基于相近緩存協作的移動網絡基站緩存內容放置方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及移動通信領域，具體涉及在移動網絡基站部署緩存服務移動用戶內容 請求的移動網絡基站緩存系統。
【背景技術】
[0002] 隨著移動網絡接入帶寬的大幅度增加，移動網絡中面向內容業務流量（例如網 絡視頻等）飛速增長。現有的集中式的移動網絡架構無法勝任大規模數據傳輸。為了提 高移動網絡對網絡視頻等業務的支持，在移動網絡基站部署緩存，并由緩存服務用戶的內 容請求是實現移動網絡高效內容分發的有效手段。相比于傳統的基于緩存的內容分發系 統，例如內容分發網絡，在移動網絡基站部署緩存主要存在以下問題a)受限于移動網絡基 站服務用戶數目較少以及基站緩存的有限存儲容量，基站緩存的內容請求命中率相對較 低；b)基站緩存獨立存儲內容，基于內容流行度的緩存內容放置策略（例如常用的Least Frequently Used策略）導致臨近緩存間存儲大量的冗余數據。
[0003] 針對這些移動網絡基站緩存系統存在的主要問題，利用基站緩存之間的協作存儲 是一種有效的解決方法。協作存儲是指當用戶請求在當前緩存沒有命中時，將用戶請求轉 發至其他緩存來響應用戶的內容請求。緩存協作可以提高緩存存儲內容的多樣性，減少存 儲冗余，提高緩存利用率以及內容請求命中率，并最終達到移動網絡運營商降低數據傳輸 開銷、減小數據傳輸時延、提高用戶對移動視頻等應用的用戶體驗等目標，實現移動網絡內 的高效內容分發機制。
[0004] 緩存內容管理就是建立內容與緩存之間的映射，決定在每個緩存存儲什么內容， 我們將緩存內容管理亦稱為緩存內容放置問題。一般地，緩存內容的放置取決于用戶對內 容的請求程度，因此對緩存內容的放置管理是實現高效內容分發的前提，只有緩存內容配 置更加優化合理，用戶體驗才能得到保障。
[0005] 對于移動網絡基站部署緩存的移動網絡基站緩存系統中的內容放置問題， H. Ahlehagh 等人在 "Video Caching in Radio Access Network ：Impacton Delay and Capacity" 一文中提出了兩種基站緩存內容放置策略以實現移動網內的內容分發機制， 但此文中的緩存之間未考慮協作存儲。J. He等人在"A Collaborative Framework for In-networkVideo Caching in Mobile Networks"中提出了基于全網協作存儲的緩存內容 放置機制。但是移動網絡覆蓋范圍廣闊，往往包含數量巨大的基站。因此全網協作將增加 用戶發現內容以及內容傳輸的復雜性，限制了系統的可擴展性。
[0006] 綜上所述，目前的移動網絡基站緩存內容放置解決方案中，沒有有效利用相鄰基 站劃定協作范圍來實現優化緩存內容放置的方案。
【發明內容】
[0007] 針對現有技術的不足，本發明旨在提供一種基于相近緩存協作的移動網絡基站緩 存內容放置方法，適用于優化移動網絡基站緩存中對緩存內容的優化配置，以提高緩存命 中率，減小用戶請求內容的傳輸延時。
[0008] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0009] 基于相近緩存協作的移動網絡基站緩存內容放置方法，包含移動網絡基站緩存系 統，所述移動網絡基站緩存系統主要由移動網絡基站、設置在移動網絡基站中作為存儲設 備的基站緩存以及用戶用于請求內容的用戶設備組成；所述方法包括如下步驟：
[0010] Si通過統計基站間的傳輸性能參數，確定每一個基站緩存的協作基站集，劃定基 站緩存的協作區域；
[0011] S2通過基站緩存間的協作關系以及移動網絡拓撲圖確定表征移動網絡基站緩存 系統的模型圖G，圖G中每一個基站用一個頂點表示，當兩個基站間存在協作關系時用一條 邊連接兩頂點；
[0012] S3統計網絡情景信息，包括用戶對內容請求的概率以及用戶接入每個基站的概 率；
[0013] S4基于劃定的基站協作區域、給定的系統模型表征圖G以及網絡情景信息數據來 分配緩存內容；
[0014] S5周期性執行步驟Sl至步驟S4重新分配基站緩存空間以應對網絡情景信息的更 新。
[0015] 需要說明的是，步驟Sl中，所述傳輸性能參數包括基站間的傳輸延時，而劃定基 站緩存的協作區域的具體方法如下：
[0016] 當兩個基站間的傳輸延時小于給定的門限值時兩個基站互為協作基站，通過上述 標準，每一個基站劃定一個協作基站集合，并且與協作集合中的基站進行內容協作存儲應 答。
[0017] 需要說明的是，步驟S3的具體方法如下：
[0018] 3. 1)根據用戶的歷史觀看記錄計算判斷用戶對某個內容請求的概率；
[0019] 3. 2)使用離散時間馬爾科夫鏈對用戶在基站間切換進行建模，從而由用戶的歷史 移動數據得到用戶接入基站的概率。
[0020] 需要說明的是，步驟S4具體包括：
[0021] 4. 1)由步驟S2中得到的系統模型表征圖G生成用于算法計算的圖G2;
[0022] 4. 2)對每一個基站，計算基站聚合用戶請求，即該基站的聚合用戶請求參數，用以 表示該基站以及其所有協作基站的用戶對某個內容的請求程度，用Clfi表示，其中η表示基 站，HiiQ = 1，2, ...，Μ)表示請求內容，M表示內容的總數量；
[0023] 4. 3)對每一個內容Hi1，其所有基站緩存中聚合用戶請求最高的值用表示，對 所有內容Hi1，按照降序排列得到列表List (M);對每一個內容Hi1，按照降序排列得 到M個列表List (Hii);
[0024] 4.4)首先，判斷列表List (M)是否為空，若為空則緩存空間分配結束，執行步驟 S5,否則繼續執行如下判斷：
[0025] 判斷每個基站緩存是否還有未分配的存儲空間，若沒有則緩存空間分配結束，執 行步驟S5,否則繼續步驟4.5);
[0026] 4. 5)在當前排在列表List (M)第一位的內容Iiii對應的列表List (Iiii)中，選取聚合 用戶請求大于一給定值V的所有節點并放入集合Anil中；在對應的圖G 2中，求取集合A "中 有緩存空間的最大權重獨立節點集Bnil，則集合Bnil中對應節點的基站緩存存儲內容m i，并且 更新其緩存空間容量；
[0027] 4. 6)從當前排在列表List (M)第一位的內容Iiii對應的列表List (Iiii)中刪除與集 合Bnil對應的節點以及集合B "在圖G 2中的鄰居節點；此時，若該列表List (m J為空，則從 列表List(M)中刪除內容叫對應的項，返回步驟4.4);若列表List(Hi1)不為空，則更新內 容Hi i當前的最大聚合用戶請求，重新排列列表List (M)，返回步驟4. 4)。
[0028] 進一步需要說明的是，步驟4. 1)的具體方法如下：
[0029] 圖G與圖G2的節點集合相同，當在圖G中，兩節點uv之間存在一條邊，或存在一 節點W，使得UW之間存在一條邊且WV之間存在一條邊，則在圖G 2中，兩節點UV之間存在一 條邊。
[0030] 進一步需要說明的是，步驟4. 2)中的聚合用戶請求參數由下式計算得到：
[0032] 其中u表示某一用戶，n'表示位于基站η的協作集合N(n)中的基站；pf表示用 戶u接入基站n'的概率；pf1·表示用戶u請求內容叫的概率。
[0033] 進一步需要說明的是，步驟4. 5)中的給定值V通過下式進行計算：
[0035] 其中，dmi>N為當前在列表List(M)中位于第二位的內容心所對應的最大聚合用戶 請求，α為可調節參數。
[0036] 進一步需要說明的是，步驟4. 5)中，求取集合Anil中有緩存空間的最大權重獨立節 點集Bni的具體方法如下：
[0037] 4. 5. 1)對于給定的節點集合Ami，將其中的節點按照節點權重由高到低排列形