CN109005234A - 一种安全概率缓存策略及其生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于安全概率缓存策略的缓存方法，包括以下步骤：根据请求文件的文件传输方式，计算所述请求文件的命中概率函数；根据预设的安全传输阈值及所述命中概率函数，计算所述请求文件的成功传输文件概率函数；根据预设的文件流行度函数及所述成功传输文件概率函数，计算缓存系统的平均安全缓存吞吐量函数；当所述平均安全缓存吞吐量函数取最大值时，将待缓存文件在所述缓存系统中各节点的缓存概率集合，作为所述缓存系统的安全概率缓存策略，以使所述缓存系统根据所述安全概率缓存策略对所有待缓存文件进行缓存。通过实施本发明的实施例能够提高了缓存系统文件传输的可靠性和安全性。

Description

一种安全概率缓存策略及其生成方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种安全概率缓存策略及其生成方法。

背景技术

近年来，随着现代智能设备的快速发展，信息化时代和大数据时代的到来导致了通信业务的增长，人们对网络存储容量、网络传输的性能和数据传输速率的要求越来越高。为了减少传输负载和容量紧张，缓存正在成为缓解现代无线网络容量紧张和提高数据传输速率的重要工具。如传统的Most Popular Content(MPC)和Largest Content Diversity(LCD)两种缓存策略，基于MPC和LCD设计的混合缓存策略和概率缓存策略等。而上述研究主要集中在主要链路的数据传输上，忽略了物理层安全性。

发明内容

本发明实施例提供一种基于安全概率缓存策略的缓存方法能提高缓存系统的文件传输的可靠性和安全性；

本发明实施例提供一种基于安全概率缓存策略的缓存方法包括以下步骤

根据请求文件的文件传输方式，计算请求文件的命中概率函数；

根据预设的安全传输阈值及命中概率函数，计算请求文件的成功传输文件概率函数；

根据预设的文件流行度函数及成功传输文件概率函数，计算缓存系统的平均安全缓存吞吐量函数；

当平均安全缓存吞吐量函数取最大值时，将待缓存文件在缓存系统中各节点的缓存概率集合，作为缓存系统的安全概率缓存策略，以使缓存系统根据安全概率缓存策略对所有待缓存文件进行缓存。

进一步的，文件传输方式，包括自取传输、用户传输、中继传输。

其中，自取传输具体为：第一随机用户发送文件请求，请求接收第一请求文件，若第一随机用户缓存的文件中含有第一请求文件，则从自身的本地内存中提取第一请求文件；

用户传输具体为：第二随机用户发送文件请求，请求接收第二请求文件，若第二随机用户不具备缓存能力或缓存的文件中不含第二请求文件，则第二随机用户将在半径为Ru的范围内查找带有缓存能力且缓存了第二请求文件的用户，将该类型用户作为第二命中用户，由距第二随机用户物理距离最近的第二命中用户发送第二请求文件至第二随机用户；

中继传输具体为：第三随机用户发送文件请求，请求接收第三请求文件，若第三随机用户不具备缓存能力或缓存的文件中不含第三请求文件，且在第三随机用户半径为Ru的范围内不存在第三命中用户，则第三随机用户将在半径为Rr的范围内查找缓存了第三请求文件的中继节点，将该类型中继节点作为第三命中中继节点，并由距第三随机用户物理距离最近的第三命中中继节点发送第三请求文件至第三随机用户，其中Rr＞Ru；第三命中用户为带有缓存能力且缓存了第三请求文件的用户；

进一步的，根据请求文件的文件传输方式，计算请求文件的命中概率函数，具体为：

当通过自取传输方式进行文件传输时请求文件命中概率函数为：q_i ^u；

当通过所述用户传输方式进行文件传输时，根据以下公式计算得出所述请求文件命中概率函数

当通过中继传输方式进行文件传输时，根据以下公式计算得出所述请求文件命中概率函数

其中中继节点、用户节点服从相互独立的均匀泊松分布，μ为用户节点中带有缓存能力的用户比例且μ∈[0,1]，q_i ^u为用户节点缓存第i个文件的概率且q_i ^u∈[0,1]并满足约束条件C_U为用户节点的缓存大小，λ_u为用户节点的泊松分布参数，q_i ^r为中继节点缓存第i个文件的概率且q_i ^r∈[0,1]并满足约束条件C_R为中继节点的缓存大小。

进一步的，成功传输文件概率函数包括：中继节点成功传输文件概率函数和用户节点成功传输文件概率函数。

进一步的，根据预设的安全传输阈值及命中概率函数，计算请求文件的成功传输文件概率函数，具体为：

通过以下公式计算得出中继节点成功传输文件概率函数：

通过以下公式计算得出用户节点成功传输文件概率函数：

其中为中继节点成功传输文件概率,ρ₂＝P_r/σ²，P_r为中继节点的功率，σ²为噪声的功率，为用户节点成功传输文件的概率，ρ₁＝P_u/σ²，P_u为用户节点功率；

其中R_S为预设的安全传输阈值，Γ(·)表示伽玛函数；α表示路径损耗指数。

进一步的，根据预设的文件流行度函数及所述成功传输文件概率函数，计算缓存系统的平均安全缓存吞吐量函数，具体为：

通过以下公式计算得出平均安全缓存吞吐量：

进一步的平均安全缓存吞吐量函数取最大值，具体为：

通过以下公式计算待缓存文件在所述缓存系统中各节点的缓存概率

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明实施例公开了一种安全概率缓存策略，根据请求文件的文件传输方式，计算请求文件的命中概率函数；根据预设的安全传输阈值及命中概率函数，计算请求文件的成功传输文件概率函数；根据预设的文件流行度函数及成功传输文件概率函数，计算缓存系统的平均安全缓存吞吐量函数；当平均安全缓存吞吐量函数取最大值时，计算待缓存文件在缓存系统中各节点的缓存概率集合，作为缓存系统的安全概率缓存策略，以使缓存系统根据安全概率缓存策略对所有待缓存文件进行缓存。在所有文件能够安全传输的基础上，通过最大化平均安全吞吐量对概率缓存策略进行了优化，从而得到最优的安全概率缓存策略，有效的将物理层技术和缓存策略相融合，保障了系统文件的传输，提高了文件传输的可靠性和安全性。

附图说明

图1是本发明实施例提供一种基于安全概率缓存策略的缓存方法的流程示意图。

图2为本发明实施例提供的一种基于安全概率缓存策略的缓存方法在仿真中平均安全缓存吞吐量随缓存文件数N的变化曲线示意图。

图3为本发明实施例提供的一种基于安全概率缓存策略的缓存方法在仿真中平均安全缓存吞吐量随传输功率P的变化曲线示意图。

图4为本发明实施例提供的一种基于安全概率缓存策略的缓存方法在仿真中平均安全缓存吞吐量随中继节点密度λr和窃听者密度λe的变化曲线示意图。

图5为本发明实施例提供的一种基于安全概率缓存策略的缓存方法在仿真中平均安全缓存吞吐量随中继节点缓存容量C_R和用户节点缓存容量C_U的变化曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明实施例提供的一种基于安全概率缓存策略的缓存方法的流程示意图，包括：

S101：根据请求文件的文件传输方式，计算所述请求文件的命中概率函数；

S102：根据预设的安全传输阈值及命中概率函数，计算请求文件的成功传输文件概率函数；

S103：根据预设的文件流行度函数及成功传输文件概率函数，计算缓存系统的平均安全缓存吞吐量函数；

S104：当平均安全缓存吞吐量函数取最大值时，计算待缓存文件在缓存系统中各节点的缓存概率集合，作为缓存系统的安全概率缓存策略，以使缓存系统根据安全概率缓存策略对所有待缓存文件进行缓存。

对于步骤S101,具体的请求文件的传输方式包括：包括自取传输、用户传输、中继传输和基站传输。

其中，自取传输具体为：第一随机用户发送文件请求，请求接收第一请求文件，若第一随机用户缓存的文件中含有第一请求文件，则从自身的本地内存中提取第一请求文件；

用户传输具体为：第二随机用户发送文件请求，请求接收第二请求文件，若第二随机用户不具备缓存能力或缓存的文件中不含第二请求文件，则第二随机用户将在半径为Ru的范围内查找带有缓存能力且缓存了第二请求文件的用户，将该类型用户作为第二命中用户，由距第二随机用户物理距离最近的第二命中用户发送第二请求文件至第二随机用户；

中继传输具体为：第三随机用户发送文件请求，请求接收第三请求文件，若第三随机用户不具备缓存能力或缓存的文件中不含第三请求文件，且在第三随机用户半径为Ru的范围内不存在第三命中用户，则第三随机用户将在半径为Rr的范围内查找缓存了第三请求文件的中继节点，将该类型中继节点作为第三命中中继节点，并由距第三随机用户物理距离最近的第三命中中继节点发送第三请求文件至第三随机用户，其中Rr＞Ru；第三命中用户为带有缓存能力且缓存了第三请求文件的用户；

基站传输具体为：第四随机用户发送第四文件请求，请求接收第四请求文件，若第四随机用户不具备缓存能力或缓存的文件中不含请求文件，且未查找到第四命中用户和第四命中中继节点，则由基站通过一随机中继节点发送第四请求文件至第四随机用户；第四命中用户为带有缓存能力且缓存了第四请求文件的用户，第四命中中继节点为缓存了第四请求文件的中继节点。

需要说明的是，第一随机用户、第二随机用户、第三随机用户和第四随机用户可以为同一用户，也可为不同用户。第一请求文件、第二请求文件、第三请求文件和第四请求文件可以为同一请求文件，也可为不同请求文件。第二命中用户、第三命中用户和第四命中用户可以为同一用户，也可为不同用户。第三命中中继节点，第四命中中继节点可以为同一命中节点，也可以为不同命中节点。本通信系统中包括一个基站、多个基于译码转发并服从泊松分布的中继节点，多个服从泊松分布的合法用户和多个服从泊松分布的窃听用户，且基站与合法用户和窃听用户之间不存在直达链路，必须依靠中继节点进行转发，同时中继节点和部分合法用户具有缓存能力，可以预先存储部分受欢迎的内容，以此来减少传输的链路，同时我们源点的发射功率足够大以保证所有文件的成功传输。

进一步的，根据请求文件的文件传输方式，计算所述请求文件的命中概率函数具体为：

当通过自取传输方式进行文件传输时请求文件命中概率函数为：q_i ^u；

当通过用户传输方式进行文件传输时，根据以下公式计算得出请求文件命中概率函数

当通过中继传输方式进行文件传输时，根据以下公式计算得出请求文件命中概率函数

其中中继节点、用户节点服从相互独立的均匀泊松分布，μ为用户节点中带有缓存能力的用户比例且μ∈[0,1]，q_i ^u为用户节点缓存第i个文件的概率且q_i ^u∈[0,1]并满足约束条件C_U为用户节点的缓存大小，λ_u为用户节点的泊松分布参数，q_i ^r为中继节点缓存第i个文件的概率且q_i ^r∈[0,1]并满足约束条件C_R为中继节点的缓存大小。

对于步骤S102,成功传输文件概率函数包括：中继节点成功传输文件概率函数和用户节点成功传输文件概率函数。

进一步的，根据预设的安全传输阈值及命中概率函数，计算请求文件的成功传输文件概率函数，具体为：

通过以下公式计算得出中继节点成功传输文件概率函数：

通过以下公式计算得出用户节点成功传输文件概率函数：

其中为中继节点成功传输文件概率,ρ₂＝P_r/σ²，P_r为中继节点的功率，σ²为噪声的功率，为用户节点成功传输文件的概率，ρ₁＝P_u/σ²，P_u为用户节点功率；

其中R_S为预设的安全传输阈值，Γ(·)表示伽玛函数；α表示路径损耗指数。

对于步骤S103具体为，通过以下公式计算得出平均安全缓存吞吐量：

对于步骤S104具体为：通过以下公式计算待缓存文件在所述缓存系统中各节点的缓存概率：

其中q^u＝[q₁ ^u，…，q_i ^u，…，q_N ^u]为用户节点缓存文件的概率集合，q^r＝[q₁ ^r，…，q_i ^r，…，q_N ^r]为中继节点缓存文件的概率集合,N表示文件总数。

参见图2，为本发明实施例提供的一种基于安全概率缓存策略的缓存方法在仿真中平均安全缓存吞吐量随缓存文件数N的变化曲线示意图。

在Matlab仿真环境下，使用蒙特卡洛计算机仿真本发明所提方法的平均安全缓存吞吐量。在仿真实验中，系统节点间链路服从瑞利衰落，且各节点处加性高斯白噪声的均值为零，方差为1。带有缓存能力用户的比例μ＝0.8，寻找邻近用户的半径为50m,寻找邻近中继器的半径为100m。且数据的安全传输速率阈值为0.2bps/Hz，用户传输功率Pu＝Pr/5(Pr为中继器的传输功率)。

当Pr＝30dB，λu＝2×10^-2，λr＝4×10^-3，λe＝1×10^-5，C_U＝2，C_R＝5，α＝2.1和γ＝1.2时平均安全缓存吞吐量与缓存文件数量的关系。从该图可以看出，本发明所提出的缓存策略优于MPC和Equal Probability Content(EPC)缓存策略。这是因为MPC缓存策略只能实现信号协作增益，EPC只能实现缓存分集增益，而所提出的缓存策略却可以实现信号协作增益与缓存分集增益的平衡。且对于给定的C_U和C_R，MPC、EPC和本发明所提的缓存策略的安全缓存吞吐量随着文件数量的增加而减小。此外，随着文件数的增加，MPC和EPC缓存策略的恶化速度比提出的缓存策略更快。

图3为本发明实施例提供的一种基于安全概率缓存策略的缓存方法在仿真中平均安全缓存吞吐量随传输功率P的变化曲线示意图。

当N＝10，λu＝2×10^-2，λr＝4×10^-3，λe＝1×10^-5，C_U＝2，C_R＝6，α＝2.1和γ＝1.2时传输功率对平均安全缓存吞吐量的影响。从图中我们可以发现，本发明所提出的缓存策略优于MPC和EPC缓存策略，并且安全缓存吞吐量随着发送功率的增大而增大。同时随着发射功率的增大，安全缓存吞吐量和安全缓存吞吐量下限的分析结果更加接近。此外，值得注意的是，随着传输功率的增大，EPC缓存策略性能的提高比所提出的缓存策略和MPC缓存策略更快。且当发射功率达到一定值时，EPC缓存策略甚至优于MPC缓存策略。这是因为随着发射功率的增大，成功传输文件的概率增加，这提高了缓存分集增益。

图4为本发明实施例提供的一种安全概率缓存策略在仿真中平均安全缓存吞吐量随中继节点密度λr和窃听者密度λe的变化曲线示意图。

N＝10，Pr＝30dB，λu＝2×10^-2，C_U＝1，C_R＝4，α＝2.1和γ＝1.2时中继器的密度和窃听者的密度对平均安全缓存吞吐量的影响。从该图可以看出，本发明所提出的安全缓存策略优于MPC和EPC缓存策略，并且所提出的MPC和EPC缓存策略的安全缓存吞吐量随着λr增大而增大。这是因为是中继器的数量随着中继密度的增加而增加，这有效地提高了缓存命中概率。并且随着λr的增大，安全缓存吞吐量和安全缓存吞吐量下限的分析结果也更加接近。此外，当λe的值等于1×10^-5时，MPC，EPC和建议的缓存策略的安全缓存吞吐量大于λe＝5×10^-5，并且随着窃听者密度的增大性能差距也会增大。这是因为成功传输的概率随着窃听者的密度的增大而降低，这也降低了安全缓存吞吐量。

图5为本发明实施例提供的一种基于安全概率缓存策略的缓存方法在仿真中平均安全缓存吞吐量随中继节点缓存容量C_R和用户节点缓存容量C_U的变化曲线示意图。

当N＝20，Pr＝30dB，λu＝2×10^-2，λr＝4×10^-3，λe＝1×10^-5，α＝2.1和γ＝1.2时中继缓存容量和用户缓存容量对平均安全缓存吞吐量的影响。

从该图可以看出，所提出的缓存策略优于MPC和EPC缓存策略，并且MPC、EPC和本发明所提的缓存策略的安全缓存吞吐量随着C_R的增大而增大。尽管EPC缓存策略的安全缓存吞吐量提高非常有限，但我们仍然可以看到EPC缓存策略的安全缓存吞吐量随着C_R的增大而增大。原因在于缓存分集增益可以通过增大C_R来提高，但是由于EPC缓存策略的缓存分集增益已经达到最大，所以EPC缓存策略的安全缓存吞吐量随着增加C_R而提高非常有限。同时随着C_R的增大，我们也可以发现安全缓存吞吐量和安全缓存吞吐量下限的分析结果变得更加接近，并且MPC缓存策略的性能比EPC和所提缓存策略的性能提升的更快。这是因为MPC缓存策略的信号协作增益随着C_R的增大而增大。此外，当C_U的值等于2时，所提出的安全缓存策略，MPC和EPC缓存策略的安全缓存吞吐量大于C_U＝1的安全缓存吞吐量。这是因为缓存分集增益随着C_U值的增大而增大，这有效的提高了安全缓存吞吐量。

由以上说明可以看出，本发明所提缓存策略借助带有缓存容量的中继器和具有缓存能力的用户，将部分流行的内容存储在中继和用户的本地内存中，通过预设的安全传输阈值，在保证所有文件能够安全传输的基础上，通过最大化平均安全吞吐量对概率缓存策略进行了优化，从而得到最优的安全概率缓存策略，有效的将物理层技术和缓存策略相融合，形成适用于新型缓存无线网络安全传输的技术框架。保障了系统内容的传输，大大地提高了内容传输的可靠性和安全性，并为未来缓存技术应用于无线网络提供理论支撑。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于安全概率缓存策略的缓存方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据请求文件的文件传输方式，计算所述请求文件的命中概率函数；

根据预设的安全传输阈值及所述命中概率函数，计算所述请求文件的成功传输文件概率函数；

根据预设的文件流行度函数及所述成功传输文件概率函数，计算缓存系统的平均安全缓存吞吐量函数；

当所述平均安全缓存吞吐量函数取最大值时，计算待缓存文件在所述缓存系统中各节点的缓存概率集合，作为所述缓存系统的安全概率缓存策略，以使所述缓存系统根据所述安全概率缓存策略对所有待缓存文件进行缓存。

2.如权利要求1所述的一种基于安全概率缓存策略的缓存方法，其特征在于，所述文件传输方式，包括自取传输、用户传输、中继传输；

其中，所述自取传输具体为：第一随机用户发送文件请求，请求接收第一请求文件，若所述第一随机用户缓存的文件中含有所述第一请求文件，则从自身的本地内存中提取所述第一请求文件；

所述用户传输具体为：第二随机用户发送文件请求，请求接收第二请求文件，若所述第二随机用户不具备缓存能力或缓存的文件中不含所述第二请求文件，则所述第二随机用户将在半径为Ru的范围内查找带有缓存能力且缓存了所述第二请求文件的用户，将该类型用户作为第二命中用户，由距所述第二随机用户物理距离最近的所述第二命中用户发送所述第二请求文件至所述第二随机用户；

所述中继传输具体为：第三随机用户发送文件请求，请求接收第三请求文件，若所述第三随机用户不具备缓存能力或缓存的文件中不含所述第三请求文件，且在所述第三随机用户半径为Ru的范围内不存在第三命中用户，则所述第三随机用户将在半径为Rr的范围内查找缓存了所述第三请求文件的中继节点，将该类型中继节点作为第三命中中继节点，并由距所述第三随机用户物理距离最近的第三命中中继节点发送所述第三请求文件至所述第三随机用户，其中Rr＞Ru；所述第三命中用户为带有缓存能力且缓存了所述第三请求文件的用户。

3.如权利要求2所述的一种基于安全概率缓存策略的缓存方法，其特征在于，所述根据请求文件的文件传输方式，计算所述请求文件的命中概率函数，具体为：

当通过所述自取传输方式进行文件传输时所述请求文件的命中概率函数为：q_i ^u，

当通过所述用户传输方式进行文件传输时，根据以下公式计算得出所述请求文件命中概率函数

当通过所述中继传输方式进行文件传输时，根据以下公式计算得出所述请求文件命中概率函数

其中所述中继节点、用户节点服从相互独立的均匀泊松分布，μ为所述用户节点中带有缓存能力的用户比例且μ∈[0,1]，q_i ^u为用户节点缓存第i个文件的概率且q_i ^u∈[0,1]并满足约束条件C_U为所述用户节点的缓存大小，λ_u为所述用户节点的泊松分布参数，q_i ^r为中继节点缓存第i个文件的概率且q_i ^r∈[0,1]并满足约束条件C_R为所述中继节点的缓存大小。

4.如权利要求3所述的一种基于安全概率缓存策略的缓存方法，其特征在于，所述成功传输文件概率函数包括：中继节点成功传输文件概率函数和用户节点成功传输文件概率函数。

5.如权利要求4所述的一种基于安全概率缓存策略的缓存方法，其特征在于，根据预设的安全传输阈值及所述命中概率函数，计算所述请求文件的成功传输文件概率函数，具体为：

通过以下公式计算得出所述中继节点成功传输文件概率函数：

通过以下公式计算得出所述用户节点成功传输文件概率函数：

其中为中继节点成功传输文件概率,ρ₂＝P_r/σ²，P_r为中继节点的功率，σ²为噪声的功率，为用户节点成功传输文件的概率，ρ₁＝P_u/σ²，P_u为用户节点功率；

其中R_S为预设的安全传输阈值，Γ(·)表示伽玛函数；α表示路径损耗指数。

6.如权利要求5所述的一种基于安全概率缓存策略的缓存方法，其特征在于，根据预设的文件流行度函数及所述成功传输文件概率函数，计算缓存系统的平均安全缓存吞吐量函数，具体为：

通过以下公式计算得出所述平均安全缓存吞吐量：

7.如权利要求6所述的一种基于安全概率缓存策略的缓存方法，其特征在于，所述计算待缓存文件在所述缓存系统中各节点的缓存概率，，具体为：

通过以下公式计算待缓存文件在所述缓存系统中各节点的缓存概率：

其中q^u＝[q₁ ^u，…，q_i ^u，…，q_N ^u]为用户节点缓存文件的概率集合，q^r＝[q₁ ^r，…，q_i ^r，…，q_N ^r]为中继节点缓存文件的概率集合,N表示文件总数。