CN109803245A - 一种基于d2d通信的缓存节点选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于D2D通信的缓存节点选择方法，首先统计每个用户周围满足D2D通信距离的用户集，然后计算每个用户的判断因子，选择具有最大判断因子的用户作为缓存节点，将该节点与其周围满足D2D通信距离的用户集去除后，对余下的用户进行第二轮缓存节点的选择，直到所有用户都确定文件获取方式后终止迭代。本发明将缓存技术与D2D通信技术相结合，在保证系统中所有用户获得自己所需文件的前提下，建立系统成本函数，对系统成本函数中用户获取文件的策略进行优化，从而实现了系统总成本最小化，具备极好的应用前景。

Description

一种基于D2D通信的缓存节点选择方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于D2D通信的缓存节点选择方法。

背景技术

随着智能设备的快速发展以及各式各样多媒体应用的不断涌现，移动用户可以通过无线网络享受到丰富多样的服务体验，然而与此同时也会引发巨大的流量。预计未来几年对蜂窝网络带宽的需求将呈现指数级增长,而这无疑会给现有的无线网络带来沉重的负载，尤其会加重基站的负担，甚至导致系统拥塞和性能下降。尽管通过广泛架设基站可以减轻流量负担，然而这种解决方案需要很大的成本，并且流量增长的速度远比基站部署的速度快。因此，在不频繁更新网络的前提下，有效地减轻基站处的流量负荷是一项重要的任务。

将D2D通信技术和缓存技术相结合可以更好得改进系统性能和降低开销。D2D通信可以不通过基站进行直接通信，从而极大地提高吞吐量和能量效率，减轻基站负担，已经成为增强蜂窝网络基础设施能力的有效技术。此外通过建立D2D通信链路，在空间上距离较近的移动用户之间可以进行内容共享。尤其是当相邻设备恰好在本地缓存了其他用户想要的消息，则可以不使用蜂窝系统的带宽，直接通过D2D通信链路共享该消息。与此同时，这也表明将D2D通信技术与缓存技术相结合来帮助基站卸载蜂窝流量的关键问题是选择系统中哪些用户为缓存节点，能够在满足用户需求内容的前提下降低系统总成本，而这一技术难点始终还没有被攻破，所以，需要一个新的技术方案来解决这个问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于D2D通信的缓存节点选择方法，其将缓存技术与D2D通信技术相结合，在保证系统中所有用户获得自己所需文件的前提下，建立系统成本函数，对系统成本函数中用户获取文件的策略进行优化，从而实现了系统总成本最小化。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于D2D通信的缓存节点选择方法，包括如下步骤：

S1：用户请求文件内容；

S2：构建以最小化系统总成本为目标的优化函数；

S3：统计每个用户周围满足D2D通信距离的用户集；

S4：计算每个用户的判断因子；

S5：找到N个用户中具有最大判断因子的用户A，将该用户放入缓存矩阵A，并将其周围用户放入矩阵B；

S6：用户A确定为从基站获取文件的缓存节点，其周围满足D2D通信距离的用户从节点A通过D2D通信链路获取文件，将确定获取方式的用户从总用户中剔除；

S7：如果还有用户没有确定文件获取方式，则继续执行步骤S4-S5找到下一个缓存节点及周围用户；

S8：直到所有用户确定文件获取方式后结束循环，并计算此时的系统总成本。

进一步地，所述步骤S1中用户请求文件内容的具体表示为：随机分布着N个用户，用户可以根据自己的需求请求文件，设每个请求文件的大小都相同，则每个用户在某时刻请求文件的个数表示为每个用户在某个时刻请求的文件可以表示为F＝{f₁,f₂,f_i,L,f_N}，其中f_i表示第i个用户请求的个文件。

进一步地，所述步骤S2中系统总成本表示为

其中集合S表示用户获取文件方式的策略，定义S＝{s₁,s₂,L,s_i,L,s_n}，s_i＝{0,1}，其中s_i表示i个用户的选择策略，s_i＝0表示用户i是通过D2D通信链路从它附近的缓存节点建立通信来获取文件；s_i＝1表示用户i是从基站获取的用户；所有的缓存节点用集合A来表示，A＝{i:s_i＝1,i∈N}，同样地，通过D2D通信获取文件的节点用集合B表示，B＝{i:s_i＝0,i∈N}，考虑到文件获取方式的不同，定义了两种单位成本，从基站获取的成本表示为α，通过D2D通信获取的成本表示为其中d_i,j表示缓存用户i和接入用户j之间的距离，w_i,j表示用户i和用户j之间的影响因子。

进一步地，所述步骤S3中用户集表示为任意两个用户只要满足最大通信距离R_d范围内即可进行D2D通信，并用来表示第i个用户周围能够进行D2D通信的用户数。

进一步地，所述步骤S4中判断因子的计算具体为：根据计算每个用户的判断因子，其中same(f_i,f_j)表示用户i和用户j请求文件中相同的个数。

本发明首先统计每个用户周围满足D2D通信距离的用户集，然后计算每个用户的判断因子，选择具有最大判断因子的用户作为缓存节点，将该节点与其周围满足D2D通信距离的用户集去除后，对余下的用户进行第二轮缓存节点的选择，直到所有用户都确定文件获取方式后终止迭代，从而减少系统总成本。

有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：

1、将缓存技术和D2D通信技术相结合，可以避免重复获得相同的文件，节省不必要的系统开销。

2、采用影响因子衡量用户之间的社交关系，由于影响因子用文件相关度来定义，通过这样的概念可以更好得理解用户之间的关系。

3、将社会关系与物理距离相结合制定用户获取文件的成本，可以更好地分析系统总成本，以找到最佳策略，实现系统总成本最小化。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为系统总成本随用户数的变化对比示意图；

图3为系统总成本随D2D通信获取成本的变化对比示意图；

图4为系统总成本随基站获取成本的变化对比示意图；

图5为本发明方法的场景示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

如图1和图5所示，本发明提供一种基于D2D通信的缓存节点选择方法，包括如下步骤：

S1：用户请求文件内容：

本实施例中小区内随机分布着N个用户，用户可以根据自己的需求请求一些文件，假设每个请求文件的大小都相同，每个用户在某时刻请求文件的个数表示为每个用户在某个时刻请求的文件可以表示为F＝{f₁,f₂,f_i,L,f_N}，其中f_i表示第i个用户请求的个文件。

S2：构建以最小化系统总成本为目标的优化函数：

优化函数的目标函数为：

s.t.s_i＝{0,1},s_i∈S (1b)

0<||R_i-R_t||＜R_d,i∈B,t∈A (1c)

0＜w_i,j＜1,w_i,j∈W (1d)

其中集合S表示用户获取文件方式的策略，定义S＝{s₁,s₂,L,s_i,L,s_n}，s_i＝{0,1}。其中s_i表示i个用户的选择策略，s_i＝0表示用户i是通过D2D通信链路从它附近的缓存节点建立通信来获取文件，s_i＝1表示用户i是从基站获取的用户。所有的缓存节点用集合A来表示，A＝{i:s_i＝1,i∈N}，同样地，通过D2D通信获取文件的节点用集合B表示，B＝{i:s_i＝0,i∈N}，考虑到文件获取方式的不同，定义了两种单位成本，从基站获取的成本表示为α，通过D2D通信获取的成本表示为其中d_i,j表示缓存用户i和接入用户j之间的距离，w_i,j表示用户i和用户j之间的影响因子。

(1a)式是优化问题的目标函数，表示最小化系统总成本；(1b)式表示用户之间满足D2D通信距离的要求；(1c)式表示用户之间影响因子的范围。

S3：统计每个用户周围满足D2D通信距离的用户集

任意两个用户只要满足最大通信距离R_d范围内即可进行D2D通信，并用来表示第i个用户周围能够进行D2D通信的用户数。

S4：计算每个用户的判断因子：

根据计算每个用户的判断因子，其中same(f_i,f_j)表示用户i和用户j请求文件中相同的个数。

S5：找到N个用户中具有最大判断因子的用户A，将该用户放入缓存矩阵A，并将其周围用户放入矩阵B。

S6：此时用户A确定为从基站获取文件的缓存节点，其周围满足D2D通信距离的用户从节点A通过D2D通信链路获取文件，将确定获取方式的用户从总用户中剔除，此步骤的表达式为

S7：如果还有用户没有确定文件获取方式，则继续执行步骤S4-S5找到下一个缓存节点及周围用户。

S8：直到所有用户确定文件获取方式后结束循环，并计算此时的系统总成本。

综上所述，本发明提供的基于D2D通信的缓存节点选择方法，需要在保证用户获得所需文件的前提下，根据判断因子选出缓存节点，从而有效的减少了系统总成本，为了验证本发明的实际效果，本实施例将本发明方法分别与现有的随机缓存节点选择方法和基于影响因子缓存节点选择方法进行仿真对比实验，其具体结果和分析如下：

如图2所示，随着用户数的不断增加，本发明的优势愈加明显，可以有效减少系统成本。这是因为相较于影响因子方法仅通过文件相关度来选择缓存节点，本发明方法综合考虑了文件相关度和D2D通信距离这两大影响成本的因素，这样会避免一些尽管影响因子并不大而且其接入节点与之距离较远的用户被选作缓存节点，因为此时缓存节点和其接入节点获取文件的总成本将大于两者直接向基站请求的成本，从而降低系统成本。

如图3所示，随着D2D通信获取成本的增加，随机算法和基于影响因子的缓存节点选择算法的系统总成本均呈上升趋势，这是因为这两种方法在选择缓存节点时均未考虑D2D通信成本，所以随着D2D通信单位成本的不断增加，相应的系统总成本也必然会增加。而本发明考虑了这一因素，因此会在D2D通信成本增加后降低系统总成本的效果更加明显。

如图4所示可以看出，随着基站获取成本的提高，三种方法的系统总成本都在不断增加，这是因为三种方法中大多数用户都是选择直接向基站获取文件，并且此时随着基站获取成本的增加，本发明相较于基于影响因子算法的优势越来越小，这是因为当基站成本增加，影响因子在最终的选择策略所占的比重变得更大，所以本发明用判断因子做出的缓存节点选择策略的性能会逼近于仅通过影响因子选择缓存节点的策略。

Claims (6)

1.一种基于D2D通信的缓存节点选择方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：用户请求文件内容；

S2：构建以最小化系统总成本为目标的优化函数；

S3：统计每个用户周围满足D2D通信距离的用户集；

S4：计算每个用户的判断因子；

S5：找到N个用户中具有最大判断因子的用户A，将该用户放入缓存矩阵A，并将其周围用户放入矩阵B；

S6：用户A确定为从基站获取文件的缓存节点，其周围满足D2D通信距离的用户从节点A通过D2D通信链路获取文件，将确定获取方式的用户从总用户中剔除；

S7：如果还有用户没有确定文件获取方式，则继续执行步骤S4-S5找到下一个缓存节点及周围用户；

S8：直到所有用户确定文件获取方式后结束循环。

2.根据权利要求1所述的一种基于D2D通信的缓存节点选择方法，其特征在于：所述步骤S1中用户请求文件内容的具体表示为：随机分布着N个用户，用户可以根据自己的需求请求文件，设每个请求文件的大小都相同，则每个用户在某时刻请求文件的个数表示为每个用户在某个时刻请求的文件可以表示为F＝{f₁,f₂,f_i,L,f_N}，其中f_i表示第i个用户请求的个文件。

3.根据权利要求2所述的一种基于D2D通信的缓存节点选择方法，其特征在于：所述步骤S2中系统总成本表示为

其中集合S表示用户获取文件方式的策略，定义S＝{s₁,s₂,L,s_i,L,s_n}，s_i＝{0,1}，其中s_i表示i个用户的选择策略，s_i＝0表示用户i是通过D2D通信链路从它附近的缓存节点建立通信来获取文件；s_i＝1表示用户i是从基站获取的用户；所有的缓存节点用集合A来表示，A＝{i:s_i＝1,i∈N}，同样地，通过D2D通信获取文件的节点用集合B表示，B＝{i:s_i＝0,i∈N}，考虑到文件获取方式的不同，定义了两种单位成本，从基站获取的成本表示为α，通过D2D通信获取的成本表示为其中d_i,j表示缓存用户i和接入用户j之间的距离，w_i,j表示用户i和用户j之间的影响因子。

4.根据权利要求1所述的一种基于D2D通信的缓存节点选择方法，其特征在于：所述步骤S3中用户集表示为任意两个用户只要满足最大通信距离R_d范围内即可进行D2D通信，并用来表示第i个用户周围能够进行D2D通信的用户数。

5.根据权利要求3所述的一种基于D2D通信的缓存节点选择方法，其特征在于：所述步骤S4中判断因子的计算具体为：根据计算每个用户的判断因子，其中same(f_i,f_j)表示用户i和用户j请求文件中相同的个数。

6.根据权利要求3所述的一种基于D2D通信的缓存节点选择方法，其特征在于：所述步骤S8中结束循环后，计算此时的系统总成本。