[發明專利]一種基于多播的無線異構網絡文件緩存更新方法

有效

• 申請號: 201810486999.3
• 申請日: 2018-05-21
• 公開（公告）號: CN108632390B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發明（設計）人: 朱越;唐斌;葉保留;陸桑璐
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H04L29/08
• 分類號: H04L29/08;H04W4/06;H04W24/06;H04W28/02
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 李淑靜

本發明公開了一種基于多播的無線異構網絡文件緩存更新方法，包括：1、構建網絡拓撲，包括小基站分布、用戶分布、小基站與用戶之間的連接關系分布；2、構建當前熱門文件集熱度分布模型；3、構建多播模式下更新文件的能量消耗模型；4、推導出最大化系統緩存命中率的目標函數與限制條件，構造最優化模型；5、將優化問題轉化為多選擇背包問題，求解得出對所有小基站的緩存文件更新方案；6、采用多播的方式將文件發送給小基站；7、當熱門文件集發生變化時，定期采取步驟2?6對系統內所有小基站進行緩存更新。本發明的方法使得熱門文件能夠合理地被更新到不同小基站上，從而提高用戶從小基站上直接獲取視頻數據的可能性，降低網絡回程鏈路的數據。

技術領域

本發明屬于網絡技術領域，具體涉及一種基于多播的無線異構網絡文件緩存更新方法。

背景技術

近年來，隨著4G網絡的發展與智能移動終端設備的普及，移動網絡流量呈現出爆發式增長的態勢，其中視頻流量又占據了很大的部分。根據Cisco公司2016年發布的白皮書報告中稱，未來幾年的移動網絡流量將呈指數增長態勢，并于2021年突破49EB大關。其中，網絡視頻流量的占比也在不斷擴大，到2021年，預計這部分移動流量會從當前的60％左右增長到78％左右。

網絡流量的爆發式增長，會帶來如下問題：(1)網絡鏈路擁堵，丟包率高，用戶網速體驗降低；(2)太多的文件請求使得基站超負荷工作容易崩潰。根據觀察，網絡內的數據流量，很多都是請求的相同的文件，其中以視頻數據流量最為明顯，相同區域內多個移動用戶請求相同的視頻文件，導致基站在重復發送相同的文件。

在這樣的背景下，一種基于基站緩存的無線異構網絡被提了出來，如圖1所示，在一個中心基站((Macro Base Station，MBS)覆蓋的區域內，部署著一些覆蓋范圍更小的小基站(SBS),這些小基站形成的小范圍蜂窩網絡被稱為毫微微蜂窩網(Femto-Cell)，這些小基站與主基站之間具備一條回程鏈路(backhaul link)，用于雙方進行通信。這些小基站有較大的緩存空間(cache)，可以與移動用戶之間進行高速數據傳輸。當這個網絡系統工作時，預先將當前網絡內的很多用戶可能請求的熱門視頻文件通過中心基站發送給小基站，小基站將熱門視頻文件緩存，當用戶請求的文件已被與用戶相連的小基站緩存時時，用戶可直接從小基站處高速獲得，如果請求的文件無法從小基站處獲取，則通過中心基站向遠程服務器請求。通過小基站的緩存，可以避免了相同區域內多個用戶請求相同文件帶來的重復數據流量。

小基站發揮作用的關鍵在于緩存當前網絡內的流行視頻文件，然而互聯網內每天都會產生很多個新的視頻文件(例如，電影、電視劇等)，導致流行的視頻文件也會每隔一段時間就發生變化。為了使得小基站持續發揮作用，需要對小基站的緩存文件進行更新。觀察發現，流行文件的變化是一個比較緩慢的過程，一般隔了幾天才會發生較大變化，因此不適合采用CPU中的cache的“熱更新”(LRU等)的方式，而且“熱更新”會受個別用戶的臨時請求影響較大，頻繁更新文件，反而給網絡帶來了一大波流量。為了在不影響用戶正常上網的同時，將當前網絡內真正熱門的文件緩存到小基站內，定期在網絡鏈路清閑的時間段內(如每隔五天的凌晨2點到6點)，對所有小基站集中進行文件更新。在固定時間段內，網絡內的所有小基站都要通過中心基站來更新文件。目前關注在小基站緩存視頻文件的一些工作主要集中在如何在已有的緩存架構下進行流行視頻文件的緩存放置，而如何在現有的無線異構網絡下對小基站內緩存設備的更新沒有得到足夠多的關注。特別是，小基站緩存空間大小有限，系統能量受限制，當熱門文件集發生較大變化時，用戶針對視頻的請求過程中小基站與主基站之間的回程鏈路上數據流量激增，往往導致網絡擁塞的發生。

發明內容

發明目的：基于現有技術的不足，本發明提出一種基于多播的無線異構網絡文件緩存更新方法，能夠減少用戶日常針對視頻的請求過程中小基站與主基站之間的回程鏈路上數據流量，防止網絡擁塞的發生，有效提高網絡性能。

技術方案：為了實現以上目的，本發明所述的一種基于多播的無線異構網絡文件緩存更新方法，包括以下步驟：