網(wǎng)絡(luò)能量最小開銷方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種網(wǎng)絡(luò)能量最小開銷方法，包括以下步驟：分析網(wǎng)絡(luò)中的存儲能耗、傳輸能耗及它們之間的關(guān)系；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的緩存能耗、傳輸能耗建立網(wǎng)絡(luò)中eNodeB的最小化網(wǎng)絡(luò)能耗模型；通過對最小化網(wǎng)絡(luò)能耗模型求解，得出所述eNodeB之間的協(xié)同緩存策略；網(wǎng)絡(luò)中的eNodeB與SGW相互協(xié)作用于降低請求的傳輸距離，以減小網(wǎng)絡(luò)傳輸時延和網(wǎng)絡(luò)傳輸能耗。本發(fā)明基于無線接入網(wǎng)絡(luò)eNodeB配備緩存能力，采用本發(fā)明提供的網(wǎng)絡(luò)能量最小開銷方法能夠有效的減少網(wǎng)絡(luò)能耗及減少網(wǎng)絡(luò)時延，提高用戶體驗。
【專利說明】網(wǎng)絡(luò)能量最小開銷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，尤其涉及一種網(wǎng)絡(luò)能量最小開銷方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的不斷發(fā)展，因特網(wǎng)已經(jīng)成為一個統(tǒng)一、全球范圍內(nèi)的分布式系統(tǒng)。傳統(tǒng)的Web內(nèi)容和越來越多的視頻文件,如用戶產(chǎn)生視頻(User Generation Video, UGV)、視頻點播(Video on Demand)等，都通過因特網(wǎng)進(jìn)行內(nèi)容分發(fā)和傳輸。據(jù)思科公司2012年報估計，到2015年視頻點播類流量會增長到3X1019。為了減少訪問內(nèi)容的訪問延時和網(wǎng)絡(luò)傳輸流量，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的緩存能力被提出成為其基本屬性，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括路由器等設(shè)備按照一定的策略對其經(jīng)過的數(shù)據(jù)包進(jìn)行緩存，從而可以為后續(xù)到來的請求提供更好的服務(wù)。演進(jìn)式基站節(jié)點(Evolved Node Basestation, eNodeB)是長期演進(jìn)技術(shù)(Long TermEvolution, LTE)中基站的名稱，作為接入用戶的最后一公里，。無線接入網(wǎng)絡(luò)(RationAccess Network)的eNodeB也被提出應(yīng)具備緩存能力。eNodeB具備緩存能力對提升網(wǎng)絡(luò)性能有很大的意義，而現(xiàn)有技術(shù)仍沒有設(shè)計專門針對eNodeB緩存能力的緩存策略。
[0003]如圖1所示，移動用戶將請求首先給某個eNodeB發(fā)送，在傳統(tǒng)方案中eNodeB收到請求后只承擔(dān)請求路由轉(zhuǎn)發(fā)的功能，eNodeB負(fù)責(zé)將請求發(fā)送到服務(wù)網(wǎng)關(guān)(Service Gate,SGff)0當(dāng)eNodeB節(jié)點具備緩存能力之后，其收到請求先查找本地的存儲空間，看請求是否能在本地得到滿足，如滿足則直接向移動用戶返回請求內(nèi)容；反之則向SGW轉(zhuǎn)發(fā)。
[0004]綜上所述，給eNodeB具備緩存能力可以將用戶的訪問內(nèi)容更靠近地推送給用戶，以減少用戶對訪問內(nèi)容的訪問時延，。從網(wǎng)絡(luò)能耗的角度考慮，圖1中為滿足用戶請求產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)能耗Etot主要包括傳輸能耗Eta和緩存能耗Εμ。通過給eNodeB配備緩存能力可以減少了內(nèi)容的傳輸能耗，但也會帶來額外的緩存能耗。傳輸能耗開銷和存儲能力開銷存在對立的關(guān)系。在給定無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，eNodeB節(jié)點的緩存大小，需要決定在緩存空間放置哪些內(nèi)容，可以使網(wǎng)絡(luò)能耗最??；當(dāng)緩存空間滿了以后，則需要決定是否進(jìn)行內(nèi)容的替換。針對這些問題，當(dāng)前仍沒有系統(tǒng)模型研究無線接入網(wǎng)絡(luò)中因eNodeB配備緩存設(shè)備后傳輸能耗和緩存能耗的關(guān)系。
[0005]Ahlehagh 等人在 “ In Wireless Communications and Networking Conference(WCNC)，2012IEEE, pages2276 - 2281.1EEE, 2012.”《Video caching in radio accessnetwork:1mpact on delay and capacity》中提出一種在無線接入網(wǎng)絡(luò)的eNodeB節(jié)點放置內(nèi)容的策略來盡量避免在核心網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容傳輸，但是他們的工作僅僅關(guān)注于eNodeB的緩存決策，而沒有提及由于在eNodeB設(shè)置緩存而帶來緩存能耗開銷，也沒有對緩存能耗和傳輸能耗的關(guān)系討論。
[0006]Gupta和Singh是最早研究因特網(wǎng)能耗的學(xué)者，他們在“In Proceedings ofthe2003conference on Applications, technologies, architectures, and protocols forcomputer communications, pagesl9 - 26.ACM, 2003.，，《Greening of the internet》中提出美國網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的耗電占美國總耗電量的0.07%，并且逐年呈指數(shù)級增長的趨勢。當(dāng)前的技術(shù)主要關(guān)注于如何減小網(wǎng)絡(luò)能耗，如Nedevschi等人提出一種周期性令設(shè)備休眠的機(jī)制來節(jié)約能耗，但是這種方案不適用于實時的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，因為該方案有可能造成不可接受的網(wǎng)絡(luò)時延；Raghavan 等人在 “ InProceedings of the2003conference on Applications, technologies, architectures, and protocols for computer communications, pagesl9 - 26.ACM, 2003.”中提出一種模型來近似因特網(wǎng)的能耗開銷，他們主要計算因特網(wǎng)的操作能耗。Nedevschi和Raghavan對網(wǎng)絡(luò)能耗的研究方案都不能直接應(yīng)用于無線接入網(wǎng)絡(luò)eNodeB節(jié)點的緩存。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是針對以上問題， 提供了一種可以有效較少網(wǎng)絡(luò)能耗的網(wǎng)絡(luò)能量最小開銷方法。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種網(wǎng)絡(luò)能量最小開銷方法，所述網(wǎng)絡(luò)包括服務(wù)網(wǎng)關(guān)SGW、至少兩個演進(jìn)式基站節(jié)點eNodeB,所述至少兩個演進(jìn)式基站節(jié)點eNodeB具有緩存能力，其特征在于，所述方法包括以下步驟:
[0009]分析網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)能耗及其關(guān)系，所述網(wǎng)絡(luò)能耗包括緩存能耗和傳輸能耗，所述傳輸能耗是將內(nèi)容k從一個所述eNodeB傳輸?shù)搅硪粋€所述eNodeB的能量消耗；
[0010]根據(jù)所述網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)能耗及其關(guān)系建立網(wǎng)絡(luò)中所述eNodeB的最小化網(wǎng)絡(luò)能耗模型；
[0011]通過對所述最小化網(wǎng)絡(luò)能耗模型求解，得出所述eNodeB之間的協(xié)同緩存策略；
[0012]基于協(xié)同緩存策略，所述網(wǎng)絡(luò)中的所述eNodeB與所述SGW對內(nèi)容進(jìn)行選擇性存儲以及傳輸，相互協(xié)作用于降低請求的傳輸距離，以減小網(wǎng)絡(luò)傳輸時延和網(wǎng)絡(luò)傳輸能耗。
[0013]進(jìn)一步地，協(xié)同緩存策略包括放置決策和路由決策。
[0014]進(jìn)一步地，所述最小化網(wǎng)絡(luò)能耗模型包括:
[0015]目標(biāo)函數(shù)，所述目標(biāo)函數(shù)為在時間t內(nèi)所述網(wǎng)絡(luò)能耗中所述緩存能耗與所述傳輸能耗總和的最小值；
[0016]第一約束條件，所述第一約束條件為eNodeB放置內(nèi)容的總和不能超過所述eNodeB可用的緩存空間大??；
[0017]第二約束條件，所述第二約束條件為請求或被第一個接收的eNodeB滿足，或通過SGff轉(zhuǎn)發(fā)由同一個無線接入網(wǎng)的其它eNodeB滿足，或通過SGW轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)容源服務(wù)器處得到滿足；
[0018]第三約束條件，所述第三約束條件為SGW只有在Nj節(jié)點存儲了所述內(nèi)容k的前提下，將在eNodeB節(jié)點Ni對所述內(nèi)容k的請求轉(zhuǎn)發(fā)到節(jié)點N」。
[0019]進(jìn)一步地，所述目標(biāo)函數(shù)為:
[0020]
【權(quán)利要求】
1.一種網(wǎng)絡(luò)能量最小開銷方法，所述網(wǎng)絡(luò)包括服務(wù)網(wǎng)關(guān)SGW、至少兩個演進(jìn)式基站節(jié)點eNodeB,所述至少兩個演進(jìn)式基站節(jié)點eNodeB具有緩存能力，其特征在于,所述方法包括以下步驟: 分析網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)能耗及其關(guān)系，所述網(wǎng)絡(luò)能耗包括緩存能耗和傳輸能耗，所述傳輸能耗是將內(nèi)容k從一個所述eNodeB傳輸?shù)搅硪粋€所述eNodeB的能量消耗； 根據(jù)所述網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)能耗及其關(guān)系建立網(wǎng)絡(luò)中所述eNodeB的最小化網(wǎng)絡(luò)能耗模型； 通過對所述最小化網(wǎng)絡(luò)能耗模型求解，得出所述eNodeB之間的協(xié)同緩存策略； 基于協(xié)同緩存策略，所述網(wǎng)絡(luò)中的所述eNodeB與所述SGW對內(nèi)容進(jìn)行選擇性存儲以及傳輸，相互協(xié)作用于降低請求的傳輸距離，以減小網(wǎng)絡(luò)傳輸時延和網(wǎng)絡(luò)傳輸能耗。
2.如權(quán)利要求1所述的網(wǎng)絡(luò)能量最小開銷方法，其特征在于，協(xié)同緩存策略包括放置決策和路由決策。
3.如權(quán)利要求1所述的網(wǎng)絡(luò)能量最小開銷方法，其特征在于，所述最小化網(wǎng)絡(luò)能耗模型包括: 目標(biāo)函數(shù)，所述目標(biāo)函數(shù)為在時間t內(nèi)所述網(wǎng)絡(luò)能耗中所述緩存能耗與所述傳輸能耗總和的最小值； 第一約束條件，所述第一約束條件為eNodeB放置內(nèi)容的總和不能超過所述eNodeB可用的緩存空間大??； 第二約束條件，所述第二約束條件為請求或被第一個接收的eNodeB滿足，或通過SGW轉(zhuǎn)發(fā)由同一個無線接入網(wǎng)的其它eNodeB滿足，或通過SGW轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)容源服務(wù)器處得到滿足； 第三約束條件，所述第三約束條件為SGW只有在Nj節(jié)點存儲了所述內(nèi)容k的前提下，將在eNodeB節(jié)點Ni對所述內(nèi)容k的請求轉(zhuǎn)發(fā)到節(jié)點Nj。
4.如權(quán)利要求3所述的一種網(wǎng)絡(luò)能量最小開銷方法，其特征在于，所述目標(biāo)函數(shù)為:

5.如權(quán)利要求3或4所述的一種網(wǎng)絡(luò)能量最小開銷方法，其特征在于，所述第一約束條件為:
6.如權(quán)利要求3或4所述的一種網(wǎng)絡(luò)能量最小開銷方法，其特征在于，所述第二約束條件為:
7.如權(quán)利要求3或4所述的網(wǎng)絡(luò)能量最小開銷方法，其特征在于，所述第三約束條件為:
8.如權(quán)利要求1所述的網(wǎng)絡(luò)能量最小開銷方法，其特征在于，所述協(xié)同緩存測量是指eNodeB之間相互協(xié)作來決定緩存空間的所述內(nèi)容放置和替換策略。
9.如權(quán)利要求1所述的網(wǎng)絡(luò)能量最小開銷方法，其特征在于，采用啟發(fā)式算法求解所述目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解。
10.如權(quán)利要求1所述的網(wǎng)絡(luò)能量最小開銷方法，其特征在于，所述傳輸能耗主要由所述網(wǎng)絡(luò)路由器和連接所述路由器的鏈路引起的能耗。
11.如權(quán)利要求1或4所述的網(wǎng)絡(luò)能量最小開銷方法，其特征在于，在同一子網(wǎng)中所述Ni到所述％轉(zhuǎn)發(fā)所述內(nèi)容k產(chǎn)生的傳輸能耗用Efc iJk表示:
Etr, ijk — Sk [pr (djj + 1) +P1Clij] 其中，Clij表示所述eNodeB是所述Ni到所述Nj之間的網(wǎng)絡(luò)距離。
【文檔編號】H04W52/02GK103747509SQ201310722830
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】徐月梅, 李楊, 林濤, 趙志軍, 慈松 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所