CN110049507A - 无线内容分发网络中基于鞅理论的最优缓冲资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了无线内容分发网络中基于鞅理论的最优缓冲资源分配方法。首先确定缓冲中的积压长度、缓冲区容量、数据到达速率和服务速率之间的关系。运用鞅理论，确定缓冲区溢出概率表达式。给定每个服务用户能容忍的最大缓冲区溢出概率，确定每个服务用户需要的最小缓冲区容量。根据中间节点贡献的缓冲区容量与服务的用户需要的最小缓冲区容量关系，确定用户与边缘设备的连接关系，从而构建最小化缓冲区溢出概率和的优化问题，用注水法，确定最优的缓冲资源分配方案。降低了中间节点缓冲区溢出的概率，提高内容分发的效率，进一步提升无线内容分发网络的分发性能。

Description

无线内容分发网络中基于鞅理论的最优缓冲资源分配方法

技术领域

本发明涉及无线内容分发网络、边缘存储和资源分配技术领域，特别涉及无线内容分发网络中最优缓冲资源分配方法。

背景技术

随着智能终端的快速发展，人们对社交和娱乐，尤其是视频资源的消费呈现出了快速增长的势头。无线网络中视频数据占有越来越重要的地位。思科预测到2021年，无线视频数据将占无线数据量的78％。为了满足人们日益增长的视频消费需求，需要对无线网络的架构进行升级或者重新设计，而对现有网络进行升级改造，造价很高。然而，一方面，网络中数量巨大的视频文件，是由很少一部分流行视频文件组成。另一方面，网络中传输很多重复的视频文件，给回程链路带来了很大的流量压力。为了降低改造现有网络架构的代价，缓解回程链路上的流量压力，无线边缘存储技术就被提出了。无线边缘存储技术是将近期比较受欢迎的视频文件，在非高峰时段，存放到边缘设备，比如小基站、家庭机顶盒中。当用户请求视频文件时，不再通过回程链路进行传输，而是直接通过网络的边缘设备传输给用户，有效减少网络上的流量。

由于现在视频资源总量非常巨大，消费者的喜好也各不相同，边缘设备的存储容量有限，将所有的文件都存在网络边缘中，很不现实。有学者提出将一个受欢迎的文件分成很多小文件块，将部分文件块存在边缘网络中，有用户请求时，直接将部分文件块发给用户。剩余的文件块存在远端服务器中，用户请求时，通过中间节点中继的方式，如图1所示，再转发给目标用户，以加快视频文件的请求速度，提高传输效率。这里，在进行文件块中继时就需要用到中间节点的缓冲区资源了。缓冲(Buffer)资源与缓存(Cache)资源不同，缓冲资源有更快的读写速度，本申请的目的是通过合理分配缓冲区资源，提高内容分发网络的效率，主要解决的是最小化缓冲区溢出概率和的问题。通常，一个中间节点，可能同时为多个用户同时提供中继服务，而中间节点贡献出的缓冲区资源是有限的，在缓冲区可能产生排队和溢出的问题。如何有效分配缓冲区的资源，直接决定了能否实现边缘存储技术。

发明内容

本发明提供的无线内容分发网络中基于鞅理论的最优缓冲资源分配方法，目的在于填补无线内容分发网络中的最优缓冲资源分配方法的空白，降低了中间节点缓冲区溢出的概率，提高内容分发的效率。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案包括以下步骤：

S1.首先确定缓冲中的积压长度、缓冲区容量、数据到达速率和服务速率之间的关系。运用鞅理论，确定缓冲区溢出概率表达式。

S2.给定每个服务用户能容忍的缓冲区溢出概率，确定每个服务用户需要的最小缓冲区容量。

S3.根据中间节点贡献的缓冲区容量与服务的用户需要的最小缓冲区容量关系，存在三种情况。

S31.第一种情况，当用户需要的最小缓冲区容量，大于中间节点贡献的缓冲区容量，该用户将被建议直接与边缘设备连接。

S32.第二种情况，当用户需要的缓冲区容量，小于中间节点贡献的缓冲区容量，但所有服务用户需要的缓冲区大于中间节点贡献的缓冲区容量，中间节点需要选择一些用户服务，其他用户直接与边缘设备连接。

S33.第三种情况，当所有服务的用户需要的缓冲区小于中间节点贡献的缓冲区容量，建立优化问题，用注水法，确定最优的缓冲资源分配方案。

步骤S1中，运用鞅理论确定缓冲中的积压长度、缓冲区容量、数据到达速率和服务速率之间的关系。缓冲区溢出概率表达式为：

其中，用户在缓冲区中的积压用Q_i表示，C_B表示中间节点贡献出的缓冲区容量大小，α_iC_B表示分配给用户的缓冲容量，其中α_i,0≤α_i≤1表示占中间节点贡献的整个缓冲容量的比例，并且满足用户在时间n请求的数据量表示为a(n)；在时间n，从中间节点到用户的服务速率表示为s(n)。表示对求期望。 表示的谱半径，

步骤S2中，若给定用户能容忍的最大缓冲溢出概率为ε，带入公式(7)，用户最少需要的缓冲容量比例为：

其中，表示的谱半径，C_B表示中间节点贡献出的缓冲区容量大小。用户能容忍的最大缓冲溢出概率为ε。

步骤S33中，

最优的缓冲资源分配方案，表达式为：

其中，表示分配个用户的缓冲区比例。C_B表示中间节点贡献出的缓冲区容量大小。 表示的谱半径，也就是先给每个用户分配了最小比例剩余的份额，即通过调节λ^*，进而调节进行分配，当时结束分配。此时的分配份额能够最小化缓冲区溢出概率和，进一步提升无线内容分发网络的分发性能。

有益效果

本发明运用鞅理论确定缓冲中的积压长度、缓冲区容量、数据到达速率和服务速率之间的关系。进而，确定缓冲区溢出概率表达式。获得的这个概率值是非常紧的，适用于数据量具有突发性质的非泊松到达过程；本发明提出的最优缓冲资源分配方法能够最小化缓冲区溢出概率和，进一步提升无线内容分发网络的分发性能。

附图说明

图1为现有采用中间节点中继分配文件的示意图。

图2为无线内容分发网络中基于鞅理论的最优缓冲资源分配方法。

图3是采用本发明提出的最优缓冲分配算法与均匀分配缓冲区方法，关于缓冲溢出概率和的对比图。

图4是本发明操作步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，给定一个无线异构网络，包含一个服务器，一个基站，多个中间节点和多个用户。一个中间节点周围有多个服务用户，中间节点为周围用户贡献缓冲资源，提供中继服务，进而增强无线网络内容的转发速度。

1.数据到达模型

假设用户在时间k请求的数据量表示为a_i(k)。a_i(k)服从具有两个状态的马尔科夫调制开关过程。状态表示没有数据到达，即a_i(k)＝0，状态表示有数据到达，且a_i(k)＝R_i。a_i(k)的转移矩阵表示为：其中p_i表示的是从状态到状态的转移概率，q_i表示从状态到状态的转移概率。a_i(k)相对应的稳态分布可以表示为在时间[m,n]内，累积的到达数据量可以表示为：

其中，A_i(m,n)可以看成是一个二元到达过程。若m＝0，我们将用表示。

2.中间节点服务模型

中间节点贡献有限的缓冲容量C_B服务周围用户。缓冲区用于缓存从基站发送给用户的数据，再利用近距离优势，采用高速传输技术传输给用户，提高内容分发的效率。在时间k，从中间节点到用户的服务速率可以表示为：

其中，B是带宽，N为中间节点同时服务的用户个数，P_tr为传输功率，d_i为中间节点到用户的距离，l为路径损耗参数，为噪声密度。在时间[m,n]内，中间节点对用户服务的数据量可以表示为：

若m＝0，我们用S_i(n)表示S_i(0,n)。从公式(2)可以看出，给定了用户的距离d_i后，服务速率与时间k无关。下面，我们用中间节点对用户服务的数据量s_i简化表示s_i(k)。

同时，我们假设

公式(4)表示，用户的服务速率s_i大于请求数据a_i(k)的期望，但是小于a_i(k)的峰值。这种情况下，数据在被传输之前，需要在中间节点的缓冲区排队，从而使得缓冲区会有数据量的积压。

3.缓冲溢出概率

因为中间节点只贡献出了有限的缓冲容量，缓冲区太多的积压会产生溢出。而且中间节点为服务的每个用户都预留了一块单独的缓冲区，也就是同一个用户的数据将排在一个队列中。这样的话，每个用户的积压Q_i可以表示为：

用α_iC_B表示分配给用户的缓冲容量，其中α_i,0≤α_i≤1表示占中间节点贡献的整个缓冲容量的比例，并且满足缓冲溢出概率表示为：

Pr(Q_i≥(α_iC_B)) (6)

缓冲中的积压具有随机的特性，很难准确的给出数值。下面采用鞅理论，给出缓冲溢出概率的表达式:

其中，其中，用户在缓冲区中的积压用Q_i表示，C_B表示中间节点贡献出的缓冲区容量大小，α_iC_B表示分配给用户的缓冲容量，其中α_i,0≤α_i≤1表示占中间节点贡献的整个缓冲容量的比例，并且满足用户在时间n请求的数据量表示为a(n)；在时间n，从中间节点到用户的服务速率表示为s(n)。表示对求期望。 表示的谱半径，

若给定用户能容忍的最大缓冲溢出概率为ε，带入公式(7)，用户最少需要的缓冲容量比例为：

其中，表示的谱半径，C_B表示中间节点贡献出的缓冲区容量大小。用户能容忍的最大缓冲溢出概率为ε。

4.三种情况

下面分三种情况讨论用户最少需要的缓冲容量比例与全部缓冲容量1之间的关系。

第一种情况：当用户需要的最小缓冲区容量，大于中间节点贡献的缓冲区容量，即该用户将被建议直接与边缘设备连接。

第二种情况：当用户需要的缓冲区容量，小于中间节点贡献的缓冲区容量，但所有服务用户需要的缓冲区大于中间节点贡献的缓冲区容量，即且中间节点需要选择一些用户服务，其他用户直接与边缘设备连接。第二种情况的解决办法，不在本专利的申述范围。

第三种情况：当所有服务的用户需要的缓冲区小于中间节点贡献的缓冲区容量，即进一步建立优化问题，用注水法，确定最优的缓冲资源分配方案。

5.最优缓冲资源分配方法

针对第三种情况，即时，构建如下缓冲区分配问题：

因为且(10)问题是一个典型的凸优化问题。构建拉格朗日方程

其中，{γ₁,...,γ_N}和λ表示拉格朗日乘子。Karush-Kuhn-Tucher(KKT)条件需要满足如下条件：

(11)中的第三个条件，也即是可以得到γ_i≠0，和γ_i＝0

其中，λ^*是调节量，使结果满足且

所以结果可进一步写成注水形式：

其中，且也就是先给每个用户分配了最小比例剩余的份额，即通过调节λ^*，进而调节进行分配，当时结束分配。此时的分配份额，能够最小化缓冲区溢出概率和，进一步提升无线内容分发网络的分发性能。

图2为最优缓冲资源分配方法的示例。图3为采用本专利提出的最优缓冲分配算法与均匀分配缓冲区方法，关于缓冲溢出概率和的对比图。采用本发明的无线内容分发网络中基于鞅理论的最优缓冲资源分配方法的缓冲溢出概率和明显低于均匀分配法的概率和。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.无线内容分发网络中基于鞅理论的最优缓冲资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.首先确定缓冲中的积压长度、缓冲区容量、数据到达速率和服务速率之间的关系；运用鞅理论，确定缓冲区溢出概率表达式；

S2.给定每个服务用户能容忍的最大缓冲区溢出概率，确定每个服务用户需要的最小缓冲区容量；

S3.根据中间节点贡献的缓冲区容量与服务的用户需要的最小缓冲区容量关系，存在三种情况：

S31.第一种情况，当用户需要的最小缓冲区容量，大于中间节点贡献的缓冲区容量，该用户将被建议与边缘设备直接连接；

S32.第二种情况，当用户需要的缓冲区容量，小于中间节点贡献的缓冲区容量，但所有服务用户需要的缓冲区容量大于中间节点贡献的缓冲区容量，中间节点需要选择一些用户服务，其他用户与边缘设备直接连接；

S33.第三种情况，当所有服务的用户需要的缓冲区容量小于中间节点贡献的缓冲区容量，建立优化问题，用注水法，确定最优的缓冲资源分配方案。

2.根据权利要求1所述的无线内容分发网络中基于鞅理论的最优缓冲资源分配方法，其特征在于，上述步骤S1中，运用鞅理论确定缓冲中的积压长度、缓冲区容量、数据到达速率和服务速率之间的关系，

缓冲区溢出概率表达式为：

其中，用户在缓冲区中的积压用Q_i表示，C_B表示中间节点贡献出的缓冲区容量大小，α_iC_B表示分配给用户的缓冲容量，其中α_i,0≤α_i≤1表示占中间节点贡献的整个缓冲容量的比例，并且满足用户在时间n请求的数据量表示为a(n)；在时间n，从中间节点到用户的服务速率表示为s(n)。表示对求期望； 表示的谱半径，

3.根据权利要求1或2所述的无线内容分发网络中基于鞅理论的最优缓冲资源分配方法，上述步骤S2中给定用户能容忍的最大缓冲溢出概率为ε，带入公式(7)，用户最少需要的缓冲容量比例为：

其中， 表示的谱半径，C_B表示中间节点贡献出的缓冲区容量大小。用户能容忍的最大缓冲溢出概率为ε。

4.根据权利要求1所述的无线内容分发网络中基于鞅理论的最优缓冲资源分配方法，其特征在于，上述S33中，最优的缓冲资源分配方案，表达式为：

其中，表示分配个用户的缓冲区比例。C_B表示中间节点贡献出的缓冲区容量大小。 表示的谱半径，也就是先给每个用户分配了最小比例剩余的份额，即通过调节λ^*，进而调节进行分配，当时结束分配。