面向5G技术应用的纵向协作缓存技术研究

葛 天

（中国广电山东网络有限公司青岛市分公司，山东 青岛 266000）

0 引 言

近年来，我国的网络普及率呈现出持续增长的趋势。中国互联网络信息中心发布的第48次《中国互联网络发展状况统计报告》显示，截至2021年6月，我国网民规模达到10.11亿，国家互联网普及率达到71.6%，同时，我国网民的人均每周上网时长为26.9小时[1]。这组数据说明，目前我国互联网承载的信息通信量非常大，并且呈现出指数级增长的状况。尽管5G技术的推广和应用满足了部分地区和人群的信息快速传输需求，但从整体来看，现有网络的信息传输能力和效果仍然难以满足指数级增长的信息通信需要。在这样的背景下，有必要寻求更好的技术优化策略，打造面向5G技术应用的信息传输新技术，而智能化纵向协作缓存技术就是这其中较为典型的技术类型。

1 纵向协作缓存架构概述

近两年来，针对5G技术应用中存在的时延和速率要求，部分学者提出了面向5G技术应用场景的缓存技术，主张在核心网、基站及终端分别部署相应的缓存，缩小热门内容缓存到用户活跃地之间的距离，避免信息内容的重复传输，在减少骨干网和回程链路负载压力的同时，降低下载时延，提升5G技术系统的整体信息传输性能。

图1展示了面向5G应用的纵向协作缓存架构。通过该模型可以看出，纵向协作缓存技术将原本由Internet独自承担的信息存储功能转移到了由核心网、基站及终端构成的立体缓存架构中，使原本需要经核心网转发至Internet才能够获取相关信息的通信方式转变为无需再向Internet转发内容请求，而是由核心网、基站乃至终端的缓存功能直接提供内容传输的方式满足通信的需求，这无疑减少了Internet信息传输量，降低了骨干网的负载，提高了用户下载的效率。同时，这种技术赋予了基站和终端更大的缓存空间，使基站和终端能够为用户提供更强大的缓存功能支持，避免因为距离核心网距离远而遭遇下载时延高的问题，也能够提高用户的网络体验。总体而言，这种纵向协作缓存技术将原本由骨干网和核心网承担的信息通信和内容下载功能转移到了基站、终端等距离用户更近的载体上，提高了5G技术应用的信息传输响应能力和效果[2]。

图1 面向5G应用的纵向协作缓存架构

2 纵向协作缓存技术的目标及实现路径

面向5G技术的纵向协作缓存技术的实现主要依托于核心网、基站及终端在缓存功能和能力方面的同时提高与实现。并且，核心网、基站及终端在数据传输方面对应的不同层次和功能，决定了其缓存功能的实现也存在一定的差异。下面分别对这三个层次的缓存技术实现路径进行介绍。

2.1 核心网缓存的目标及实现路径

在网络架构中，核心网位于Internet与基站之间，是承接基站与Internet之间信息传输的纽带，其一般包括服务网关、数据包网关及缓存实体等内容。由于核心网要为若干个基站和大量的终端提供网络通信支持，因而其本身部署的存储空间就比较大，具有较强的缓存功能。在实际的5G技术应用中，核心网缓存面临的挑战不在于缓存的空间，而在于基站和终端从核心网中获取缓存内容的时间比较长、能耗比较大，这就降低了用户的网络体验。因此，在核心网缓存方面主要使用的是内容分发技术，即通过内容分发网络将核心网中的内容分发给最接近用户的“边缘”网络节点（包括基站和终端），以降低基站或者终端信息获取的等待时间。内容分发网络技术的运行原理是利用虚拟网络中的网络流量、节点的连接与负载情况以及核心网到用户的距离和响应的时间等信息分析，综合得到最优的、适合用户的选择，将用户的请求重定向到距离用户最近的基站或者终端上，使用户可以就近访问下载相关信息，提高用户通信响应的速度。总体来说，核心网缓存技术就是将核心网的缓存内容下发到基站层和终端层，降低用户请求与核心网之间的回程链路距离，从而提高通信响应速度[3]。

2.2 基站缓存的目标及实现路径

相较于核心网而言，基站虽然面向的用户要少，具有的缓存能力和空间也较小，但其距离用户更近，承载的用户通信需求也更直接、更多。这种位置和功能特点，使得基站成为缩短网络内容传输距离、降低网络内容下载时延的重要节点依托。为尽可能地为用户提供高效的网络响应服务，基站在缓存方面需要有尽可能大的空间和能力，能够为用户可能需求的内容的缓存提供庞大的空间支持。但是，目前基站的缓存空间往往是有限的。基于此，需要在扩大基站缓存空间的同时，压缩基站缓存内容的空间体量，使基站缓存空间保持尽可能的充足。在这方面，主要使用编码缓存技术，对需要基站进行缓存的内容在缓存之前进行编码处理，压缩内容所占的存储空间，增加缓存实体的存储空间利用率，使基站的缓存空间得到保持和提升[4]。

2.3 终端缓存的目标及实现路径

终端是距离用户最近的网络节点，其可以直接建立与用户的通信链路，不需要再借助基站、核心网等接入点，这使得其成为用户网络需求挖掘和满足的重要考虑因素[5]。虽然诸如手机、电脑等网络终端的存储空间不断扩大，但相较于用户不断增加的网络信息访问和下载需求而言，这种有限的存储空间是很难完全满足用户需求的。在这样的情况下，扩大终端缓存的空间、提高缓存内容的针对性和有效性，就成为终端缓存技术应用所需要实现的目标。在终端缓存目标的实现方面，重点遵循的逻辑是用户经常访问或者下载的信息内容及其类型，通过对这些信息的分析，可以掌握具体用户通过网络终端获取的主要信息内容，进而根据这些内容信息进行针对性、精准性的内容缓存，提高终端缓存的针对性和缓存空间的利用率。当然，除了上述的缓存技术方法以外，还有一种主动的缓存技术方法，即终端网络在用户未发出相应的内容请求之前，预先在网络带宽资源闲置时将用户可能使用的内容放置到闲置的网络缓存空间节点，待用户提出内容请求时，能够在最短时间内直接提供给用户[6]。

需要注意的是，面向5G的纵向协作缓存技术并不是在核心网、基站及终端三者中的一个或者两个节点进行缓存技术的应用，而是在三个节点位置同时进行缓存技术的应用和处理，目的在于提高网络整体的用户内容请求响应速度和准确率，使分布在不同网络节点的核心网、基站和终端在缓存空间、缓存内容准确性及缓存内容响应速度保障等方面实现纵向的协同，共同为用户提供尽可能高效的网络响应。

3 纵向协作缓存技术的应用效果

面向5G的纵向协作缓存技术的开发和应用，重点在于解决用户在网络通信和访问过程中遇到的响应速度慢的问题，其所遵循的思路是在扩大距离用户更近的基站和终端缓存空间的同时，提高缓存内容与用户可能的内容需求之间的契合度，从而增强缓存内容的准确率[7]。通过对本次提出的面向5G的纵向协作缓存技术应用情况的研究发现，该技术在以下几方面具有突出的效果。

3.1 优化了网络缓存空间的分布

在常规的网络缓存空间划分中，核心网对应的缓存空间要大于基站，而基站的缓存空间又大于终端，这主要是由不同网络节点对应的用户数量决定的。为了解决距离用户更近的基站、终端缓存不足造成的大量内容请求需要传递到核心网才能够得到响应的回程链路长的问题，本次研究提出了增加基站、终端等节点的缓存空间和缓存空间利用率的策略，通过压缩编码等技术改善基站、终端节点网络缓存的空间利用方式，使网络缓存空间的分布逐渐趋于扁平化，有效弥补了基站、终端缓存空间不足的问题[8]。

3.2 提高了网络响应的速度

在5G网络应用场景下，响应速度是用户普遍关注的问题。为满足不同节点用户网络内容访问和下载的需求，本文提出的纵向协作缓存技术主张按照不同节点对应的用户需求的不同，划分出核心网、基站及终端不同的缓存内容类型，使用户需求概率比较大的内容能够直接以缓存的方式存储于距离用户最近的终端或者基站。这样，一旦用户提出内容访问的需求，距离最近的基站、终端节点就可以在最短的时间内为其提供相应的内容信息，真正提高了网络响应的速度。

3.3 增强了网络缓存响应的准确率

面向5G的纵向协作缓存技术是从整体层面对核心网、基站和终端的缓存内容进行分配，一方面可以避免核心网、基站和终端缓存内容的同质化，提高缓存空间利用率，另一方面也使那些更接近于用户个体需求的内容直接以缓存的方式存储于基站和终端，确保用户响应结果的准确性。同时，纵向缓存技术还充分引入了各种算法，可以结合用户的网络内容访问和下载数据的分析，生成用户个性化的网络缓存需求类型表，并根据这些表中的信息自动生成缓存内容列表进行缓存。这种基于已经发生的用户网络内容浏览、下载信息的缓存行为，可以在很大程度上满足用户的网络内容请求，缓存响应的准确率也会得到明显提高。

4 结 语

面向5G应用的纵向协作缓存技术是通过核心网、基站、终端等不同的网络节点构建纵向立体的网络缓存综合体，为用户提供个性化、高效的网络内容访问。该技术的实现主要包括核心网缓存、基站缓存及终端缓存三方面，而实际的应用情况表明，这种技术可以优化网络缓存空间分布，提高网络响应速度，增强网络缓存响应准确率，从而更好地满足5G应用场景下的网络通信需求。