基于用戶QoS速率需求的5G網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)緩存方法

馮小江

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)的推廣和信息流量暴增，網(wǎng)絡(luò)的擁塞現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重[1]。緩存技術(shù)通過將數(shù)據(jù)內(nèi)容存儲(chǔ)到不同位置的服務(wù)器來避免多跳重傳，從而節(jié)省帶寬[2]。由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量的增長，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)緩存速率的要求也逐年提高，早期的Web緩存方法難以滿足需求，后續(xù)提出的邊緣緩存方法對(duì)用戶帶寬的分配較差且具有一定的局限性，因此研究一種新的緩存方法十分必要[3]。

1 5G網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)緩存方法

1.1 用戶QoS等級(jí)帶寬劃分

由于不同用戶的網(wǎng)絡(luò)使用需求不同，因此需要對(duì)用戶的QoS等級(jí)進(jìn)行劃分，以得出對(duì)應(yīng)的帶寬需求[4]。本文利用MAC協(xié)議，根據(jù)用戶認(rèn)購速率的QoS等級(jí)來對(duì)用戶QoS等級(jí)進(jìn)行劃分，并得出不用等級(jí)下用戶的速率需求。

設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在N個(gè)用戶，可用帶寬為BWAtotal，用戶在進(jìn)行請(qǐng)求時(shí)需求的帶寬為BWRtotal，認(rèn)購的速率為γ個(gè)等級(jí)，網(wǎng)絡(luò)單位的認(rèn)購速率為SRi，其中的認(rèn)購速率設(shè)為ρ，而每個(gè)用戶的認(rèn)購速率為υi(i=1,2,3,…,N)。則得出：

式中，QuiL代表網(wǎng)絡(luò)分配授權(quán)中優(yōu)先用戶的帶寬，QuiM代表網(wǎng)絡(luò)分配授權(quán)低優(yōu)先用戶的帶寬。則可以得出總剩余帶寬以及相應(yīng)的分配剩余帶寬為：

利用上述算法中的結(jié)果，根據(jù)用戶QoS的帶寬供應(yīng)優(yōu)先級(jí)來進(jìn)行帶寬分配。

1.2 分布式緩存和用戶管理算法設(shè)計(jì)

緩存分配過程可以看作一個(gè)整數(shù)混合的規(guī)劃[5]。本文在進(jìn)行緩存分配時(shí)則將其轉(zhuǎn)化為：

式中，κ代表博弈者的集合。本文采用博弈論對(duì)公式（3）進(jìn)行求解，將用戶看作博弈者，以此來滿足用戶自身的QoS/QoE需求，用Sk代表用戶k的基站關(guān)聯(lián)策略集合，并將κ的效用函數(shù)設(shè)為Uκ。其中的策略集合可表示為Sk={sk}，而sk=[t0k, t1k, t2k,…, tMk]T。用矩陣表示相關(guān)用戶的管理策略，用戶之間的關(guān)聯(lián)策略向量元素為1，其余元素為0。由此，用戶k可以選擇與對(duì)應(yīng)的基站m相互連接，那么效用函數(shù)Uκ可以計(jì)算為：

當(dāng)用戶k的鄰近用戶與基站m連接時(shí)，用戶k可以根據(jù)對(duì)應(yīng)的用戶策略來進(jìn)行基站間的選擇，并提高對(duì)應(yīng)的緩存效用函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)中用戶緩存效用函數(shù)的擬定均與鄰近用戶有關(guān)，而本文利用分布式結(jié)構(gòu)部件來進(jìn)行信息接收。根據(jù)博弈論，當(dāng)用戶發(fā)送的信息改變，其造成的效用改變會(huì)反映在全局函數(shù)中。根據(jù)該特點(diǎn)，將用戶之間的關(guān)聯(lián)看作EPG結(jié)構(gòu)，則得出：

以公式（6）形成的博弈 ψ=[κ,{Sk}k∈κ,{Uk}k∈κ] 為EPG形式，且公式（6）中的函數(shù)Φ作為博弈ψ的勢(shì)函數(shù)。

1.3 緩存實(shí)現(xiàn)過程

確定用戶的分配速率后可以進(jìn)行緩存操作，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同用戶需求將請(qǐng)求分配在不同載波節(jié)點(diǎn)中。利用5G網(wǎng)絡(luò)上傳請(qǐng)求，由中心服務(wù)器判斷需求業(yè)務(wù)類型并計(jì)算用戶載波上每個(gè)反應(yīng)速率及其對(duì)應(yīng)的MOS值。劃分用戶QoS優(yōu)先級(jí)，對(duì)不同用戶進(jìn)行帶寬分配。同時(shí)分別測(cè)試網(wǎng)絡(luò)帶寬，直到進(jìn)行操作的用戶均得到了可以滿足其QoS速率需求的帶寬，避免重復(fù)分配。此外，對(duì)資源進(jìn)行分配，將請(qǐng)求發(fā)送至服務(wù)器，并使其數(shù)據(jù)進(jìn)行增量，刷新網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器內(nèi)的空閑列表，并執(zhí)行對(duì)應(yīng)的資源分配優(yōu)先級(jí)排序，通過迭代分配得到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而完成緩存。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)緩存方法的可行性，本文利用OAI（OpenAirInter-face）軟件開發(fā)仿真環(huán)境，通過5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

仿真以LTE-A上行鏈路為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，傳輸頻帶為Band4以及Band14用戶的載波帶寬為4 MHz，用戶數(shù)量為15，分布模式隨機(jī)，仿真時(shí)長為2 min×7。通過對(duì)比本文方法與傳統(tǒng)方法來判斷其可行性。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以不同CDF下的緩存數(shù)據(jù)吞吐量作為判斷指標(biāo)，考慮到緩存方法對(duì)用戶QoS的滿足情況，利用公平性因子來進(jìn)行判斷。結(jié)果如表1所示。

在主動(dòng)緩存的過程中，由于緩存次數(shù)的增加，需要緩存的數(shù)據(jù)量也隨之增加。由表1可知本文設(shè)計(jì)的主動(dòng)緩存方法的吞吐量更高，證明該方法的網(wǎng)絡(luò)效用值更高。且本文方法的公平性指數(shù)同樣優(yōu)于傳統(tǒng)方法，對(duì)用戶的QoS速率分配更優(yōu)。

表1 網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)緩存方法性能仿真結(jié)果

3 結(jié) 論

通過對(duì)用戶QoS帶寬分配的優(yōu)化運(yùn)算提高了緩存方法的速率分配，進(jìn)而提升了網(wǎng)絡(luò)效用性，通過仿真實(shí)驗(yàn)證明了該方法的可行性。而在未來研究中會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)際試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，以檢測(cè)其實(shí)際使用效果并發(fā)現(xiàn)存在的問題，加以解決。