面向5G技術應用的縱向協作緩存技術研究

葛 天

（中國廣電山東網絡有限公司青島市分公司，山東 青島 266000）

0 引 言

近年來，我國的網絡普及率呈現出持續增長的趨勢。中國互聯網絡信息中心發布的第48次《中國互聯網絡發展狀況統計報告》顯示，截至2021年6月，我國網民規模達到10.11億，國家互聯網普及率達到71.6%，同時，我國網民的人均每周上網時長為26.9小時[1]。這組數據說明，目前我國互聯網承載的信息通信量非常大，并且呈現出指數級增長的狀況。盡管5G技術的推廣和應用滿足了部分地區和人群的信息快速傳輸需求，但從整體來看，現有網絡的信息傳輸能力和效果仍然難以滿足指數級增長的信息通信需要。在這樣的背景下，有必要尋求更好的技術優化策略，打造面向5G技術應用的信息傳輸新技術，而智能化縱向協作緩存技術就是這其中較為典型的技術類型。

1 縱向協作緩存架構概述

近兩年來，針對5G技術應用中存在的時延和速率要求，部分學者提出了面向5G技術應用場景的緩存技術，主張在核心網、基站及終端分別部署相應的緩存，縮小熱門內容緩存到用戶活躍地之間的距離，避免信息內容的重復傳輸，在減少骨干網和回程鏈路負載壓力的同時，降低下載時延，提升5G技術系統的整體信息傳輸性能。

圖1展示了面向5G應用的縱向協作緩存架構。通過該模型可以看出，縱向協作緩存技術將原本由Internet獨自承擔的信息存儲功能轉移到了由核心網、基站及終端構成的立體緩存架構中，使原本需要經核心網轉發至Internet才能夠獲取相關信息的通信方式轉變為無需再向Internet轉發內容請求，而是由核心網、基站乃至終端的緩存功能直接提供內容傳輸的方式滿足通信的需求，這無疑減少了Internet信息傳輸量，降低了骨干網的負載，提高了用戶下載的效率。同時，這種技術賦予了基站和終端更大的緩存空間，使基站和終端能夠為用戶提供更強大的緩存功能支持，避免因為距離核心網距離遠而遭遇下載時延高的問題，也能夠提高用戶的網絡體驗?？傮w而言，這種縱向協作緩存技術將原本由骨干網和核心網承擔的信息通信和內容下載功能轉移到了基站、終端等距離用戶更近的載體上，提高了5G技術應用的信息傳輸響應能力和效果[2]。

圖1 面向5G應用的縱向協作緩存架構

2 縱向協作緩存技術的目標及實現路徑

面向5G技術的縱向協作緩存技術的實現主要依托于核心網、基站及終端在緩存功能和能力方面的同時提高與實現。并且，核心網、基站及終端在數據傳輸方面對應的不同層次和功能，決定了其緩存功能的實現也存在一定的差異。下面分別對這三個層次的緩存技術實現路徑進行介紹。

2.1 核心網緩存的目標及實現路徑

在網絡架構中，核心網位于Internet與基站之間，是承接基站與Internet之間信息傳輸的紐帶，其一般包括服務網關、數據包網關及緩存實體等內容。由于核心網要為若干個基站和大量的終端提供網絡通信支持，因而其本身部署的存儲空間就比較大，具有較強的緩存功能。在實際的5G技術應用中，核心網緩存面臨的挑戰不在于緩存的空間，而在于基站和終端從核心網中獲取緩存內容的時間比較長、能耗比較大，這就降低了用戶的網絡體驗。因此，在核心網緩存方面主要使用的是內容分發技術，即通過內容分發網絡將核心網中的內容分發給最接近用戶的“邊緣”網絡節點（包括基站和終端），以降低基站或者終端信息獲取的等待時間。內容分發網絡技術的運行原理是利用虛擬網絡中的網絡流量、節點的連接與負載情況以及核心網到用戶的距離和響應的時間等信息分析，綜合得到最優的、適合用戶的選擇，將用戶的請求重定向到距離用戶最近的基站或者終端上，使用戶可以就近訪問下載相關信息，提高用戶通信響應的速度?？傮w來說，核心網緩存技術就是將核心網的緩存內容下發到基站層和終端層，降低用戶請求與核心網之間的回程鏈路距離，從而提高通信響應速度[3]。

2.2 基站緩存的目標及實現路徑

相較于核心網而言，基站雖然面向的用戶要少，具有的緩存能力和空間也較小，但其距離用戶更近，承載的用戶通信需求也更直接、更多。這種位置和功能特點，使得基站成為縮短網絡內容傳輸距離、降低網絡內容下載時延的重要節點依托。為盡可能地為用戶提供高效的網絡響應服務，基站在緩存方面需要有盡可能大的空間和能力，能夠為用戶可能需求的內容的緩存提供龐大的空間支持。但是，目前基站的緩存空間往往是有限的?；诖耍枰跀U大基站緩存空間的同時，壓縮基站緩存內容的空間體量，使基站緩存空間保持盡可能的充足。在這方面，主要使用編碼緩存技術，對需要基站進行緩存的內容在緩存之前進行編碼處理，壓縮內容所占的存儲空間，增加緩存實體的存儲空間利用率，使基站的緩存空間得到保持和提升[4]。

2.3 終端緩存的目標及實現路徑

終端是距離用戶最近的網絡節點，其可以直接建立與用戶的通信鏈路，不需要再借助基站、核心網等接入點，這使得其成為用戶網絡需求挖掘和滿足的重要考慮因素[5]。雖然諸如手機、電腦等網絡終端的存儲空間不斷擴大，但相較于用戶不斷增加的網絡信息訪問和下載需求而言，這種有限的存儲空間是很難完全滿足用戶需求的。在這樣的情況下，擴大終端緩存的空間、提高緩存內容的針對性和有效性，就成為終端緩存技術應用所需要實現的目標。在終端緩存目標的實現方面，重點遵循的邏輯是用戶經常訪問或者下載的信息內容及其類型，通過對這些信息的分析，可以掌握具體用戶通過網絡終端獲取的主要信息內容，進而根據這些內容信息進行針對性、精準性的內容緩存，提高終端緩存的針對性和緩存空間的利用率。當然，除了上述的緩存技術方法以外，還有一種主動的緩存技術方法，即終端網絡在用戶未發出相應的內容請求之前，預先在網絡帶寬資源閑置時將用戶可能使用的內容放置到閑置的網絡緩存空間節點，待用戶提出內容請求時，能夠在最短時間內直接提供給用戶[6]。

需要注意的是，面向5G的縱向協作緩存技術并不是在核心網、基站及終端三者中的一個或者兩個節點進行緩存技術的應用，而是在三個節點位置同時進行緩存技術的應用和處理，目的在于提高網絡整體的用戶內容請求響應速度和準確率，使分布在不同網絡節點的核心網、基站和終端在緩存空間、緩存內容準確性及緩存內容響應速度保障等方面實現縱向的協同，共同為用戶提供盡可能高效的網絡響應。

3 縱向協作緩存技術的應用效果

面向5G的縱向協作緩存技術的開發和應用，重點在于解決用戶在網絡通信和訪問過程中遇到的響應速度慢的問題，其所遵循的思路是在擴大距離用戶更近的基站和終端緩存空間的同時，提高緩存內容與用戶可能的內容需求之間的契合度，從而增強緩存內容的準確率[7]。通過對本次提出的面向5G的縱向協作緩存技術應用情況的研究發現，該技術在以下幾方面具有突出的效果。

3.1 優化了網絡緩存空間的分布

在常規的網絡緩存空間劃分中，核心網對應的緩存空間要大于基站，而基站的緩存空間又大于終端，這主要是由不同網絡節點對應的用戶數量決定的。為了解決距離用戶更近的基站、終端緩存不足造成的大量內容請求需要傳遞到核心網才能夠得到響應的回程鏈路長的問題，本次研究提出了增加基站、終端等節點的緩存空間和緩存空間利用率的策略，通過壓縮編碼等技術改善基站、終端節點網絡緩存的空間利用方式，使網絡緩存空間的分布逐漸趨于扁平化，有效彌補了基站、終端緩存空間不足的問題[8]。

3.2 提高了網絡響應的速度

在5G網絡應用場景下，響應速度是用戶普遍關注的問題。為滿足不同節點用戶網絡內容訪問和下載的需求，本文提出的縱向協作緩存技術主張按照不同節點對應的用戶需求的不同，劃分出核心網、基站及終端不同的緩存內容類型，使用戶需求概率比較大的內容能夠直接以緩存的方式存儲于距離用戶最近的終端或者基站。這樣，一旦用戶提出內容訪問的需求，距離最近的基站、終端節點就可以在最短的時間內為其提供相應的內容信息，真正提高了網絡響應的速度。

3.3 增強了網絡緩存響應的準確率

面向5G的縱向協作緩存技術是從整體層面對核心網、基站和終端的緩存內容進行分配，一方面可以避免核心網、基站和終端緩存內容的同質化，提高緩存空間利用率，另一方面也使那些更接近于用戶個體需求的內容直接以緩存的方式存儲于基站和終端，確保用戶響應結果的準確性。同時，縱向緩存技術還充分引入了各種算法，可以結合用戶的網絡內容訪問和下載數據的分析，生成用戶個性化的網絡緩存需求類型表，并根據這些表中的信息自動生成緩存內容列表進行緩存。這種基于已經發生的用戶網絡內容瀏覽、下載信息的緩存行為，可以在很大程度上滿足用戶的網絡內容請求，緩存響應的準確率也會得到明顯提高。

4 結 語

面向5G應用的縱向協作緩存技術是通過核心網、基站、終端等不同的網絡節點構建縱向立體的網絡緩存綜合體，為用戶提供個性化、高效的網絡內容訪問。該技術的實現主要包括核心網緩存、基站緩存及終端緩存三方面，而實際的應用情況表明，這種技術可以優化網絡緩存空間分布，提高網絡響應速度，增強網絡緩存響應準確率，從而更好地滿足5G應用場景下的網絡通信需求。