本發(fā)明涉及一種無線網(wǎng)絡中視頻的分布式緩存和傳輸優(yōu)化方法，屬于無線通信網(wǎng)絡中資源分配和調(diào)度領域。

背景技術：

近幾年隨著多媒體智能終端的普及，無線網(wǎng)絡中用戶對視頻內(nèi)容的需求急劇增長且毫無放慢的跡象，巨大的流量需求導致現(xiàn)有通信網(wǎng)絡架構(gòu)難以承受，尤其是回程鏈路部分，與此同時，由于大量用戶請求服務導致的網(wǎng)絡擁塞，至使用戶的體驗質(zhì)量也難以保障。

緩存技術通過在用戶流量需求的非峰值時段，將流行視頻文件(研究表明用戶請求的視頻內(nèi)容近似服從zipf分布，即用戶請求概率與視頻排名成反比，請求概率越大的視頻排名越靠前，稱為流行視頻)提前存儲到臨近用戶的緩存節(jié)點，在用戶流量需求的峰值時段，由緩存節(jié)點提前緩存的流行內(nèi)容對用戶進行服務，從而顯著減小回程鏈路的壓力，同時由于緩存節(jié)點更鄰近用戶，因此可以更快的對用戶需求進行響應，顯著減小接入時延，提高用戶的體驗質(zhì)量。

緩存技術的應用前景非常廣泛，對于任何具有存儲能力的網(wǎng)絡節(jié)點都可適用，比如傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡和信息中心網(wǎng)。傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡中，在臨近用戶的宏基站引入存儲能力，將大量流行內(nèi)容緩存到存儲中可以大大減小基站到核心網(wǎng)的回程壓力，這也是運營商亟需解決的問題，同時由于基站更臨近用戶終端，使得響應用戶服務請求更加迅速，為用戶提供極好的用戶體驗質(zhì)量。隨著5G時代的臨近，各種小基站，輔助節(jié)點填充到宏基站的覆蓋范圍下，加強了對終端用戶的覆蓋，同時使得基站到用戶的距離更為縮短，通過引入緩存技術，使得網(wǎng)絡響應用戶服務請求更加迅速。隨著D2D技術的發(fā)展，用戶終端的存儲也會做得越來越大，在用戶終端引入緩存技術，可以進一步減輕無線網(wǎng)絡的壓力，通過在這些緩存節(jié)點引入緩存技術可以大大提升系統(tǒng)容量，減少回程和無線壓力，提升用戶體驗質(zhì)量。對于另一個網(wǎng)絡架構(gòu)信息中心網(wǎng)，通過在中間路由器和邊沿路由器同時引入緩存技術可以大大提升用戶的體驗質(zhì)量。未來由于智能多媒體終端的不斷發(fā)展，人們對網(wǎng)絡服務的需求將越來越迫切，要求也越來越高，通過緩存技術和動態(tài)自適應流技術的結(jié)合，在緩存節(jié)點存儲流行內(nèi)容的多速率，并添加計算單元，當用戶請求某個速率的內(nèi)容不在緩存中時可以對元速率的內(nèi)容進行速率轉(zhuǎn)化，多種速率的緩存可以很好的適應網(wǎng)絡環(huán)境和用戶終端制式，為用戶提供相對最好的體驗質(zhì)量。

緩存技術可以很好的減輕回程壓力，提升用戶的體驗質(zhì)量，但是緩存什么？如何緩存？還是緩存技術中最為突出的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對無線網(wǎng)絡中用戶需求過多導致現(xiàn)有網(wǎng)絡架構(gòu)難以負擔，同時用戶得不到想要的服務等問題，提供一種無線網(wǎng)絡中視頻的緩存和傳輸方法。該方法同時考慮用戶(User)、運營商(Mobile Network Operator，MNO)及視頻提供商(Video Provider，VP)三方的利益，能同時保證用戶的體驗質(zhì)量(主要為接入時延)，運營商的利潤(主要為回程節(jié)省)，以及視頻提供商的利潤(主要為用戶損耗)，通過合理調(diào)整緩存和傳輸達到三方利潤的優(yōu)化。

為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案：

一種無線網(wǎng)絡中視頻的分布式緩存和傳輸優(yōu)化方法，具體步驟如下：

步驟1：分別定義用戶、運營商和視頻提供商的利潤函數(shù)；

步驟2：建立聯(lián)合最小化的成本目標函數(shù)；

步驟3：利用拉格朗日松弛將目標函數(shù)分解為兩個子問題；

步驟4：分別解決兩個子問題得到最優(yōu)緩存和傳輸方式。

所述步驟1的具體步驟如下：

在一個無線網(wǎng)絡中，一般包括視頻提供商，擁有全部的視頻資源；運營商，擁有很多基站；每個基站具有緩存能力且覆蓋許多用戶，用戶向基站請求視頻內(nèi)容，基站若提前緩存了該內(nèi)容，則直接對用戶進行服務，否則通過回程鏈路向視頻提供商請求傳輸該內(nèi)容，這時由于占用回程資源，運營商將支付相應費用，基站或視頻提供商向用戶提供服務時，由于鏈路擁塞會有一個接入時延，接入時延的大小顯示了用戶體驗質(zhì)量的好壞，當用戶在一定時間內(nèi)得不到想要的服務時會轉(zhuǎn)向其他視頻提供商獲取服務，視頻提供商的這部分用戶損耗將作為衡量其利潤大小的成本；

定義用戶利潤：當用戶向基站或視頻提供商請求視頻內(nèi)容時，根據(jù)當時網(wǎng)絡鏈路的擁塞程度用戶會感知到一個接入時延，根據(jù)排隊論中M/M/1的排隊假設，接入時延描述為每比特位通過容量為C負載為f的鏈路，所花費的時延為1/(C-f)，接入時延越小，表示用戶體驗質(zhì)量越好，因此將用戶的時延成本最小化描述用戶利潤的最大化，具體定義為：

為適應不同的網(wǎng)絡環(huán)境，考慮用戶能夠請求多速率的視頻，網(wǎng)絡環(huán)境越好的用戶能夠享用越高速率的視頻，其中表示用戶向基站i∈{1,2,...,|I|}請求速率為q∈{1,2,...，|Q|}的視頻j∈{1,2,...|J|}的平均每比特位傳輸時延，速率大小R_jq∈{9.5,19.5,...,|R_jq|}，[*]表示上取整，y_ijq∈[0,1]表示用戶向基站i請求速率為q的視頻j被服務的比例，z_ijq∈[0,1]表示用戶向基站i請求速率為q的視頻j未被服務轉(zhuǎn)而被VP直接服務的比例，F(xiàn)_i,G_i分別為基站i的無線容量和到視頻提供商之間的回程鏈路容量，分別為無線和回程鏈路負載，其中λ_ijq表示向基站i請求速率為q的視頻j的用戶數(shù)量；

定義運營商利潤：當用戶從基站的緩存中下載一個請求視頻時，運營商則節(jié)省一個視頻提供商到基站間回程鏈路的視頻傳輸，這部分節(jié)省的回程鏈路成本作為運營商的利潤，具體定義為：

其中表示基站i的回程節(jié)省，s^bh表示傳輸一個視頻的平均回程節(jié)省，o_jq表示速率為q的視頻j的內(nèi)容大??；

定義視頻提供商利潤：當用戶在規(guī)定的時間內(nèi)得不到想要的服務時，會轉(zhuǎn)向其他視頻提供商獲取服務，視頻提供商的這部分用戶損耗作為衡量其利潤大小的成本，定義為：

其中P_i表示基站i產(chǎn)生的用戶損耗成本，T表示平均每用戶損耗成本。

所述步驟2的具體步驟如下：根據(jù)上述分析，這是個多目標規(guī)劃問題，比較有效的方法為加權(quán)法，觀察到用戶利潤和運營商利潤都只和y_ijq,z_ijq相關，因此引入加權(quán)系數(shù)α∈[0,1]結(jié)合三個目標函數(shù)成一個單目標函數(shù)：

s.t.y_ijq≤x_ijq+z_ijq (1)

其中不等式(1)表示一個被服務的用戶請求要么由基站緩存進行服務，要么由視頻提供商進行服務，不等式(2)表示緩存內(nèi)容大小小于緩存容量限制，不等式(3)、(4)分別表示無線容量限制和回程容量限制，式(5)、(6)表示x_ijq,y_ijq,z_ijq取值范圍，其中x_ijq∈{0,1}，x_ijq＝1表示速率為q的視頻j緩存在基站i，否則沒緩存。

所述步驟3的具體步驟如下：

引入拉格朗日乘子u_ijq,v_ijq,w_ijq分別將受限條件式(1)、(3)、(4)帶入目標函數(shù)，得到拉格朗日對偶問題：

通過觀察，該問題進一步分解為P1：傳輸子問題和P2：緩存子問題兩個子問題，其中：

P1：

P2：

所述步驟4的具體步驟如下：采用分布式算法進行求解，其具體步驟如下：

(4-1)解決傳輸子問題：

利用次梯度迭代，首先，從基站i獲取服務比例信息和緩存信息x_ijq，其次，提取值，然后分別利用如下公式：更新值，利用公式：更新值，最后利用：更新值，直至收斂至最優(yōu)值；

(4-2)解決緩存子問題：

利用貪婪算法，首先，提取值和相應視頻大小o_jq，分別得到集合O＝O∪o_jq,然后利用緩存容量受限條件∑O≤S_i判斷基站緩存是否存滿，若條件滿足，則緩存該視頻W_i＝W_i-o_ijq,C_i＝C_i∪o_ijq,x_ijq＝1，否則集合U降序排列，對于k＝1～|U|，滿足判斷如果u_k≤W_i，則W_i＝W_i-u_k,C_i＝C_i∪u_k,x_ijq＝1，否則x_ijq＝0。

其中O,U分別表示視頻大小o_jq和拉格朗日乘子的集合，W_i表示基站i的緩存大小S_i，C_i表示緩存在基站i的視頻大小，k表示排名，u_k表示排名第k的視頻大小。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較，具有以下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點：

本發(fā)明方法不僅實現(xiàn)了同時考慮并優(yōu)化用戶、運營商和視頻提供商三方的利潤，而且實現(xiàn)過程簡單，便于分布式求解，有效提高了網(wǎng)絡資源利用率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明針對的一種無線網(wǎng)絡系統(tǒng)模型。

圖2為本發(fā)明中適用于無線網(wǎng)絡中視頻的緩存和傳輸方法的分布式算法流程圖。

圖3為本發(fā)明中分布式算法實現(xiàn)圖。

圖4為本發(fā)明中被服務用戶占總用戶百分比條形圖。

圖5為本發(fā)明中總的成本性能曲線圖。

圖6為本發(fā)明三方(用戶，MNO，VP)性能曲線圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例作詳細的描述。

如圖1所示為無線網(wǎng)絡中視頻緩存和傳輸?shù)南到y(tǒng)模型。圖中無線網(wǎng)絡包括視頻提供商VP提供所有速率的視頻資源，移動網(wǎng)絡運營商MNO擁有很多具有緩存能力的基站(Base Station，BS)，每個基站下覆蓋需要服務的用戶User。用戶向基站進行視頻請求，若基站提前緩存該視頻內(nèi)容，則直接對該用戶進行服務，否則基站向VP檢索請求該視頻資源，這時將占用回程鏈路，增加MNO的服務成本，同時由于VP作為遠端服務器距離用戶較遠，多節(jié)點的視頻傳輸將導致用戶接入時延增加，用戶體驗質(zhì)量下降，倘若用戶在一定時間內(nèi)得不到想要的服務，該用戶將轉(zhuǎn)向其他VP請求服務，這是VP所不愿看到的，因為這將造成巨大的用戶損耗，導致VP的利潤減小。

如圖2所示，本實施例無線網(wǎng)絡中視頻的分布式緩存和傳輸優(yōu)化方法的具體步驟如下：

步驟1：分別定義用戶、運營商和視頻提供商的利潤函數(shù)；

在一個無線網(wǎng)絡中，一般包括視頻提供商，擁有全部的視頻資源；運營商，擁有很多基站；每個基站具有緩存能力且覆蓋許多用戶，用戶向基站請求視頻內(nèi)容，基站若提前緩存了該內(nèi)容，則直接對用戶進行服務，否則通過回程鏈路向視頻提供商請求傳輸該內(nèi)容，這時由于占用回程資源，運營商將支付相應費用，基站或視頻提供商向用戶提供服務時，由于鏈路擁塞會有一個接入時延，接入時延的大小顯示了用戶體驗質(zhì)量的好壞，當用戶在一定時間內(nèi)得不到想要的服務時會轉(zhuǎn)向其他視頻提供商獲取服務，視頻提供商的這部分用戶損耗將作為衡量其利潤大小的成本；

定義用戶利潤：當用戶向基站或視頻提供商請求視頻內(nèi)容時，根據(jù)當時網(wǎng)絡鏈路的擁塞程度用戶會感知到一個接入時延，根據(jù)排隊論中M/M/1的排隊假設，接入時延描述為每比特位通過容量為C負載為f的鏈路，所花費的時延為1/(C-f)，接入時延越小，表示用戶體驗質(zhì)量越好，因此將用戶的時延成本最小化描述用戶利潤的最大化，具體定義為：

為適應不同的網(wǎng)絡環(huán)境，考慮用戶能夠請求多速率的視頻，網(wǎng)絡環(huán)境越好的用戶能夠享用越高速率的視頻，其中表示用戶向基站i∈{1,2,...,|I|}請求速率為q∈{1,2,...，|Q|}的視頻j∈{1,2,...|J|}的平均每比特位傳輸時延，速率大小R_jq∈{9.5,19.5,...,|R_jq|}，[*]表示上取整，y_ijq∈[0,1]表示用戶向基站i請求速率為q的視頻j被服務的比例，z_ijq∈[0,1]表示用戶向基站i請求速率為q的視頻j未被服務轉(zhuǎn)而被VP直接服務的比例，F(xiàn)_i,G_i分別為基站i的無線容量和到視頻提供商之間的回程鏈路容量，分別為無線和回程鏈路負載，其中λ_ijq表示向基站i請求速率為q的視頻j的用戶數(shù)量；

定義運營商利潤：當用戶從基站的緩存中下載一個請求視頻時，運營商則節(jié)省一個視頻提供商到基站間回程鏈路的視頻傳輸，這部分節(jié)省的回程鏈路成本作為運營商的利潤，具體定義為：

其中表示基站i的回程節(jié)省，s^bh表示傳輸一個視頻的平均回程節(jié)省，o_jq表示速率為q的視頻j的內(nèi)容大??；

定義視頻提供商利潤：當用戶在規(guī)定的時間內(nèi)得不到想要的服務時，會轉(zhuǎn)向其他視頻提供商獲取服務，視頻提供商的這部分用戶損耗作為衡量其利潤大小的成本，定義為：

其中P_i表示基站i產(chǎn)生的用戶損耗成本T表示平均每用戶損耗成本。

步驟2：建立聯(lián)合最小化的成本目標函數(shù)。

根據(jù)上述分析，這是個多目標規(guī)劃問題，比較有效的方法為加權(quán)法，觀察到用戶利潤和運營商利潤都只和y_ijq,z_ijq相關，因此引入加權(quán)系數(shù)α∈[0,1]結(jié)合三個目標函數(shù)成一個單目標函數(shù)：

s.t.y_ijq≤x_ijq+z_ijq (1)

其中不等式(1)表示一個被服務的用戶請求要么由基站緩存進行服務，要么由視頻提供商進行服務，不等式(2)表示緩存內(nèi)容大小小于緩存容量限制，不等式(3)、(4)分別表示無線容量限制和回程容量限制，式(5)、(6)表示x_ijq,y_ijq,z_ijq取值范圍，其中x_ijq∈{0,1}，x_ijq＝1表示速率為q的視頻j緩存在基站i，否則沒緩存。

步驟3：利用拉格朗日松弛將目標函數(shù)分解為兩個子問題。

引入拉格朗日乘子u_ijq,v_ijq,w_ijq分別將受限條件式(1)、(3)、(4)帶入目標函數(shù)，得到拉格朗日對偶問題：

通過觀察，該問題進一步分解為P1：傳輸子問題和P2：緩存子問題兩個子問題，其中：

P1：

P2：

如圖3所示為本發(fā)明中分布式算法中的實現(xiàn)流程圖。

步驟4：分別解決兩個子問題得到最優(yōu)緩存和傳輸方式。

采用分布式算法進行求解，其具體步驟如下：

(4-1)解決傳輸子問題：

利用次梯度迭代，首先，從基站i獲取服務比例信息和緩存信息x_ijq，其次，提取值，然后分別利用如下公式：更新值，利用公式：更新值，最后利用：更新值，直至收斂至最優(yōu)值；

(4-2)解決緩存子問題：

利用貪婪算法，首先，提取值和相應視頻大小o_jq，分別得到集合O＝O∪o_jq,然后利用緩存容量受限條件∑O≤S_i判斷基站緩存是否存滿，若條件滿足，則緩存該視頻W_i＝W_i-o_ijq,C_i＝C_i∪o_ijq,x_ijq＝1，否則集合U降序排列，對于k＝1～|U|，滿足判斷如果u_k≤W_i，則W_i＝W_i-u_k,C_i＝C_i∪u_k,x_ijq＝1，否則x_ijq＝0。

其中O,U分別表示視頻大小o_jq和拉格朗日乘子的集合，W_i表示基站i的緩存大小S_i，C_i表示緩存在基站i的視頻大小，k表示排名，u_k表示排名第k的視頻大小。

如圖4所示為在無線網(wǎng)絡中，根據(jù)本發(fā)明的視頻緩存和傳輸方法，在無線和回程容量受限的條件下，系統(tǒng)可服務的用戶占總用戶數(shù)的百分比。從實驗結(jié)果可以看出，隨著緩存容量增加，BS可緩存流行視頻的數(shù)量增加，很多原來需要通過弱的回程容量進行服務的請求，可以由緩存中的視頻通過比較富裕的無線鏈路進行服務，節(jié)省的回程容量可以用來服務于本地不能服務的用戶，因此一定程度上增加了可服務用戶數(shù)量。

如圖5所示為在無線網(wǎng)絡中，根據(jù)本發(fā)明的視頻緩存和傳輸方法所達到的總成本的減小，從實驗結(jié)果可以看出，與無緩存系統(tǒng)相比，在帶緩存系統(tǒng)中，總的成本得到明顯的減小。隨著基站緩存容量的增加，每個基站可緩存的流行視頻文件增加，因此由本地基站進行服務的用戶比例增大，運營商利潤隨之增大，同時由于本地基站更接近用戶，接入時延隨之減小，即時延成本減小，用戶體驗質(zhì)量增加，那么用戶轉(zhuǎn)向其他VP的可能隨之減小，即VP的用戶損耗成本減小，因此總成本逐漸減小。

如圖6所示為在該無線網(wǎng)絡中，根據(jù)本發(fā)明的視頻緩存和傳輸方法，用戶、MNO和VP分別關于基站緩存容量增加的性能變化曲線。從實驗結(jié)果可以看出，與無緩存系統(tǒng)相比，在帶緩存系統(tǒng)中，本發(fā)明提出的方法在各方面性能得到明顯的提升。隨著緩存容量的增加，基站可緩存的流行視頻內(nèi)容增多，本地基站服務的用戶比例隨之增加，用戶的接入時延成本隨之減?。煌瑫r回程鏈路的占用減少，導致MNO的回程節(jié)省隨之增加；由于本地接入時延的減小，用戶體驗質(zhì)量增加，同等條件下可服務的用戶數(shù)增多，因此VP的用戶損耗成本隨之減小?？梢姳景l(fā)明的視頻緩存與傳輸方法能同時優(yōu)化用戶、MNO和VP三方的利益。