基于非正交多址的星地融合网络缓存方法

1.本发明属于星地融合网络领域，涉及一种基于非正交多址的星地融合网络缓存方法。


背景技术：

2.未来移动通信需要为更多用户提供更多样的服务和资源，然而，受限于网络容量，仅仅依靠地面移动通信系统难以为处于深海或者偏远山区的用户，提供高速率和高可靠的通信服务。因此，星地融合是未来移动通信发展的重要趋势，卫星网络的引入，能够满足不同用户和应用的通信质量服务(quality of service,qos)。同时，noma技术较正交多址(orthogonal multiple access,oma)技术，能够在提升用户数的同时，提高频谱利用率。本发明仅考虑功率域noma，其关键技术在于，发送端采用功率域复用，同时同频发送叠加编码至接收端，接收端使用串行干扰消除(successive interference cancellation,sic)技术进行解码。
3.然而，在未来的移动通信中，低时延成为了衡量qos的重要指标。因此需要采用缓存技术降低时延。缓存技术的原理是在业务空闲时段提前将受欢迎的视频内容放置在网络边缘节点(比如基站或者用户设备)的本地缓存器中。当用户需要的内容可以在本地存储器中获取时，将不通过回程链路向核心网请求相应的内容，而是直接在本地获取相关的视频内容。据此，网络的带宽占用率和服务器的拥塞都可进一步降低。除此之外，用户获取文件的时延也会得到降低。需要注意的是，当用户的视频文件请求发生变化时，需要及时更新缓存文件，以提高缓存寻中概率，提升系统性能。
4.传统的缓存方案是基站在业务空闲的时间将文件推送并放置至缓存节点，在业务繁忙的时间将文件直接传输给不依靠缓存服务的用户。然而，对于海量用户的星地融合网络而言，缓存节点需要高频率地更新缓存文件，等待业务空闲的时间不够现实。不仅如此，对于无需缓存辅助的用户，等待业务繁忙的时间也会增加其通信时延。此外，由于存储空间有限，一些用户无法通过缓存进行服务。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于非正交多址的星地融合网络缓存方法，得益于noma协议，中继的文件放置和卫星推送文件至活跃用户可以同时完成，无需等待业务空闲时段。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种基于非正交多址的星地融合网络缓存方法，包括以下内容：根据信道条件的强弱，将用户分为第一层用户和第二层用户；卫星与第一层用户之间信道状态信息较好，存在直达链路，能够直接提供可靠的通信服务；卫星与第二层用户之间难以维持可靠稳定的直达链路，或没有直达链路；选择具有良好卫星信道csi的中继节点作为缓存中继节点；卫星通过缓存中继为第二层用户提供通信服务；
8.卫星与第一层用户和第二层用户的通信过程包括以下阶段：第一个阶段为文件推送与放置(file-push-and-placement,fpap)，卫星通过noma技术同时向第一层用户和缓存中继节点推送叠加文件，其中包括第一层用户所需信息和第二层用户所需信息；第二个阶段为文件推送和传输(file-push-and-delivery,fpad)，缓存中继节点应用noma同时向两个第二层用户传输其所需信息，与此同时，卫星向第一层用户推送其所需的新的文件。
9.进一步，定义第一层用户为活跃用户(active users)，第二层用户为预活跃用户(proactive users)，所需内容文件分别对应活跃文件和预活跃文件；计算时，选取一个卫星s，一个活跃用户节点u1，一个缓存中继节点r，以及两个预活跃用户节点u2、u3，所有节点均配备单天线，且工作在半双工模式。
10.进一步，所述活跃文件存储在一个有限的文件库集合预活跃文件存储在另一个有限的文件库集合其中n和m分别是活跃文件和预活跃文件的个数；用户请求文件的流行度服从zipf分布，第n个预活跃文件的流行度为：
[0011][0012]
其中ξ＞0，表示内容受欢迎程度，能够影响zipf的请求参数，当ξ＞1时，前几个文件的请求概率过大，模型的公平性受到影响；当ξ＜0.5时，文件库的zipf不再具备代表性；文件流行度随着ξ增大而变得集中，然而缓存利用率取决于用户所请求的文件数目，文件的流行度指的是中继请求文件的概率。
[0013]
进一步，文件推送与放置(file-push-and-placement,fpap)阶段，卫星s发送叠加编码至u1和r，其中包括u1所需的活跃文件和u2所需的预活跃文件，通过信道传播，用户和中继端的接收信号分别为：
[0014][0015]
其中和h
sr
分别代表s至u1和r的卫星信道参数，卫星的发射功率为ps，ω1和ω2是功率控制系数，且满足ω1 ω2＝1和ω1＞ω2；x1是u1所需信息且属于活跃文件x2是发往r的信息且属于预活跃文件往r的信息且属于预活跃文件接收端的加性高斯噪声都表示为n～cn(0,n0)；
[0016]
根据noma协议的原则，以及解码顺序，u1将x2视作噪声，解码出x1；u1解码x1的sinr为：
[0017][0018]
其中snr定义为ρs＝ps/n0；
[0019]
对于r，执行sic进行解码：首先解出信号强度较高的x1，删除并重构信号，进而解码出x2，r端解码x1和x2的sinr分别为：
[0020][0021]
进一步，文件推送和传输(file-push-and-delivery,fpad)阶段，r使用noma协议同时向u2和u3发送叠加编码；与此同时，s向u1发送新的信号，并受到来自r的信号干扰；u3所需的文件已在另一完整的缓存通信流程中，以类似于缓存的方式被r缓存下来，r端解码x3的sinr表达式与解码x2一致，其中x3属于文件并有考虑信道条件优于其中指r至u2的直达链路，指r至u3的直达链路；经过信道传输，在u2和u3端的接收信号分别为：
[0022][0023]
其中，pr表示r的发射功率，功率控制系数分别为τ2和τ3，满足τ2 τ3＝1和τ3＞τ2；
[0024]
根据noma协议，由于u2分配的功率较低，因此首先解调出x3，然后删除该信号，对接收信号进行重构，进而解码出自身所需信号x2，u2解码x3和x2的sinr分别为：
[0025][0026]
其中ρr＝pr/n0；
[0027]
u3在接收到叠加编码后，首先解码的便是所需信号x3，其解码的sinr为：
[0028][0029]
u1同时接收到来自s和r的信号，其接收信号表示为：
[0030][0031]
其中是中继r至u1的信道链路参数，作为干扰信道，它遭受的衰落比严重；x
′1表示此阶段s发送至u1的信号，属于且τ1是功率控制系数，在fpad阶段，u1解码x
′1的sinr为：
[0032][0033]
本发明的有益效果在于：本发明通过设计该缓存方案，可以降低整个通信过程的时延，并提高宽带利用率；根据noma，实现多用户传输，提高系统的频谱效率。
[0034]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并
且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0035]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0036]
图1为基于非正交多址的两层异构星地融合网络缓存系统模型图。
具体实施方式
[0037]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0038]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0039]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0040]
一个基于noma的两层异构星地融合网络缓存方案。首先将内容文件分组：活跃文件和预活跃文件。其中，活跃文件定义为用户当前请求的文件，预活跃文件则属于用户当前不请求，但是将来会请求的文件。同样地，将用户进行分层。根据与卫星之间是否包含直达链路分为第一层和第二层用户，第一层用户具有可靠的直达链路，因此直接由卫星服务；第二层用户不具备直达链路，获得通信服务需要依靠中继。因此，定义第一层用户为活跃用户，第二层为预活跃用户，所需内容文件分别对应活跃文件和预活跃文件。因此，中继缓存节点放置的文件均为预活跃文件。得益于noma协议，中继的文件放置和卫星推送文件至活跃用户可以同时完成，无需等待业务空闲时段。本文的主要贡献可概括如下：
[0041]
本发明一个基于非正交多址的星地融合网络缓存方案。整个通信过程由fpap和fpad阶段组成：fpap阶段，卫星使用noma协议，将活跃文件和预活跃文件的叠加编码信号发送至活跃用户和中继缓存节点；fpad阶段，中继缓存节点使用noma协议向预活跃用户进行文件传输，与此同时，卫星向活跃用户推送活跃文件。
[0042]
此外，对系统的性能进行了分析。首先，推导了各个用户在各个阶段的中断概率
(outage probability,op)闭式表达解。然后，推导得到渐近op，进而得到用户的分集增益。最后，研究了缓存中继节点的寻中概率。
[0043]
考虑的基于noma的两层异构星地融合网络缓存系统见图1。根据信道条件的强弱，将用户分为第一层和第二层用户。具体而言，卫星与第一层用户之间具备良好的信道状态信息，存在直达链路，可以直接提供较为可靠的通信服务；与之相反，由于严重的阴影效应和衰落，卫星与第二层用户之间难以维持可靠稳定的直达链路，甚至没有直达链路，因此第二层用户难以直接从卫星获取信息。此外，根据缓存的需求，选取具有较好卫星信道csi的中继节点作为缓存中继节点(cache-enabled relays)。定义第一层用户为活跃用户(active users)，第二层为预活跃用户(proactive users)，所需内容文件分别对应活跃文件和预活跃文件。
[0044]
综上所述，在这个两层模型中，我们选择多个活跃用户和缓存中继节点作为第一层，预活跃用户作为第二层。卫星可以直接为第一层节点提供通信服务，但是需要借助缓存中继为第二层节点提供通信服务。为了便于描述，选取一个卫星(s)，一个活跃用户节点(u1)，一个缓存中继节点(r)，以及两个预活跃用户节点(u2，u3)。所有节点均配备单天线，且工作在半双工模式。整个通信流程包括两个阶段：文件推送和放置(file-push-and-placement,fpap)以及文件推送和传输(file-push-and-delivery,fpad)。首先，fpap阶段，s采用noma技术向u1和r发送叠加编码，其中包括u1所需信息和u2所需的信息。然后在fpad阶段，r使用noma技术向u2和u3发送它们所需的文件。
[0045]
根据用户请求种类不同，缓存内容对象可分为两类：活跃缓存内容对象(用户现阶段请求的文件)和预活跃缓存内容对象(用户现在未请求但是在将来会请求的文件)。类似地，本章也将文件分为两类：活跃文件和预活跃文件。与本章所构建模型相对应，活跃用户于当前时刻请求活跃文件，预活跃用户于后面的时刻请求预活跃文件。因此，考虑中继缓存的文件类型为预活跃文件，并将预活跃文件发送给无法直接被卫星服务的预活跃用户，例如u2和u3。此外，依靠稳定的卫星链路，卫星可直接将活跃文件推送给活跃用户，例如u1。考虑sic的解码顺序为活跃文件优先于预活跃文件。
[0046]
接下来，介绍文件的缓存方式。活跃文件存储在一个有限的文件库集合预活跃文件存储在另一个有限的文件库集合其中n和m分别是活跃文件和预活跃文件的个数。此外，考虑每个用户对文件库中文件的请求频率不一样，即兴趣度不同，则用户请求文件的流行度服从zipf分布，以第n个预活跃文件的流行度为例：
[0047][0048]
其中ξ＞0，定义了内容受欢迎程度，是能够影响zipf的请求参数，且它的最佳取值介于0.5～1。当ξ＞1时，模型的公平性将会受到影响，即：前几个文件的请求概率过大；而当ξ＜0.5时，文件库的zipf将不再具备代表性。此外，文件流行度将会随着ξ增大而变得集中，然而缓存利用率取决于用户所请求的文件数目。值得注意的是，文件的流行度指的是中继请求文件的概率。
[0049]
整个通信流程分为fpap和fpad两个阶段。
[0050]
(1)fpap阶段：卫星s发送叠加编码至u1和r。通过信道传播，用户和中继端的接收信号分别为：
[0051][0052]
其中和h
sr
分别代表s至u1和r的卫星信道参数。卫星的发射功率为ps，ω1和ω2是功率控制系数，且满足ω1 ω2＝1和ω1＞ω2。x1是u1所需信息且属于活跃文件x2是发往r的信息且属于预活跃文件此外，最后，假设接收端的加性高斯噪声都表示为n～cn(0,n0)。
[0053]
根据noma协议的原则，以及上文给出的解码顺序，u1将x2视作噪声，解码出x1。u1解码x1的sinr为：
[0054][0055]
其中snr定义为ρs＝ps/n0。对于r，执行sic进行解码：首先解出信号强度较高的x1，删除并重构信号，进而解码出x2。因此，r端解码x1和x2的sinr分别为：
[0056][0057]
(2)fpad阶段：在此阶段，r使用noma协议同时向u2和u3发送叠加编码；与此同时，s向u1发送新的信号，并受到来自r的信号干扰。值得注意的是，此处假设u3所需的文件已在另一完整的缓存通信流程中，以类似于缓存的方式被r缓存下来。因此，r端解码x3的sinr表达式与解码x2一致，其中x3属于文件并有考虑信道条件优于其中指r至u2的直达链路，指r至u3的直达链路。经过信道传输，在u2和u3端的接收信号分别为
[0058][0059]
其中，pr表示r的发射功率，功率控制系数分别为τ2和τ3，满足τ2 τ3＝1和τ3＞τ2。
[0060]
根据noma协议，由于u2分配的功率较低，因此首先解调出x3，然后删除该信号，对接收信号进行重构，进而解码出自身所需信号x2。因此，u2解码x3和x2的sinr分别为：
[0061][0062]
其中ρr＝pr/n0。对于u3，它在接收到叠加编码后，首先解码的便是所需信号x3。因此，其解码的sinr为：
[0063][0064]
至于u1，由于它同时接收到来自s和r的信号，因此其接收信号可表示为：
[0065][0066]
其中是中继r至u1的信道链路参数。值得注意的是，作为干扰信道，它遭受的衰落会比严重很多。x
′1表示此阶段s发送至u1的信号，属于且此外，τ1是功率控制系数。因此，在fpad阶段，u1解码x
′1的sinr为：
[0067][0068]
接下来，对本发明所提的缓存方法进行性能分析。
[0069]
设计地面信道服从nakagami-m分布，卫星信道服从阴影莱斯(shadowed-rician)分布。地面信道增益(|hi|2,i∈{u1u2,ru2})的概率密度函数(probability density function,pdf)为：
[0070][0071]
其中mi(mi＞0)是nakagami分布的衰落参数，ωi是平均功率，γ(
·
)表示伽马(gamma)函数。此外，地面信道增益的累积分布函数(cumulative distribution function,cdf)表示为
[0072][0073]
其中表示下不完全gamma函数。
[0074]
对于卫星链路(s
→
u1和s
→
r)，信道增益(|hj|2,j∈{su1,sr})的pdf由下式给出：
[0075][0076]
其中βj＝1/2bj，δj＝0.5ωj/bj/(2bjmj ωj)；多径分量的平均功率为2bj，视距链路(line-of-sight,los)分量为ωj，nakagami-m衰落参数
为mj(mj＞0)；此外，代表合流超几何函数。因此，卫星链路增益的cdf可以表示为：
[0077][0078]
其中(
·
)k表示阶乘幂，即(x)k＝x(x 1)(x k-1)。
[0079]
接下来开始推导所提系统用户的op闭式表达解。op定义为瞬时sinrλ低于预定义的sinr阈值λ
th
的概率值，即：
[0080]
p
out
(λ
th
)＝p(λ＜λ
th
)＝f
λ
(λ
th
)
ꢀꢀꢀ
(32)
[0081]
其中r
th
是所需的数据传输速率。此外，f
λ
(
·
)表示λ的cdf。
[0082]
①
u1的op：由于两个阶段发送至u1的信号不同，因此op也不同。在fpap阶段，当解码x1失败时，发生中断。因此，op的表达式为：
[0083][0084]
其中其中是解码x1所需sinr，满足
[0085]
在fpad阶段，op表达式为：
[0086][0087]
可以进一步求出闭式表达解：
[0088][0089]
其中
[0090]
②
u2的op：对于u2而言，发生中断的情况分为两种：一种是对x3的解码失败，另一种是解码x3成功但是解码x2失败。因此，推导op为：
[0091][0092]
其中，此外，和分别是解码x2和x3所需的sinr阈值，且满足
[0093]
③
u3的op：u3的中断性能推导为：
[0094][0095]
分集增益也是衡量系统的另一个重要指标。根据分集增益的定义：首先推导高信噪比下的渐近op。卫星和地面信道的渐近cdf分别为：
[0096][0097]
①
u1的分集增益：fpap阶段，该用户的渐近op为：
[0098][0099]
假设ρs→
∞，因此分集增益为1。fpad阶段，假设ρr→
∞，可近似为因此渐近op通过推导可得
[0100][0101]
进而可得u1的在fpad阶段没有分集增益。
[0102]
②
u2的分集增益：根据推导，渐近op为
[0103][0104]
可得分集增益为
[0105]
③
u3的分集增益：渐近op为
[0106][0107]
可得分集增益为
[0108]
衡量内容推送性能的一个有效指标为缓存寻中概率，定义为：在内容传输阶段，一个用户能够在其对应的缓存中继r上成功找到它所需文件的概率。寻中概率的数学表达式为：
[0109]
[0110]
其中表示r解码文件的op。例如，通过推导，r解码文件的op为：
[0111][0112]
其中，
[0113]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。