基于組播傳輸?shù)腟mall Cell網(wǎng)絡(luò)緩存放置研究

方俊才，潘沛生

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 江蘇 南京 210003)

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基于組播傳輸?shù)腟mall Cell網(wǎng)絡(luò)緩存放置研究

方俊才，潘沛生

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 江蘇 南京 210003)

Small Cell是一種低發(fā)射功率、小范圍覆蓋的基站。Small Cell作為3G/4G宏蜂窩的補(bǔ)充，能夠使運(yùn)營商以更低的代價(jià)為用戶提供更好的無線寬帶語音及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。為了減少用戶與蜂窩網(wǎng)絡(luò)請求內(nèi)容的流量，基于小基站文件流行度的緩存放置方案成為一種常見的解決方法。設(shè)計(jì)的緩存放置方案考慮到運(yùn)營商能在一個(gè)服務(wù)周期內(nèi)用單個(gè)組播服務(wù)多個(gè)用戶對同一文件的請求，這比用多次單播耗費(fèi)更少的能量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的方案與現(xiàn)有的研究方案相比能量效率更高。

小基站；組播傳輸；流行度；緩存放置

0 引言

如今，移動數(shù)據(jù)流量正經(jīng)歷前所未有的全球性增長，未來幾年將持續(xù)45%的增長率，預(yù)計(jì)2020年達(dá)到30.5艾字節(jié)[1]。即使現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，以及正在建設(shè)的4G網(wǎng)絡(luò)或者正在試驗(yàn)中的5G網(wǎng)絡(luò)都非常難以滿足如此大的流量需求。為了解決這個(gè)問題，運(yùn)行商已經(jīng)開始部署了小基站(SCBs)[2]，與傳統(tǒng)的宏基站協(xié)同工作，減輕流量壓力。小基站增加了頻譜利用效率，并減少了用戶與宏基站之間的通信。

利用網(wǎng)絡(luò)存儲改變網(wǎng)路的性能已經(jīng)引起越來越多研究者的興趣，為了減小成本和回程，已有學(xué)者提出在小蜂窩系統(tǒng)中使用緩存方案[3-6]。如果用戶請求的文件已經(jīng)緩存在小基站之中，用戶的請求將會由小基站服務(wù)，否則將由宏基站(MBS)進(jìn)行服務(wù)。該方案最大的挑戰(zhàn)就是設(shè)計(jì)最優(yōu)的緩存政策，即每個(gè)小基站應(yīng)該緩存哪些文件，實(shí)現(xiàn)減少服務(wù)成本的目的。

組播在蜂窩網(wǎng)絡(luò)的多媒體內(nèi)容傳輸中是一種很有前途的解決方案[7-8]，并已被納入3GPP版本。當(dāng)多用戶在一個(gè)周期內(nèi)對同一文件發(fā)出請求時(shí)，宏基站可以通過一次組播傳輸文件以實(shí)現(xiàn)對多用戶服務(wù)。顯然，組播能影響緩存策略。例如，宏基站用組播傳輸一個(gè)文件，該文件可以不在任何一個(gè)小基站中進(jìn)行緩存，另外一方面，為了避免這樣的宏基站傳輸，所有的小基站可以緩存服務(wù)用戶的請求文件。

針對運(yùn)營商使用組播，本文為小蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了緩存策略，與其他方案一樣，此處的目標(biāo)是減少運(yùn)行商的能量成本。首先介紹系統(tǒng)模型，定義一個(gè)最優(yōu)化問題，本文稱之為MACP(Multicast Aware Caching Problem)，并將會證明MACP的復(fù)雜度，設(shè)計(jì)一種啟發(fā)式算法。

1 系統(tǒng)模型

如圖1所示，Small Cell網(wǎng)絡(luò)下每個(gè)小基站部署在宏基站的周圍，小基站可以服務(wù)附近的請求，N個(gè)小基站組成的集合為A，每個(gè)小基站n∈A的緩存容量為Sn，表示小基站儲存的文件最大數(shù)量。

圖1 系統(tǒng)模型，網(wǎng)絡(luò)由1個(gè)宏基站(MBS)和N個(gè)小基站(SBSs)組成

CM代表數(shù)據(jù)從宏基站傳輸?shù)接脩舻哪芰砍杀尽N表示小基站n傳輸數(shù)據(jù)到用戶的能量成本。CS為小基站儲存能量成本，成本與文件的大小和存儲介質(zhì)有關(guān)。這些成本參數(shù)可以解釋為運(yùn)營商的資本性輸出(Capital Expenditure Cost)。

本文研究的系統(tǒng)在一定時(shí)間間隔d內(nèi)，文件的流行度是已知的。Φ代表宏基站儲存M個(gè)文件組成的集合，文件按照流行度排序，用戶請求第i個(gè)文件的概率PM(i)符合齊普夫定律(ZIPF)[9]，表示為:

(1)

在本文中，所有的文件擁有同樣的大小。為了便于分析，假設(shè)所有的小基站的覆蓋區(qū)域是不重合的，因此用戶最多只可能在一個(gè)小基站覆蓋的區(qū)域內(nèi)。用λni表示小基站n覆蓋區(qū)域內(nèi)用戶對于文件i的平均需求。λ0i代表不在任何一個(gè)小基站覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶對于文件i的平均需求。小基站n在每秒內(nèi)可以服務(wù)用戶對文件的請求最大數(shù)目為Un，Un滿足隨機(jī)分布，即不同的小基站服務(wù)的最大用戶數(shù)可能是不一樣的。λni等于Un與文件流行度PM(i)的乘積，表示為：

λni=UnPM(i)

(2)

因此，每個(gè)基站文件i的請求數(shù)量滿足泊松分布，則在一個(gè)組播周期內(nèi)小基站n中用戶至少一次對文件i發(fā)出請求的概率為pni，其表達(dá)式為:

pni=1-e-λnid

(3)

小基站沒有覆蓋的即由宏基站服務(wù)的區(qū)域表示為n0，小基站組成的區(qū)域表示為集r，所有區(qū)域組成的集合為R，表示為：

R=(r:r?A∪n0,r≠φ)

(4)

在一個(gè)組播周期內(nèi)，任意區(qū)域r中，每個(gè)小基站用戶對文件i∈Φ至少發(fā)出一次請求的概率為qri，請求相互獨(dú)立，概率表示為：

qri=Πn∈rpniΠn?r(1-pni)

(5)

P表示宏基站向小基站n下的用戶的發(fā)射功率[10]，單位為W，表示為：

P=Ps-Gu-Gm+Lmu+Ψ+10log10B

(6)

Ps表示基站接收靈敏度,Gu代表用戶天線增益，Gm表示基站的天線增益，Lmu表示宏基站與用戶之間的路徑衰落，Ψ表示陰影效應(yīng)，B表示資源塊數(shù)目。本文中宏基站傳輸?shù)接脩舻哪芰砍杀綜M=P×t。t表示文件無線傳輸?shù)臅r(shí)間，為文件大小除以無線傳輸速率。

存儲成本CS與文件大小和存儲介質(zhì)有關(guān)，1 bit文件儲存功率等于6·10-12W[11]，用固態(tài)硬盤存儲文件。

2 問題描述

二進(jìn)制變量xni表示文件i∈Φ是否存儲在小基站n∈A中，如果小基站n存儲了文件i，則n∈A，xni=1。xni變量組成的矩陣為x，表示為：

x=(xni∈{0,1}:i∈Φ,n∈A)

(7)

二進(jìn)制變量yri表示當(dāng)區(qū)域r?R收到對文件i有請求時(shí)，宏基站決定是否應(yīng)該進(jìn)行組播傳輸。yri=1表示宏基站對用戶的請求用組播傳輸;yri=0表示用戶對文件i的請求都被當(dāng)?shù)氐男』痉?wù)了，不需要組播傳輸。這些變量組成的矩陣為y：

y=(yri∈{0,1}:r?R,i∈Φ)

(8)

yri=1可分為兩種情況：當(dāng)請求不在任意小基站覆蓋區(qū)域內(nèi)n0時(shí)，滿足n0∈r，能夠被宏基站服務(wù)；文件請求來自于小基站n∈r 0，但小基站沒有儲存文件i，此時(shí)需要宏基站進(jìn)行組播傳輸。

Ji(y)表示用組播服務(wù)文件i的能量成本:

Ji(y)=∑r?Rqri(yriCM+(1-yri)∑n∈rCN)

(9)

本文把基于組播傳輸?shù)木彺娣胖脝栴}(MACP)作為一個(gè)最優(yōu)化問題，最優(yōu)化問題目標(biāo)函數(shù)表示為：

minx,y∑n∈A∑i∈ΦxniCS+∑i∈ΦJi(y)

(10)

s.t ∑i∈Φxni≤Sn

(11)

xni∈{0,1}:i∈Φ,n∈A

yri∈{0,1}:r?R,i∈Φ

式(10)表明能量總成本等于完成用戶對文件請求的能量成本和每個(gè)小基站儲存文件的成本之和。

3 緩存放置算法

本文研究的目標(biāo)是求出基于組播傳輸?shù)男》涓C網(wǎng)絡(luò)緩存放置最佳方案，上節(jié)分析了MACP問題的難度，在本節(jié)中提出一個(gè)解決組播感知傳輸緩存問題(MACP)的輕量級迭代算法，每次迭代的目標(biāo)就是求出式(10)的最小值。

算法形式化描述如下：

輸入：N個(gè)小基站集合A，文件集合Φ，周期d，需求λni

輸出：緩存矩陣x

(4) for 迭代次數(shù)

number=1,2,…,∑n∈ASn, do

(6)xn*i*=1

(9) ifFn*=Snthen

(10) for 每個(gè)i∈Φ使得(n*,i*)∈Ddo

(11) end for

(12) end if

(13) end for

4 仿真結(jié)果與分析

本文設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)包含14個(gè)小基站和1個(gè)宏基站，文件的總數(shù)量M=100，Sn=S，每個(gè)儲存的文件數(shù)限制是一樣的。服務(wù)周期d=10 s，每個(gè)文件大小為30 Mbit，文件流行度滿足齊普夫(zipf)定律[12-13]，在每個(gè)小基站覆蓋區(qū)域內(nèi)，小基站的最大請求次數(shù)從每秒1個(gè)到每秒10個(gè)變化，滿足隨機(jī)分布。設(shè)置r0i=0。假設(shè)在LTE環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，P=43 dBm，即20 W。理想下行傳輸速率為100 Mbit/s，則30 Mbit文件傳輸時(shí)間等于0.3 s。傳輸?shù)哪芰砍杀綜M=CN。本文比較三種緩存方案的性能?；诹餍卸雀兄膯尾鬏?PAC-UT)緩存方案：所有的小基站都緩存最流行的文件，每個(gè)文件請求都通過單播完成；基于流行度感知的組播傳輸(PAC-MT)方案：每個(gè)小基站都相互獨(dú)立緩存最流行的文件，對同一文件在同一周期的請求，宏基站可以通過一個(gè)組播傳輸完成服務(wù)；基于組播感知傳輸(MAC-MT)的緩存方案：通過本文算法完成文件的放置，當(dāng)多用戶對同一文件在同一時(shí)期進(jìn)行請求時(shí)，宏基站可以通過一個(gè)組播傳輸完成服務(wù)。

從圖2可以觀察到，隨著齊普夫參數(shù)的增加，所有方案的成本都在減少，可以明顯地觀察到在α值較小時(shí)，基于組播感知傳輸(MAC-MT)的緩存設(shè)計(jì)方案是更優(yōu)的。隨著流行度參數(shù)的增加，與基于流行度感知的組播傳輸 (PAC-MT)設(shè)計(jì)方案相比二者的性能非常接近，因?yàn)橐恍〔糠治募兊梅浅Ａ餍校懈嗟挠脩粽埱?，因此把這些最流行的文件緩存到當(dāng)?shù)匦』局校梢詽M足當(dāng)?shù)氐男枨蟆?/p>

圖2 文件流行度分布參數(shù)對三種方案性能影響

由圖3可以看出，隨著小基站緩存文件數(shù)量的增加，更多的請求被當(dāng)?shù)貪M足，三種方案運(yùn)營商的服務(wù)成本在明顯地下降。本文提出的MAC-MT方案相對于其他兩種方案，在小基站緩存文件最大數(shù)量增加時(shí)，性能良好。

圖3 小基站緩存容量對三種方案性能影響

在周期d內(nèi)，用戶的請求必須得到服務(wù)。由圖4得知，當(dāng)服務(wù)周期d增加時(shí)，服務(wù)成本上升了，因?yàn)橐?wù)更多的請求，基于組播感知傳輸(MAC-MT)的緩存設(shè)計(jì)方案通過組播滿足更多的請求。與PAC-UT和PAC-MT兩種方案相比，服務(wù)成本增加得更加緩慢，也就是服務(wù)周期越長，MAC-MT相比前兩種方案將會取得更好的效益。

圖4 服務(wù)請求的周期對三種方案性能影響

5 結(jié)束語

本文針對小基站緩存文件放置的問題，為減少運(yùn)營商服務(wù)用戶請求的能量成本，設(shè)計(jì)了基于組播傳輸?shù)木彺娣桨福⒃O(shè)計(jì)了算法實(shí)現(xiàn)緩存的放置。與傳統(tǒng)的基于流行度的緩存放置方案相比，該緩存策略利用組播傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，同時(shí)結(jié)合文件的流行度，使運(yùn)營商服務(wù)成本大幅度下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方案性能優(yōu)異。

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Caching placement of small cell network based on multicast transmission

Fang Juncai, Pan Peisheng

(School of Communication and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

Small cell is a base station with low transmit power and small coverage. Small Cell as a complement to the 3G/4G macrocell, enable operators to provide users with better wireless broadband voice and data services at a lower cost. In order to reduce the traffic of requests between users and cellular networks, the cache placement scheme based on the popularity of small base stations becomes a common solution.In this paper, a new method of cache placement is proposed. The cache policy carefully takes into account the fact that an operator can serve the requests for the same file that happen at nearby times via a single multicast transmission. The strategy is more economical in traffic than the schemes based on unicast transmission and popularity of files. The experimental results show that the proposed solution is more effective than the existing methods.

small cell; multicast transmission; popularity; cache placement

TN711

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.11.021

方俊才，潘沛生.基于組播傳輸?shù)腟mall Cell網(wǎng)絡(luò)緩存放置研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(11)：71-73，77.

2017-01-10)

方俊才(1990-)，男，碩士，主要研究方向：Small Cell網(wǎng)絡(luò)緩存。

潘沛生(1966-)，男，博士，副教授，主要研究方向：無線網(wǎng)絡(luò)與通信信號處理。