[發明專利]一種Fog-RAN網絡緩存放置問題的建模和決策方法

有效

• 申請號: 202011632389.3
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112822726B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 姚英彪;侯笠力;徐欣;姜顯揚;許曉榮;馮維
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: H04W28/14
• 分類號: H04W28/14;H04L67/568;H04L67/5682;H04L67/1097
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 朱月芬

本發明公開了一種Fog?RAN網絡緩存放置問題的建模和決策方法。本發明首先對Fog?RAN網絡的緩存內容放置問題進行建模，其次采用基于廣度優先的分布式決策方法緩存內容放置進行決策；首先找到Fog?RAN網絡的霧節點連通子圖，然后從每個子圖最小編號的霧節點出發，采用受擬陣約束的單調子模優化方法解決它的緩存放置問題，再然后根據廣度優先策略找到與其協作的協作霧節點，解決它們的緩存放置問題，一直往下尋找，直到將Fog?RAN網絡中所有的霧節點的緩存內容放置都完成決策。本發明增加了一個協作關系矩陣用于表示霧節點之間的協作關系，并提出了一種新的計算下載時延的目標函數。實現了對霧節點的內容緩存放置的有效決策，可以降低用戶的平均下載時延。

技術領域

本發明屬于無線通信技術領域，具體涉及一種霧無線接入網(Fog-RAN)中緩存放置問題的建模和決策方法。

背景技術

隨著近幾年新應用的發展，如云計算、短視頻等應用，互聯網內容以及網絡流量進一步呈爆炸式增長。與此同時，移動網絡以及智能手機的普及也使得人們逐漸從電腦上網變成手機上網，移動數據流量迅速攀升，同時對低時延數據流量的需求也快速增加。這些數據流量大部分會在無線網絡的邊緣處生成、處理和使用。為了應對這種趨勢，Fog-RAN逐漸成為一種極具前途的網絡體系結構，該網絡體系結構將存儲、計算和通信功能移至無線網絡的邊緣。伴隨著5G網絡的逐步成熟，以及無線接入網要滿足高帶寬、多鏈接以及低時延等需求，這使得霧計算成為現實。在Fog-RAN中，為提升移動用戶的使用體驗，減少用戶下載所需內容的延遲，一種有效的解決方案是將網絡中較為流行的內容提前緩存在Fog-RAN邊緣處的霧節點上，使得用戶可以就近從霧節點處獲取所需內容。

近年來，已有文章針對Fog-RAN網絡的緩存技術開展研究，可以分為集中式和分布式兩種方案。集中式方案需要有一個控制節點，知道整個網絡的信息，從全局的角度進行決策。分布式方案一般是每個節點通過和其周圍鄰居節點的信息交換，然后決策自己的內容放置方案。同時，由于緩存內容決策是一個離散優化問題，很難得到全局最優的決策方案，因而無論是分布式、還是集中式，經常都是根據某種標準設計貪婪的緩存決策算法。通常需要考慮的變量包括內容流行度的分布，霧節點的緩存容量，用戶的需求和信道的傳輸特性等。

現有的方法雖然可以在一定程度上解決目前存在的問題，但是現有的研究未考慮支持霧節點之間的相互協作，導致網絡的整體性能受限。這里的霧節點相互協作指的是相鄰霧節點之間可以單跳通信，從而進行消息的傳遞和內容的相互傳輸。這也就是說，如果某個用戶需要的內容未在其接入的霧節點上緩存，接入霧節點可以請求其周圍鄰居霧節點，如果其周圍鄰居霧節點有緩存，則可以進一步從鄰居霧節點得到需要的內容，而不需要從云端獲得內容，從而降低云端的負載壓力。

發明內容

本發明的目的是提供一種針對Fog-RAN網絡緩存放置問題的建模和決策方法。本發明在對Fog-RAN網絡的緩存放置問題建模時，考慮霧節點之間的協作：即當某個霧節點未緩存其服務用戶所需內容時，先從與其協作的霧節點組成的集合中尋找是否存在某個協作霧節點緩存了所需的內容，若存在協作霧節點緩存了該內容，則先由該協作霧節點傳輸給當前霧節點，再由當前霧節點傳輸給用戶，從而降低用戶的平均下載時延。

本發明的一種基于廣度優先的分布式緩存內容放置決策方法，該方法首先找到Fog-RAN網絡的霧節點連通子圖，然后從每個子圖最小編號的霧節點出發，采用受擬陣約束的單調子模優化方法解決它的緩存放置問題，然后根據廣度優先策略找到與其協作的霧節點，解決它們的緩存放置問題，一直往下尋找，直到將Fog-RAN網絡中所有的霧節點的緩存內容放置都完成決策，以此得到Fog-RAN網絡中緩存內容放置問題的一個次優解決方案。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

階段一：對Fog-RAN網絡的緩存內容放置問題進行建模，該建模包括以下幾個步驟：