地降低網絡延遲同時避免了大量的跨網數據流量、降低網絡運營成本，這使得靠近用戶的內容緩存具有很大的必要性；另一方面，在線視頻服務涉及的網絡數據實體具有自身的特殊性，如視頻文件屬于靜態數據、文件被訪問次數具有一定的聚合性，從而使得在線視頻文件也具備被緩存的可能性。與此同時，特別注意到3GPP提出的標準中，3GPP TS 23.401協議明確提出在本地IP接入(Local IP Access，LIPA)架構下，小基站和本地網關(Local Gateway，LGW)合設，熱點內容可存儲在本地網關中，這為小基站存儲內容提供了可行性。因此，小基站具有提供大量內容文件緩存的硬件條件。而小基站的地域特征也在一定程度上與內容文件被訪問頻率相吻合，從進一步為內容緩存的有效性創造了空間。

技術實現要素：

技術問題：本發明的目的是提供一種基于熱點內容緩存和網絡狀態感知的業務遷移優化方法。該方法針對協作式緩存系統的業務遷移問題，提出一種將內容緩存和網絡狀況統一優化模型，在內容緩存的基礎上，根據當前虛擬小區內基站的網絡狀況，如傳輸速率、傳輸帶寬等，業務遷移準則為用戶提供網絡狀況最佳、傳輸時延最小的服務基站，實現用戶業務遷移。

技術方案：針對移動通信網絡面臨的容量瓶頸、用戶業務體驗問題，可以在超密集網絡的小基站中分布式緩存一些熱點內容，利用通信、計算和存儲資源協同優化，既可以減小回傳網的壓力，又可以減小業務的端到端時延和網絡通信流量，從而提升通信網絡性能。

本發明提出了一種基于內容緩存和網絡狀態感知的業務遷移方法。根據虛擬小區內用戶群體的興趣點以及虛擬小區內流量統計特征，將熱點內容緩存至分布式部署的基站群，虛擬小區內的控制基站會對基站群進行資源管理，通過感知緩存內容信息和基站的傳輸速率，比較當前向用戶服務的服務基站和虛擬小區內其他基站的傳輸時延，判斷當前用戶服務是否需要進行業務遷移。控制基站能夠實現基于業務請求、當前網絡狀態信息和內容感知的遷移決策，具有內容緩存的各個基站依照控制基站下發的遷移決策結果進行業務遷移，實現了控制平面與數據平面的分離。其目的為，降低整個網絡用戶訪問內容的請求時延，實現無線資源的負載均衡，并且有效地避免了大量的跨網數據流量、降低網絡運營成本提升了整體網絡的服務性能。

本發明的基于內容緩存和網絡狀態感知的業務遷移方法，包括以下步驟：

1)系統內容庫將緩存在虛擬小區內基站的內容文件按照Zipf定律分布部署到不同位置，使得虛擬小區內的基站緩存盡可能多高訪問率的內容文件，具體流程為：

設一個虛擬小區內傳輸基站存儲內容集合為S，更新周期為T，這里的更新周期是指具有緩存能力的傳輸基站緩存內容的更新時間，在一個更新周期T，傳輸基站記錄內容訪問率，根據訪問頻率按非增方式排序內容訪問率服從Zipf定律分布f(i)，解出滿足其中為訪問頻率因子，得到：

定義I≤|S|，I表示為熱點內容文件的數目，熱點內容集合a為緩存訪問率排名前I的內容集合，內容集合b為緩存普通內容；

2)對所述步驟1)中得到的熱點內容集合a和普通內容集合b，在更新周期內，將熱點內容集合a分布式地緩存在虛擬小區內的基站中，而內容服務器側緩存了內容集合a和b；

3)對所述步驟2)中得到了虛擬小區內用戶群體的興趣內容和緩存分布位置，具備協作式緩存的網絡中，用戶請求內容命中包括以下情況：

3-a)本地命中：當前服務基站上緩存有該被請求內容文件的副本；

3-b)服務器命中：該請求不是本地命中，則需要通過Internet向內容服務器發送請求；

4)對所述步驟3)中得到了用戶請求內容命中位置，其中本地命中率與服務器命中率為：

4-a)用戶請求的內容i在基站j命中，本地命中率為其中α_j表示基站j具備緩存內容能力，表示內容i是否被緩存在基站j處；

4-b)用戶請求的內容i在服務器命中，服務器命中率為其中表示內容i是否屬于內容服務器命中；

5)用戶請求所產生的傳輸時延主要分為兩個過程，分別是基站到用戶的時延和內容服務器到基站的時延。時延表示基站j為用戶傳輸內容i時的總傳輸時延，基站時延表示基站j為用戶傳輸內容i時的傳輸時延，時延表示服務器為基站j傳輸內容i時的傳輸時延；

6)對所述步驟5)中得到了用戶請求所產生的傳輸時延，具體表示如下：

6-a)用戶所請求的內容在基站端無緩存時，那么被訪問的基站需要向內容服務器發起請求。此時，對于用戶的內容請求時延為：

6-b)用戶請求的為普通內容時，基站所存儲的內容庫中沒有，因此基站需要向內容服務器請求內容。此時，對于用戶的內容請求時延為：

6-c)用戶請求的為熱點內容，基站能滿足用戶的需求。此時，對于用戶的內容請求時延為：

6-d)對所述步驟6)中a)b)c)三種不同時延情況，其中a)和b)時延表示相同，可把這兩種情況視為一種，因此對于用戶所請求內容產生的總傳輸時延為：

7)對所述步驟6)中得到了用戶請求內容所產生的傳輸時延，基站時延表示為內容服務器產生時延表示為其中s_i表示內容i文件大小，R_j表示基站j傳輸速率，D_server表示單位數據量服務器命中時延；

8)服務基站的網絡圖模型表示為G＝(N₀,E,D)，其中，N₀表示服務基站j所在虛擬小區內其他具有緩存內容的傳輸基站(候選目標集合)，E表示當前服務基站j遷移至候選目標集合中基站的路徑集合，D表示選擇不同目標基站的不同路徑時所產生的時延；

9)對所述步驟8)中得到了虛擬小區內服務基站傳輸時延網絡圖，用戶請求內容對系統的傳輸時延為：其中表示用戶當前服務基站時延，表示用戶遷移至基站k的傳輸時延，σ_jk表示為用戶遷移指示符，β_i表示為用戶請求內容i類別；

10)從系統的內容存放和基站網絡狀態角度考慮，提出判斷用戶發生遷移的準則，具體準則如下：

10-a)遷移目標候選集合內存在基站，滿足傳輸速率比當前服務基站傳輸速率大；

其中，R₀為基站的最小傳輸速率；

10-b)遷移目標候選集合內存在基站，滿足緩存的內容是當前服務基站不具備的；

11)對所述步驟10)中得到了業務遷移判別準則，在更新周期內，若當前服務基站j傳輸時延大于候選目標集合中基站k傳輸時延，則滿足用戶業務遷移準則，若當前服務基站j小于候選目標集合中基站k傳輸時延，但基站j無內容i緩存，則滿足用戶遷移準則。

有益效果

本發明針對協作式緩存系統的業務遷移問題，提出一種將內容緩存和網絡狀況統一優化模型，在內容緩存的基礎上，根據當前虛擬小區內基站的網絡狀況，如傳輸速率、傳輸帶寬等，業務遷移機制為用戶提供網絡狀況最佳、傳輸時延最小的服務基站。MATLAB仿真結果表明在內容緩存網絡下，利用業務遷移策略可以有效降低網絡系統的總時延；同時，也可以降低系統的網間流量費用。

附圖說明

圖1為本發明的框架圖。

圖2為本發明的熱點內容文件分布位置。

圖3為本發明的控制基站和基站關系圖。

圖4為本發明的控制基站功能模塊。

圖5為本發明的流程圖。

具體實施方式

以下結合實施例和說明書附圖對本發明技術方案進行詳細描述。

如圖1所示，本發明的基于內容緩存和網絡狀態感知的業務遷移方法包括以下步驟：

1)步驟101，系統內容庫將緩存在虛擬小區內基站的內容文件按照Zipf定律分布部署到不同位置，使得虛擬小區內的基站緩存盡可能多高訪問率的內容文件，具體流程為：

設一個虛擬小區內傳輸基站存儲內容集合為S，更新周期為T，這里的更新周期是指具有緩存能力的傳輸基站緩存內容的更新時間，在一個更新周期T，傳輸基站記錄內容訪問率，根據訪問頻率按非增方式排序內容訪問率服從Zipf定律分布f(i)，解出滿足其中為訪問頻率因子，得到：

定義I≤|S|，I表示為熱點內容文件的數目，熱點內容集合a為緩存訪問率排名前I的內容集合，內容集合b為緩存普通內容。如圖2所示，201表示熱點內容集合a，202表示普通內容集合b，在更新周期內，將熱點內容集合a分布式地緩存在虛擬小區內的基站中，而內容服務器側緩存了內容集合a和b；

2)步驟102，對所述步驟101中得到了虛擬小區內用戶群體的興趣內容和緩存分布位置，具備協作式緩存的網絡中，用戶請求內容命中包括以下情況：

2-a)本地命中：當前服務基站上緩存有該被請求內容文件的副本；

2-b)服務器命中：該請求不是本地命中，則需要通過Internet向內容服務器發送請求；

3)對所述步驟102中得到了用戶請求內容命中位置，其中本地命中率與服務器命中率為：

3-a)用戶請求的內容i在基站j命中，本地命中率為其中α_j表示基站j具備緩存內容能力，表示內容i是否被緩存在基站j處；

3-b)用戶請求的內容i在服務器命中，服務器命中率為其中表示內容i是否屬于內容服務器命中；

4)步驟103，用戶請求所產生的傳輸時延主要分為兩個過程，分別是基站到用戶的時延和內容服務器到基站的時延。時延表示基站j為用戶傳輸內容i時的總傳輸時延，基站時延表示基站j為用戶傳輸內容i時的傳輸時延，時延表示服務器為基站j傳輸內容i時的傳輸時延；

5)對所述步驟103中得到了用戶請求所產生的傳輸時延，具體表示如下：

5-a)用戶所請求的內容在基站端無緩存時，那么被訪問的基站需要向內容服務器發起請求。此時，對于用戶的內容請求時延為：

5-b)用戶請求的為普通內容時，基站所存儲的內容庫中沒有，因此基站需要向內容服務器請求內容。此時，對于用戶的內容請求時延為：

5-c)用戶請求的為熱點內容，基站能滿足用戶的需求。此時，對于用戶的內容請求時延為：

5-d)對所述步驟5)中a)b)c)三種不同時延情況，其中a)和b)時延表示相同，可把這兩種情況視為一種，因此對于用戶所請求內容產生的總傳輸時延為：

6)對所述步驟5)中得到了用戶請求內容所產生的傳輸時延，基站時延表示為內容服務器產生時延表示為其中s_i表示內容i文件大小，R_j表示基站j傳輸速率，D_server表示單位數據量服務器命中時延；

7)服務基站的網絡圖模型表示為G＝(N₀,E,D)，其中，N₀表示服務基站j所在虛擬小區內其他具有緩存內容的傳輸基站(候選目標集合)，E表示當前服務基站j遷移至候選目標集合中基站的路徑集合，D表示選擇不同目標基站的不同路徑時所產生的時延；

8)對所述步驟7)中得到了虛擬小區內服務基站傳輸時延網絡圖，用戶請求內容對系統的傳輸時延為：其中表示用戶當前服務基站時延，表示用戶遷移至基站k的傳輸時延，σ_jk表示為用戶遷移指示符，β_i表示為用戶請求內容i類別；

9)步驟104，從系統的內容存放和基站網絡狀態角度考慮，提出判斷用戶發生遷移的準則，具體準則如下：

9-a)遷移目標候選集合內存在基站，滿足傳輸速率比當前服務基站傳輸速率大；

其中，R₀為基站的最小傳輸速率；

9-b)遷移目標候選集合內存在基站，滿足緩存的內容是當前服務基站不具備的；

10)對所述步驟104中得到了業務遷移判別準則，在更新周期內，若當前服務基站j傳輸時延大于候選目標集合中基站k傳輸時延，則滿足用戶業務遷移準則，若當前服務基站j小于候選目標集合中基站k傳輸時延，但基站j無內容i緩存，則滿足用戶遷移準則。

本發明提出一種基于內容緩存和網絡狀態感知的業務遷移方法，如圖3所示，在無線接入網部分，密集部署了各種大小基站，其中有301控制基站、有已有內容緩存的基站和無內容緩存的基站。虛擬小區作為控制平面，每個虛擬小區里有一個本地集中控制基站，對該小區的基站進行集中管控，完成統一的配置協調和作為虛擬連接錨點。301作為集中管理基站，需要與虛擬小區內的基站群之間建立X2接口，用于配置信息的下發和基站網絡狀態信息的上報。

本發明提出一種基于內容緩存和網絡狀態感知的業務遷移方法，虛擬小區內的301會對基站群進行資源管理，301能夠實現基于業務請求、當前網絡狀態信息和內容感知的遷移決策，具有內容緩存的各個基站依照控制基站下發的遷移決策結果進行業務遷移，實現了控制平面與數據平面的分離。如圖4所示，301功能模塊包括：

1)模塊401為控制基站的資源管理模塊，包括402收集模塊與403統計模塊。

2)模塊402將周期性地收集虛擬小區內基站群的網絡、業務、終端、內容、用戶等數據信息，其中具體信息如下：

2-a)網絡狀態信息：基站接納用戶數、基站承載能力、基站剩余帶寬資源、基站傳輸速率；

2-b)業務狀態信息：終端用戶業務類型；

2-c)終端狀態信息：終端用戶位置信息、終端用戶移動速度；

2-d)內容緩存信息：基站的內容緩存信息；

2-e)用戶偏好信息：流行度高的內容信息；

3)模塊403將模塊402周期性收集的所有信息進行數據分類處理和統計計算處理。

4)模塊404為控制基站的決策控制模塊，包括405決策模塊和406下發模塊。

5)模塊405根據模塊401在更新周期內所收集且處理完的信息進行判別業務遷移準則。

6)模塊406根據模塊405在更新周期內所判別的業務遷移信息下發至虛擬小區內相對應的基站。

本發明提出一種基于內容緩存和網絡狀態感知的業務遷移方法，如圖5所示，在模塊405中具體的業務遷移判別流程如下：

1)觸發條件501表示為在虛擬小區內的基站群中，若滿足傳輸速率比當前服務基站傳輸速率大時，觸發業務遷移條件；觸發條件502表示為遷移目標候選集合內存在基站，滿足緩存的內容是當前服務基站不具備的時，觸發業務遷移條件；

2)在觸發條件生效時，一級判決包含如下：

2-a)判決條件503表示為篩選出虛擬小區內具有緩存能力的基站；

2-b)判決條件504表示為篩選出虛擬小區內具有緩存相同內容文件的基站；

2-c)判決條件505表示為篩選出虛擬小區內具有充足帶寬資源的基站；

3)在一級判決生效時，二級判決包含如下：

3-a)條件506表示為篩選的出遷移目標候選集合；

3-b)條件507表示為根據基于內容緩存和網絡狀態感知的業務遷移方法，篩選出遷移目標候選集合內傳輸時延最小的基站；

3-c)條件508表示為得到遷移目標基站；

4)在二級判決生效時，三級判決條件509表示為比較當前服務基站對用戶請求內容的總傳輸時延和遷移目標基站對用戶請求內容的總傳輸時延的大小，若當前服務基站對用戶請求內容的總傳輸時延大于遷移目標基站對用戶請求內容的總傳輸時延，則將用戶服務業務遷移至遷移目標基站，反之，此更新周期內遷移準則判定失效，等待下個周期到來繼續判別。