技术摘要：
本发明公开了一种微蜂窝无线网中的协作缓存优化方法，属于无线通信技术领域。本发明将微蜂窝无线网建模为二维有向拓扑图，通过设计协作传输矩阵表征小基站之间的协作传输关系，并由协作传输矩阵及文件请求概率矩阵构造出平均缓存命中率表达式，通过凸优化方法求解出最  全部
背景技术：
边缘计算场景下进行缓存方案优化的目的在于充分利用边缘节点有限的缓存资 源，使其缓存的数据与用户需求尽可能地匹配，从而将中央资源池的负载有效分散至边缘 节点，实现缓解前传链路负载、降低网络服务时延等目标。根据文件流行度估计，“最大流行 度缓存”、“等间隔缓存”等缓存方案均可实现缓存命中率、前传负载降低率等方面的性能提 升。但以上缓存方案并没有充分利用边缘节点之间潜在的协作关系来进一步提升缓存性 能。协作缓存场景下，边缘节点之间的相对位置、信道传输条件、缓存容量等因素对协作缓 存方案的性能均有显著影响，充分利用上述因素对系统的缓存性能进行建模分析，才能有 效挖掘边缘节点之间相互协作带来的缓存增益。 边缘计算场景下为了解决上述问题采用了随机过程分析建模的方法对系统的平 均缓存命中率等性能指标进行分析计算，但是没有一种直观简便的计算模型将系统拓扑结 构或边缘节点之间的协作关系作为独立因子应用到缓存方案的优化过程中。
技术实现要素：
为了解决以上问题，本发明提供一种微蜂窝无线网中的协作缓存优化方法，本发 明将系统建模为二维有向拓扑图，通过设计协作关系矩阵来表征基站之间的协作传输关系 ‘进一步地将文件请求概率设计为请求概率矩阵；将待优化的缓存概率设计为缓存概率矩 阵。通过上述三个矩阵的之间的运算可以快速得到系统的平均缓存命中率表达式。通过凸 优化方法对该缓存命中率目标函数进行优化求解即可得到最优化命中率的协作缓存方案。 可以在降低计算复杂度的同时有效实现缓存命中率的提升和前传负载的降低，为达此目 的，本发明提供一种微蜂窝无线网中的协作缓存优化方法，具体步骤如下： 步骤1：根据两个小基站之间的数据传输速率及小基站与主基站之间数据传输速 率的相对大小确定小基站之间的协作传输关系：对于某个小基站，只有当相邻小基站能够 为其提供高于主基站的数据传输速率时，才将该相邻小基站作为能为其提供协作传输的小 基站； 步骤2：将微蜂窝无线网描述为二维有向拓扑图，其中基站对应节点，此处基站包 括主基站和小基站，基站之间的协作传输关系对应节点之间的有向边； 步骤3：设计协作传输矩阵及文件请求概率矩阵，使用缓存概率矩阵表示待优化的 缓存方案，通过上述矩阵之间的运算构造出系统平均缓存命中率的优化目标，确定缓存容 量约束下的缓存优化问题； 步骤4：通过凸优化方法求解出最优化缓存命中率的缓存概率矩阵，进而确定最优 化缓存命中率的协作缓存方案。 4 CN 111556531 A 说　明　书 2/6 页 作为本发明进一步改进，步骤1中根据基站之间的数据传输速率确定小基站之间 的协作传输关系，具体步骤为： 步骤1.1：在一个典型微蜂窝小区中，设置主基站MBS为节点0，小基站SBS集合为节 点集N＝{1,2,...,N，其中N为小基站数量，设置第n个SBS的缓存容量为Cn,n∈N，设置用户 请求的文件集为F＝{1,2,...,F}，其中F为文件数量，各文件的请求概率服从参数为γ的 Zipf分布，文件f的请求概率计算公式如下： 步骤1.2：计算基站之间的数据传输速率，将MBS到第n个SBS之间的数据传输速率 设置为Rn，第m个SBS到第n个SBS的数据传输速率设置为Rmn，基站间的数据传输速率计算公 式如下： 步骤1.3：根据步骤2的计算结果确定基站间的协作传输关系，确定依据为：1)MBS 可以为所有SBS提供文件传输；2)若满足Rmn＞Rn，则第m个SBS可以为第n个SBS提供文件传 输。 作为本发明进一步改进，步骤2中将微蜂窝无线网描述为二维有向拓扑图，具体步 骤为： 步骤2：根据步骤1确定的基站间传输关系将微蜂窝无线网映射为二维有向拓扑 图，其中基站包括MBS和SBS对应拓扑图中的节点；若基站1可以向基站2提供协作传输，则拓 扑图中对应存在从节点1到节点2的有向边；若基站1和基站2可以相互为对方提供协作传 输，则拓扑图中节点1和节点2之间存在双向边。 作为本发明进一步改进，步骤3中将微蜂窝无线网描述为二维有向拓扑图，具体步 骤为： 设计请求概率矩阵PN×F和协作关系矩阵AN×N，并将缓存概率矩阵CF×N作为优化变 量，通过上述矩阵间的运算构造出系统平均缓存命中率的矩阵表达式，进而通过凸优化方 法求解出最优化缓存命中率的协作缓存方案，具体步骤为： 步骤3.1：根据如下计算公式设计请求概率矩阵PN×F和协作关系矩阵AN×N，其中矩 阵AN×N依据权利要求3中所述的系统拓扑图确定： pnf＝pf,n∈N,f∈F 步骤3.2：将缓存概率矩阵CN×N作为待优化的缓存矩阵，则命中率最优的缓存优化 问题可通过上述矩阵表述为： 5 CN 111556531 A 说　明　书 3/6 页 作为本发明进一步改进，步骤4通过凸优化方法求解出最优化缓存命中率的缓存 概率矩阵，具体步骤为： 步骤4.1：通过凸优化方法求解出最大化 的缓存概率矩阵C*； 步骤4.2：对于第n个SBS，缓存集合{cnf ,f∈F}中最大的前Cn个缓存概率对应的文 件集Fn，即得到系统平均缓存命中率最优的缓存方案。 有益效果：本发明提供微蜂窝无线网中命中率最优的协作缓存优化方法，采用该 方法，可以直观快速地根据文件请求概率分布及基站间协作关系计算出单跳协作传输场景 下微蜂窝无线网中最优化缓存命中率的协作缓存方案。本发明具有直观、简化计算、适用场 景广泛等特点。仿真结果表明，相对于“最大流行度缓存”和“随机缓存”等缓存方案，本发明 计算出的协作缓存方案在缓存命中率和前传负载降低率方面尽可能地提高了系统性能。 附图说明 图1为典型微蜂窝无线通信网的系统结构示意图； 图2为确定基站间协作关系后该微蜂窝无线网对应的二维有向拓扑图； 图3为基站间的协作传输规则示意图； 图4为F＝10,γ＝0.8时平均缓存命中率随缓存容量的变化曲线； 图5为C＝3,γ＝0.8时平均缓存命中率随文件集大小的变化曲线； 图6为F＝10,C＝3时平均缓存命中率随Zipf分布指数的变化曲线； 图7为F＝10,γ＝0.8时前传负载降低率随缓存容量的变化曲线； 图8为C＝3,γ＝0.8时前传负载降低率随文件集大小的变化曲线； 图9为F＝10,C＝3时前传负载降低率随Zipf分布指数的变化曲线。