[发明专利]一种边缘缓存网络中最小化用户时延的基站缓存方法

摘要

本发明公开了一种边缘缓存网络中最小化用户时延的基站缓存方法，属于无线移动通信领域。在边缘缓存网络场景中，首先建立用户与基站之间的连接矩阵，同时制定基站缓存文件的策略，建立基站与文件之间的关系矩阵；然后，统计整个网络中所有用户从基站中获取文件的平均命中率；设定约束条件在满足合理的用户平均命中率阈值下，达到网络用户平均时延优化最小；进一步使用遍历法求解找到最优的基站内容存储策略，并按该策略部署小型基站。最后，用户连入小型基站获取文件。本发明充分考虑了在设计边缘缓存网络小型基站文件缓存策略过程中平均时延与平均命中率的权衡问题，实现了在满足一定用户平均命中率的情况下最小化用户平均下载时延的目标。

主权项

1.一种边缘缓存网络中最小化用户时延的基站缓存方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、构建小基站、宏基站、用户以及服务器之间的边缘缓存网络场景；步骤二、根据用户的所在位置以及基站的覆盖区域为网络中所有用户建立连接矩阵；小型基站共N个，集合为{1,2,...,n,...,N}；移动用户共J个，集合为U＝{U₁,U₂,...U_j,...,U_J}；针对用户U_j与各个小型基站的连接矩阵为：其中是二值变量，表示用户U_j能够与基站n连接，表示用户U_j无法与基站n连接；步骤三、制定每个小型基站缓存存储文件的缓存策略，并建立每个小基站与所有文件之间的关系矩阵；第n个小基站与所有文件之间的关系矩阵如下：Y为用户需要的文件个数，且Y≥M·N；M为每个小型基站最大缓存文件的个数；为第n个小基站上所存储的所有文件按文件标号建立的集合；形式如下：m＝M‑R；R为所有文件中流行度排名最高的文件个数；步骤四、针对用户U_j，根据连接矩阵确定该用户从相连的小型基站缓存中能够获得的存储文件集合步骤五、计算用户U_j能从相连的各个小型基站中获取文件的命中率期望，进而统计整个网络的平均命中率Q；首先，计算用户U_j想要获取文件k的概率P_k，满足齐普夫定律：β为常数；然后，统计用户U_j从连接的各小型基站中获取所有文件的命中率期望q_j：最后，计算整个网络的平均命中率Q如下：步骤六、建立网络用户平均时延优化表达式D(R)；其中，D_j为用户U_j的平均文件下载时延；用户的平均文件下载时延，计算过程如下：首先，建立用户U_j对所有基站上的所有文件的获得度矩阵表达形式如下：然后，利用获得度矩阵计算用户U_j下载文件k的时延D_j(k)：D_j,n为用户U_j从小基站n下载一个文件的时延；ω_n为每个小型基站的子信道带宽；γ_n,j为小基站n和用户U_j之间的信干噪比；L为每个文件的大小；D_n,M为小基站n从宏基站获得一个文件的时延；ω_M为宏基站的子信道带宽；γ_M,n为宏基站M和小基站n之间的信干噪比；最后，利用用户U_j下载每个文件的时延结合用户想要每个文件的概率，计算该用户的平均文件下载时延D_j：小基站n和用户U_j之间的信干噪比γ_n,j表达式为：所述的宏基站和小基站n之间的信干噪比γ_M,n表达式为：P_n为小型基站的发射功率；h_n,j为第n个小基站与用户U_j之间的信道增益；L₀是常量，α是路径损耗指示因子；d_n,j为小基站n和用户U_j之间的距离；σ²为热噪声功率谱密度；P_M为宏基站的发射功率；h_M,n为宏基站与小基站n之间的信道增益；d_M,n宏基站和小基站n之间的距离；步骤七、设定合理的用户平均命中率阈值，在满足用户平均命中率阈值Q_c的条件下，设定优化网络用户平均时延D(R)最小的约束条件；minD(R)s.t.C1:Q≥Q_cC2:C3:0≤R≤MC1表示整个网络的平均命中率Q要大于等于平均命中率阈值Q_c；C2表示每个小型基站要存储的流行度最高的文件个数为整数；为整数集合；C3表示每个小型基站要存储的流行度最高的文件个数要小于等于该基站自身的存储量；步骤八、使用遍历法求解约束条件，得到最优的每个小型基站都要存储的文件个数R；且满足命中率的同时最小化用户平均下载时延；步骤九、每个基站按最优的内容分发策略进行内容存储，同时用户通过连接的小型基站获取文件；步骤十、判断用户从连接的小型基站缓存中是否能够获取所需文件，如果是，则用户直接从小型基站中获取文件并结束；否则，小型基站通过宏基站向核心网获取该文件并分发给该用户。