一种基于SD-RAN的全网协同内容缓存管理系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于软件定义接入网SD-RAN的全网协同缓存管理系统及方法，通过检测、统计内容流行度生成内容-流行度映射表及待缓存/替换列表，并根据待缓存/替换列表进行缓存决策并将其下发至缓存节点进行缓存更新；通过监控缓存决策获取实时的全局缓存映射表；继而根据本小区用户的内容请求，由缓存节点响应并交付相应内容。本发明专利技术提出的系统及方法，综合考虑到用户对于内容获取时延的限制及不同内容的流行度随时间和地域不断变化的特点，充分利用软件定义网络的控制层中的全局网络视图，扩大内容流行度的检测范围，通过全网协作缓存优化内容放置，从而有效避免从远端内容服务器反复调取内容，达到降低网络开销、提升用户体验的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SD-RAN的全网协同内容缓存管理系统及方法
本专利技术属于无线通信
，更具体地，涉及一种基于软件定义接入网(SoftwareDefined-RadioAccessNetwork，SD-RAN)的全网协同内容缓存管理系统(CachingManagementSystem，CMS)和方法。
技术介绍
缓存是一种内容存储技术，基于该技术可以有效地缓解回程网络的容量瓶颈，避免相同的内容从远端服务器被反复调用、传输的问题。鉴于此，缓存技术被认为是一种能够显著提高资源利用率以及降低网络时延的关键技术。缓存技术是将流行度较高的内容存储在缓存服务器中，并将其部署在用户附近的网络边缘，从而使用户能够以更为灵活、快捷的方式获取所需要的信息。考虑到缓存服务器的容量有限，不能存储所有的流行内容，因此为了提高缓存内容的命中率和缓存效率，MahmoudTaghizadeh,KristopherMicinskietal.,在“DistributedCooperativeCachinginSocialWirelessNetworks,”IEEETrans.onMobileComputing,Vol.12,NO.6,June2013.中提出了不同缓存节点之间通过协作缓存的内容放置策略以降低内容获取的开销。然而在这种分布式协作框架中，各缓存节点需要根据其本地内容流行度，结合相邻缓存节点的内容流行度进行协作缓存决策。一方面，这种相邻节点之间的分布式协作复杂度较高，时延较长，实际系统中很难实现。另一方面，由于缓存节点只依据本地网络状态进行内容缓存，因此无法得到全局最优的缓存决策。专利
技术实现思路
针对现有缓存技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供一种基于SD-RAN的全网协同内容缓存管理系统及方法，充分利用了软件定义网络中网络控制器所具有的全局网络视图，以逻辑集中的方式实现不同区域缓存节点之间的协同缓存，从而提高缓存效率和资源利用率，有效降低网络时延，提升用户体验。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提出了一种基于软件定义接入网SD-RAN的全网协同内容缓存管理系统，所述系统包括云平台、内容缓存管理系统CMS、无线接入层及缓存节点，其特征在于：所述云平台，包括多个基带处理单元(BaseBandUnit，BBU)，用于无线接入层的数据信号处理；所述内容缓存管理系统CMS，位于软件定义接入网SD-RAN的控制层，用于检测内容流行度随时间、地域的变化并生成内容-流行度映射表，定期对其进行更新维护，生成待缓存/替换列表；此外，所述CMS还用于根据所述待缓存/替换列表进行缓存决策并下发至所述缓存节点进行缓存更新；同时，所述CMS用于通过监控缓存决策获取实时的全局缓存映射表；所述无线接入层，包括多个射频远端单元(RemoteRadioUnit，RRU)，所述射频远端单元与控制层之间连接，用于为各小区用户提供无线接入；所述缓存节点，部署在每个RRU附近，用于根据下发的所述缓存决策存储和更新相应的内容，同时，还用于根据本小区用户的内容请求，响应并交付相应内容。作为进一步优选的，所述内容缓存管理系统CMS包括区域数据库模块、流行度检测模块、缓存更新模块及缓存决策模块，其中：所述区域数据库模块，用于实时记录各小区用户内容请求，生成区域用户内容请求表；所述流行度检测模块，用于通过分析所述区域数据库模块中每个小区用户的区域内容请求表，定期计算、统计并更新请求内容的本地流行度，生成内容-流行度映射表；所述缓存更新模块，用于根据内容-流行度映射表进行缓存更新，生成待缓存/替换列表；所述缓存决策模块，用于根据上述缓存更新模块中的待缓存/替换列表进行缓存决策，确定需要更新的内容并下发给相应缓存节点进行更新；同时，所述缓存决策模块通过实时监控获取全局缓存映射表，并根据内容流行度随时间、区域变化的情况对全局缓存映射表进行实时更新及维护。作为进一步优选的，所述根据内容-流行度映射表进行缓存更新，具体包括：(1)若某内容对应的本地流行度达到上限阈值ρmax，则将该内容添加到待缓存列表；(2)若某内容对应的本地流行度降到下限阈值ρmin、或该内容在缓存节点中的存留时间超过了预设时间上限t0、或该内容所在缓存节点的缓存容量达到上限且该内容的本地流行度为该缓存节点上所有内容对应的本地流行度的最低值，则将该内容添加到待替换列表；作为进一步优选的，所述本地流行度为：其中，为小区i中流行度序号为j的内容的本地流行度，j∈{1,2,....N}N为小区i中内容总数，c为常数，为小区i的用户对内容x的访问集中程度Zipf参数。作为进一步优选的，所述缓存节点的业务覆盖范围可通过基站“呼吸”(CellZooming)策略进行调整来提升缓存内容利用率。按照本专利技术的另一方面，提出了一种基于上述软件定义接入网SD-RAN的全网协同内容缓存管理系统的用户内容获取方法，其特征在于，所述方法包括：(1)各小区用户通过无线接入平台发起用户内容处理请求；(2)用户设备查询本地缓存，若请求内容存在则直接响应用户进行内容交付；若不存在，则执行步骤(3)；(3)用户所在小区缓存节点查询其缓存目录，若请求内容存在则响应用户进行内容交付；若不存在，则执行步骤(4)；(4)提交用户内容处理请求至内容缓存管理系统，所述内容缓存管理系统查询全局缓存映射表，判断是否有邻近小区缓存节点存储该内容，若请求内容存在，则将邻近小区缓存节点上的相应内容迁移调用至用户所在节点来响应用户进行内容交付；若不存在，则所述内容缓存管理系统请求远端内容服务器响应用户内容交付。按照本专利技术的另一方面，相应地，提出了一种基于软件定义接入网SD-RAN的全网协同内容缓存管理方法，其特征在于，所述方法包括：(1)各小区用户通过无线接入层发起用户内容请求；(2)区域数据库模块记录各小区用户内容请求，并根据所述各小区用户内容请求生成区域用户内容请求表；(3)流行度检测模块根据各小区用户内容请求估计各小区内容的本地流行度，生成内容-流行度映射表；(4)缓存更新模块根据所述内容-流行度映射表生成待缓存/替换列表；(4-1)若某内容对应的本地流行度达到上限阈值ρmax，则将该内容添加到待缓存列表；(4-2)若某内容对应的本地流行度降到下限阈值ρmin、或内容在缓存节点中的存留时间超过了预设时间上限t0、或内容所在缓存节点的缓存容量达到上限且该内容的本地流行度为该缓存节点上所有内容的本地流行度的最低值，则将该内容添加到待替换列表；(5)缓存决策模块利用待缓存/替换列表，定期进行缓存决策，并将决策结果下发到相应的缓存节点；(6)缓存节点依据缓存决策更新存储对应内容；(7)缓存决策模块统计全网缓存节点存储内容，生成并维护全局缓存映射表。作为进一步优选的，所述步骤(6)具体包括：(6-1)将每个缓存节点的缓存容量分为两部分：独立缓存容量和协同缓存容量；(6-2)缓存节点在其独立缓存容量γ·C中存储本地流行度高的前γ·C/l个内容，其中，C为缓存节点的缓存容量，γ为分离参数，0＜γ≤1，l为内容的平均大小；(6-3)判断剩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于软件定义接入网SD‑RAN的全网协同内容缓存管理系统，所述系统包括云平台、内容缓存管理系统CMS、无线接入层及缓存节点，其特征在于：所述云平台，包括多个基带处理单元BBU，用于无线接入层的数据信号处理；所述内容缓存管理系统CMS，位于软件定义接入网SD‑RAN的控制层，用于检测内容流行度随时间、地域的变化并生成内容‑流行度映射表，定期对其进行更新维护，生成待缓存/替换列表；此外，所述CMS还用于根据所述待缓存/替换列表进行缓存决策并下发至所述缓存节点进行缓存更新；同时，所述CMS用于通过监控缓存决策获取实时的全局缓存映射表；所述无线接入层，包括多个射频远端单元RRU，所述射频远端单元与控制层之间连接，用于为各小区用户提供无线接入；所述缓存节点，部署在每个RRU附近，用于根据下发的所述缓存决策存储和更新相应的内容，同时，还用于根据本小区用户的内容请求，响应并交付相应内容。

【技术特征摘要】
1.一种基于软件定义接入网SD-RAN的全网协同内容缓存管理系统，所述系统包括云平台、内容缓存管理系统CMS、无线接入层及缓存节点，其特征在于：所述云平台，包括多个基带处理单元BBU，用于无线接入层的数据信号处理；所述内容缓存管理系统CMS，位于软件定义接入网SD-RAN的控制层，用于生成内容-流行度映射表并根据所检测内容流行度随时间、地域的变化，对内容-流行度映射表进行定期更新维护，生成待缓存/替换列表，具体包括：(1)若某内容对应的本地流行度达到上限阈值ρmax，则将该内容添加到待缓存列表；(2)若某内容对应的本地流行度降到下限阈值ρmin、或该内容在缓存节点中的存留时间超过了预设时间上限t0、或该内容所在缓存节点的缓存容量达到上限且该内容的本地流行度为该缓存节点上所有内容对应的本地流行度的最低值，则将该内容添加到待替换列表；此外，所述CMS还用于根据所述待缓存/替换列表进行缓存决策，并下发至所述缓存节点进行缓存更新；同时，所述CMS用于通过监控缓存决策获取实时的全局缓存映射表；所述无线接入层，包括多个射频远端单元RRU，所述射频远端单元与控制层之间连接，用于为各小区用户提供无线接入；所述缓存节点，部署在每个RRU附近，用于根据下发的所述缓存决策存储和更新相应的内容，同时，还用于根据本小区用户的内容请求，响应并交付相应内容。2.如权利要求1所述的全网协同内容缓存管理系统，其特征在于，所述内容缓存管理系统CMS包括区域数据库模块、流行度检测模块、缓存更新模块及缓存决策模块，其中：所述区域数据库模块，用于实时记录各小区用户内容请求，生成区域用户内容请求表；所述流行度检测模块，用于通过分析所述区域数据库模块中每个小区用户的区域内容请求表，定期计算、统计并更新请求内容的本地流行度，生成内容-流行度映射表；所述缓存更新模块，用于根据内容-流行度映射表进行缓存更新，生成待缓存/替换列表；所述缓存决策模块，用于根据上述缓存更新模块中的待缓存/替换列表进行缓存决策，确定需要更新的内容并下发给相应缓存节点进行更新；同时，所述缓存决策模块通过实时监控获取全局缓存映射表，并根据内容流行度随时间、区域变化的情况对全局缓存映射表进行实时更新及维护。3.如权利要求1所述的全网协同内容缓存管理系统，其特征在于，所述本地流行度为：其中，为小区i中流行度序号为j的内容的本地流行度，j∈{1,2,....N}N为小区i中内容总数，c为常数，为小区i的用户对内容x的访问集中程度Zipf参数。4.如权利要求1-3任一项所述的全网协同内容缓存管理系统，其特征在于，所述缓存节点的业务覆盖范围可通过基站呼吸CellZooming策略进行调整来提升缓存内容利用率。5.一种基于权利要求1-3任一项的软件定义接入网SD-RAN的全网协同内容缓存管理系统的用户内容获取方法，其特征在于，所述方法包括：(1)各小区用户通过无线接入平台发起用户内容处理请求；(2)用户设备查询本地缓存，若请求内容存在则直接响应用户进行内容交付；若不...

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，张蔡霞，张涛，葛晓虎，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42