CN106230550A - 车联网环境下具有缓存能力的编码传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车联网环境下的具有缓存能力的编码传输方法，包括以下几个步骤：步骤一：对视频内容进行预处理，将视频文件按照流行度进行分组，分组结果用于步骤二。步骤二：对视频内容进行放置，分成两个步骤。步骤1:结合车车联网环境特点确定小基站中缓存文件的大小范围。步骤2：阶段一中的分组结合步骤1得出的缓存范围进行放置。步骤三：对视频内容进行分发。根据具体情况决定由小基站还是宏基站分发以及是否编码分发。本发明结合车联网环境，给出了文件在小基站中缓存的范围。为在小基站中放置缓存内容提供了范围依据。

Description

车联网环境下具有缓存能力的编码传输方法

技术领域

本发明涉及编码、缓存和车联网领域，尤其是编码缓存与车联网相结合的领域。

背景技术

车联网(Internet of Vehicles)是物联网(Internet of things)的分支领域，是以车内网、车际网和车载移动互联网为基础，在车与车、车与路旁基础设施、车与外部网络之间，执行无线信息传输及交互，进而实现智能交通管理，智能动态服务和车辆智能化控制的一体化网络。

随着车联网的快速发展，越来越多的车载终端(Vehicles terminal)接入无线网络，将会对整个移动网络带来空前的挑战。尤其是用户对视频文件的需求，将会对整个移动网络带来极大的挑战甚至造成大面积的网络拥塞。潜在的解决方法包括：大量增加基础设施建设；分流移动流量到802.11(WIFI)等家庭网络；采用缓存和编码技术进行数据传输。然而大量建设包括基站在内的基础设施将会带来极大的CAPEX和OPEX开支，并且用户需求的增长是远远快于现有网络基础设施的增长。分流移动网络流量到802.11(WIFI)等家庭网络的方法也并不理想，因为家庭WIFI网络设备的覆盖范围非常小，一般在20m以内，并且在很多道路旁没有家庭WIFI资源。利用缓存(Cache)以及索引编码(Index coding)的思想，通过将流行内容缓存在靠近车辆的小基站中增加传输速度，并通过索引编码降低直接由宏基站到车载终端的传输量来降低整个移动网络负担。

发明内容

本发明的目的是为了优化小基站缓存的利用率、降低移动无线网络(MobileWireless Network)负载，减小车载终端获得请求内容的传输时间，结合车联网环境特点、利用分组的思想、利用缓存和索引编码相结合的方法，提出一种车联网环境下的具有缓存能力的编码传输方法。

本发明车联网环境下的具有缓存能力的编码传输方法，包括以下几个步骤：

步骤一：对视频内容进行预处理，将视频文件按照流行度进行分组，分组结果用于步骤二。

步骤二：对视频内容进行放置，分成两个步骤。步骤1:结合车车联网环境特点确定小基站中缓存文件的大小范围。步骤2：阶段一中的分组结合步骤1得出的缓存范围进行放置。

步骤三：对视频内容进行分发。根据具体情况决定由小基站还是宏基站分发以及是否编码分发。

本发明的优点在于：

(1)本发明结合车联网环境，给出了文件在小基站中缓存的范围。为在小基站中放置缓存内容提供了范围依据；

(2)本发明根据流行度对视频文件进行了分组，根据步骤二——视频内容放置阶段确定的小基站中缓存文件的大小范围，不同组的视频文件在小基站中分配不同的存储容量。即保证了同组内文件的对称性(同组内文件有着相近的流行度，保证了编码有较高的增益)，同时优化了小基站缓存空间的利用效率；

(3)通过步骤一和步骤二给出了缓存的流行文件数n，使得流行文件数是与文件的实际分布以及实际的应用环境直接相关；

(4)本发明对于无法从小基站获得的流行文件请求通过采用索引编码的方式以广播的形式进行分发，减少了宏基站的传输内容，降低了移动网络负载。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是本发明分发步骤流程图；

图3是本发明利用的索引编码的编码流程图；

图4是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，系统的组成为：一个宏基站，L个小基站，K个车载终端，N个视频文件(视频文件总数)，每个文件的大小为Fbit，根据流行度进行缓存的视频文件数为n(称为流行文件，具体取值由放置阶段决定)。宏基站连接远端服务器，服务器中存储着全部N个视频文件。 小基站的缓存容量为m个视频文件(即mFbit)，车载终端可以请求N个视频文件中的任何一个。

本发明是一种车联网环境下的具有缓存能力的编码传输方法，包括以下几个步骤：

本发明分为视频内容预处理(preprocess)阶段、缓存的视频内容的放置(place)阶段、视频内容的分发(delivery)阶段，分发又可以分为由小基站进行的分发和由宏基站进行的分发，如图4所示，不同阶段的具体步骤如下：

步骤一：对视频内容进行预处理

视频文件流行度差别非常大，符合齐普夫分布(Zipf Distribution):(N为文件总数，p(m)表示第m个文件的流行度，即用户请求该文件的概率，t为一常数，称为特征指数)。这种分布的特点是非常少的流行度高的文件所占的请求量非常大，所以本系统只对很少的流行度高的文件进行缓存，假设这部分文件数为n，n的数值结合具体的文件流行度和小基站缓存容量确定，且有n＜＜N。

将N个文件进行分组：将N个文件按照流行度排名，得到集合且有p(1)≥p(2)≥…≥p(N)≥0(数字1到N分别表示集合N中的第1个到第N个视频文件，p(1)到p(N)分别表示集合N中第1个文件到第N个文件的流行度)。将集合N中的文件按顺序分成L组，分别为N₁,N₂…N_L，|N_i|为第i个分组中文件的数目，则有分组参数为α，且有α>1，按照流行度由高到低每组的流行度范围为 从而将文件按照流行度分成L组。(斜体N表示数值，正体N表示集合。)

步骤二：对视频内容进行放置

这一阶段将分成两个步骤完成。

步骤1：确定小基站中缓存文件的大小范围。考虑到运动中的车辆从小基站获得文件内容的能力，小基站缓存中缓存的文件大小与小基站间的距离、车辆的运动速度和小基站带宽有关。假设道路上车辆正常行驶的最小速度为V_min，最大速度为V_max，速度范围为[V_min,V_max]，V_min≥20km/h，V_max为道路的限速值。小基站的带宽为B，小基站间的距离为d。那么小基站放置的文件大小范围为其中L_min、L_max分别 表示小基站中放置文件的大小的最小值和最大值，只有在这个范围内才能保证终端从每个小基站获得足够的数据又不浪费小基站缓存资源。)

步骤2：按照阶段一中对视频文件的分组，同一组中的文件在小基站中获得的存储容量相等，对应存储容量依次为L_max,L_max-ΔL,…L_min，ΔL＝(L_max-L_min)/(L-1)为步骤一中相邻组文件在小基站中存储量大小的差值。放置按照流行度顺序依次放置(即优先放置流行度高的文件)，放置方式为随机均匀放置，放置大小等于对应分组获得的缓存容量大小。放置过程一直进行到小基站缓存空间被放满为止，最后放置的一个完整文件的流行度排名即为n。总放置量受小基站总缓存容量限制，即总放置量小于等于mFLbit。

步骤三：对视频内容进行分发

车载终端向邻近小基站发出请求包，请求包的内容包括请求文件以及车载终端已有文件(边信息)。小基站判断是否属于n个流行内容中的一个，如果不属于则经过回程(backhaul)链路将请求回传给宏基站，由宏基站进行请求应答。宏基站对请求做出应答时又分为两种情况：如果请求的不流行内容在宏基站的缓存中，宏基站直接通过单播的形式进行应答；如果不在宏基站的缓存中，宏基站经过光纤链路从远端服务器获得相应内容并以单播的形式进行应答。如果请求内容属于n个流行内容又分为两种情况：如果小基站中缓存相应请求的文件的内容为车载终端缺少的部分，由小基站进行应答；如果小基站中缓存的对应请求的内容已存在于车载终端则将请求和终端已有信息回传给宏基站，由宏基站经过索引编码以广播的形式对车载终端进行应答。车载终端接收到广播信息后结合自身的边信息可以解码出所需内容。具体流程图如图2所示。

索引编码方式如下：本发明对请求同一组(步骤一中的分组)中的流行文件且无法从小基站获得请求内容的终端进行索引编码应答。编码方式如下：K表示请求同一组文件的终端数，组成集合K＝{1,2,3,…,K}，对应的请求分别为(d₁,d₂,…,d_K)。用V_k,s表示终端k∈K请求的内容在终端集S中的缓存中的内容，|S|表示集合S中的终端数。V_k,s表示这样一部分内容：终端k请求的文件d_k中一部分，这部分存在于集合S中的每个车载终端缓存中，且不存在于S集外的终端的缓存中具体编码流程图如图3所示。

编码循环次数为s＝K，循环执行的条件为s≥1，每次循环后s＝s-1。每次循环发送的编码内容段数为每段内容的编码规则为：其中注意到每段内容编码时的集合S都不相同。编码流程如图3所示。

索引编码方式举例说明：(这个例子是对索引编码过程的举例说明)

假设车载终端1和车载终端2分别请求同组文件A、B。A和B可以表示为 其中表示文件A中车载终端1、2的缓存中都没有的内容；A₁表示仅在车载终端1中的内容，即这部分内容不存在于车载终端2；A₂表示仅在车载终端2中的内容；A_1,2表示车载终端1,2共有的内容。同理，对于文件B有同样的表述。编码算法循环次数s＝K＝2。第一次循环时s＝2，发送的编码内容段数为由 得S＝{1,2}。此时V_1,2＝A₂、V_2,1＝A₁，第一次循环发送的结果为车载终端1可以根据缓存中的边信息B₁按位异或得到想要的内容A₂，同理车载终端2可以通过边信息得到想要的内容B₁。进行第二次循环，此时s＝1，由得S＝{1}或S＝{2}。此时编码发送的内容为车载终端1经过两次循环可以获得A₂、再加上自身缓存中的内容A₁，正好获得所请求的内容A。同理，车载终端获得所请求的内容B。

Claims (1)

1.一种车联网环境下的具有缓存能力的编码传输方法，包括以下几个步骤：

步骤一：对视频内容进行预处理

视频文件流行度符合齐普夫分布:其中：N为文件总数，p(m)表示第m个文件的流行度，即用户请求该文件的概率，t为常数，即特征指数；假设流行度高的文件数为n，n根据文件流行度和小基站缓存容量确定，n＜＜N；

将N个文件按照流行度排名，得到集合且有p(1)≥p(2)≥…≥p(N)≥0，其中，数字1到N分别表示集合N中的第1个到第N个视频文件，p(1)到p(N)分别表示集合N中第1个文件到第N个文件的流行度；将集合N中的文件按顺序分成L组，分别为N₁,N₂…N_L，|N_i|为第i个分组中文件的数目，则有分组参数为α，且有α>1，按照流行度由高到低每组的流行度范围为从而将文件按照流行度分成L组；

步骤二：对视频内容进行放置

包括以下两个步骤：

步骤1：确定小基站中缓存文件的大小范围，假设道路上车辆正常行驶的最小速度为V_min，最大速度为V_max，速度范围为[V_min,V_max]，V_min≥20km/h，V_max为道路的限速值；小基站的带宽为B，小基站间的距离为d，则小基站放置的文件大小范围为 其中L_min、L_max分别表示小基站中放置文件的大小的最小值和最大值；

步骤2：按照步骤一中对视频文件的分组，同一组中的文件在小基站中获得的存储容量相等，对应存储容量依次为L_max,L_max-ΔL,…L_min，ΔL＝(L_max-L_min)/(L-1)为步骤一中相邻组文件在小基站中存储量大小的差值；按照流行度从大到小顺序依次放置，放置方式为随机均匀放置，放置大小等于对应分组获得的缓存容量大小，放置过程一直进行到小基站缓存空间被放满为止，最后放置的一个完整文件的流行度排名即为n，总放置量受小基站总缓存容量限制，即总放置量小于等于mFLbit；

步骤三：对视频内容进行分发

车载终端向邻近小基站发出请求包，请求包的内容包括请求文件以及车载终端已有文件；小基站判断是否属于n个流行内容中的一个，如果不属于则经过回程链路将请求回传给宏基站，由宏基站进行请求应答；宏基站对请求做出应答时分为两种情况：如果请求的不流行内容在宏基站的缓存中，宏基站直接通过单播的形式进行应答；如果不在宏基站的缓存中，宏基站经过光纤链路从远端服务器获得相应内容并以单播的形式进行应答；如果请求内容属于n个流行内容分为两种情况：如果小基站中缓存相应请求的文件的内容为车载终端缺少的部分，由小基站进行应答；如果小基站中缓存的对应请求的内容已存在于车载终端则将请求和终端已有信息回传给宏基站，由宏基站经过索引编码以广播的形式对车载终端进行应答；车载终端接收到广播信息后结合自身的边信息解码出所需内容；

索引编码方式如下：对请求同一组中的流行文件且无法从小基站获得请求内容的终端进行索引编码应答，编码方式如下：K表示请求同一组文件的终端数，组成集合K＝{1,2,3,…,K}，对应的请求分别为(d₁,d₂,…,d_K)；用V_k,s表示终端k∈K请求的内容在终端集S中的缓存中的内容，|S|表示集合S中的终端数；V_k,s表示：终端k请求的文件d_k中一部分，这部分存在于集合S中的每个车载终端缓存中，且不存在于S集外的终端的缓存中

编码循环次数为s＝K，循环执行的条件为s≥1，每次循环后s＝s-1；每次循环发送的编码内容段数为每段内容的编码规则为：其中