CN110856144B - 一种移动边缘计算网络中基于lt码的雾化缓存方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种移动边缘计算网络中基于LT码的雾化缓存方法，本发明通过LT码对待缓存的文件进行编码，文件被碎片化，由边缘用户设备缓存。由于编码包较小，每个用户缓存的编码包数目少，占用的内存小，充分利用了设备的空闲内存，提高了系统的内存利用率。内容请求者可以通过D2D通信获取其他用户缓存的内容，用户既是内容请求者也是内容提供者，充分体现了互联网中的共享思维，提高了内存利用率。本发明的内容在网络边缘以雾化状态存储，缓存内容靠近内容请求用户，内容请求用户能够以更高的概率获取请求文件，实现更好的缓存效果，提升了用户体验。

Description

一种移动边缘计算网络中基于LT码的雾化缓存方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，具体涉及一种移动边缘计算网络中基于LT码的雾化缓存方法。
背景技术
通信设备数目剧增、移动数据流量激增等现状给移动通信网络带来了巨大的压力，使得网络负载增加，带宽资源紧张，网络延时增大，用户体验变差。移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)通过将存储、计算、服务等迁移到靠近用户端的网络边缘处来解决上述问题。移动边缘计算中的缓存技术通过将流行内容缓存到网络边缘处(如边缘服务器、用户设备等)，有效缓解回程链路带宽压力，降低网络时延。相比于边缘服务器处的内容缓存，在用户终端缓存流行内容，用户不仅可以在其缓存中存储流行内容以满足自己的请求，还可以通过D2D通信直接从其他用户那里获取内容，使得系统总缓存能力随着网络中缓存设备的数量而增长。编码缓存作为一种利用缓存制造多播机会来减小通信负载的新技术，获得了广泛的关注。LT码作为一种无速率喷泉码，编码器可以生成的编码符号的个数是无限的，因此可以在边缘缓存中灵活应用。
尽管现有的基于LT码的编码缓存方案已经设计了缓存放置策略，但是没有针对编码缓存特定参数的描述，尤其是缓存冗余设计。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种移动边缘计算网络中基于LT码的雾化缓存方法，对于给定的MEC网络以及文件大小，给出LT编码参数和缓存冗余，确保内容请求者可以通过D2D通信，从附近的少数缓存用户处获得编码包，以99.9％的概率恢复出原始文件。本发明不仅可以充分利用用户的存储空间，还可以减轻从远程服务器获取内容带来的带宽负担，具有重要的研究意义。
为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
步骤一，文件库根据内容流行度分布，随机决定待缓存的文件f；
步骤二，根据待缓存的文件f，确定LT编码参数，再根据LT编码参数，获得恢复原始待缓存的文件f所需要的编码包缓存冗余γf；
步骤三，根据编码包缓存冗余γf判断待缓存的文件f是否满足边缘缓存内存限制；
若满足，继续步骤四，若不满足，结束此轮内存放置，返回步骤一，等待用户释放缓存内存；
步骤四，根据编码包缓存冗余γf，通过LT编码器获得k(1+γf)个编码包，然后将这些编码包均匀分发给系统中的每个用户，其中k表示将文件f等分后的数据包数目；
步骤五，内容请求用户发送请求，通过D2D通信从周围的缓存用户处获取编码包，边接收边解码，直至恢复出请求文件。
步骤一中，假定文件的流行度服从Zipf分布。
编码包缓存冗余γf为：
Figure BDA0002243464930000021
其中，γ'f为理论恢复文件冗余，U为缓存用户数目，λ为用户之间能够进行D2D通信的接触率。
步骤四中，每个用户缓存关于待缓存的文件f的
Figure BDA0002243464930000022
个编码包。
步骤五中，内容请求用户向周围的用户广播内容f的下载请求，收到请求的用户检查缓存中是否有文件f的编码包，若有，则通过D2D通信向内容请求者传输编码包，内容请求者边接收边解码，直至恢复出原始请求文件，不再接收编码包。
步骤五中，解码采用高斯消去法。
与现有技术相比，本发明通过LT码对待缓存的文件进行编码，文件被碎片化，由边缘用户设备缓存。由于编码包较小，每个用户缓存的编码包数目少，占用的内存小，充分利用了设备的空闲内存，提高了系统的内存利用率。内容请求者可以通过D2D通信获取其他用户缓存的内容，用户既是内容请求者也是内容提供者，充分体现了互联网中的共享思维，提高了内存利用率。本发明的内容在网络边缘以雾化状态存储，缓存内容靠近内容请求用户，提升了用户体验。本发明中内容请求用户能够以更高的概率获取请求文件，实现更好的缓存效果。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为不同数据包数目k和理论恢复概率1-δ下，LT码编码参数c＝0.04时，鲁棒孤子度分布中参数β的变化情况图；
图3为不同用户接触率下，恢复出原始文件所需的缓存冗余对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明的具体方法如下：
步骤1、确定缓存文件；
由于假设了用户请求内容的概率服从Zipf分布，那么排名在第i位的文件被用户缓存的概率为
Figure BDA0002243464930000031
现有研究表明，αz的值越大，i越靠前的内容被请求的几率也越高，即热门内容越集中。αz的取值一般在0.2到1之间。根据Zipf分布逐一随机预测请求内容，即将被用户缓存到网络边缘的内容。
步骤2、确定缓存冗余；
假设文件f大小为Cf，将文件f等分为kf个数据包，每个数据包具有相同的长度lf，则Cf＝kf·lf。利用LT编码器对文件f的数据包进行编码。
本发明中，LT编码采用的度分布为鲁棒孤子分布：
Figure BDA0002243464930000041
对于k个数据包，满足：
Figure BDA0002243464930000042
Figure BDA0002243464930000043
Figure BDA0002243464930000044
其中，c为大于0的常数，解码成功的概率为1-δ。在本方法中，为保证恢复率，令δ＝0.001。根据多次试验，对于不同的k值，c＝0.04时，能在较小的恢复冗余下保证恢复率达到99.9％，平衡缓存内存限制和高概率内容恢复之间的矛盾。
根据上述LT编码理论可得，要以1-δ的概率恢复出原始文件，则内容请求用户需要收集到Kf＝kfβ个编码包，定义
Figure BDA0002243464930000045
为恢复冗余的理论值。图2描述了LT编码参数c＝0.04时，鲁棒孤子分布参数β值随k,δ变化的曲线图。由于系统中用户之间能够进行D2D通信的接触率为λ，则内容请求用户要想恢复出文件f，需满足
Figure BDA0002243464930000046
其中Ncached表示每个用户缓存的编码包数目。基于缓存内存约束，取
Figure BDA0002243464930000047
那么边缘处缓存的编码包数目为
Figure BDA0002243464930000048
计算出相应的缓存冗余
Figure BDA0002243464930000049
假设用户用于存储缓存内容的空间为M，第j次选择文件时，用户剩余的缓存内存为Mj,(M1＝M)。则内存约束条件：
Figure BDA0002243464930000051
判断第j次(初始值为1)选定的文件f是否满足边缘缓存内存约束，若满足，令
Figure BDA0002243464930000052
j＝j+1，继续步骤3；若不满足，结束此轮内存放置，j＝1，Mj＝M，返回步骤1，等待用户释放缓存内存，开始新一轮缓存放置。
步骤3、文件LT编码及内容放置；
首先根据步骤2中确定的数据包数目kf，及每个数据包的长度为lf，对文件f进行切分。根据步骤2中计算的缓存冗余可知，对kf个数据包进行编码，获得kf(1+γf)个编码包。
接下来的编码过程可简述为：根据鲁棒孤子度分布，随机产生kf(1+γf)个度，度分布μ(d)在步骤2中给出了详细表达式。对于任意一个度d，从kf个数据包中随机选择d个，逐一进行异或操作，形成一个编码包，这一过程重复kf(1+γf)次，最终得到所有个kf(1+γf)编码包，LT编码过程结束。除了异或原始数据包得到长度为l的包，编码包中还需加入文件信息以及长度为kf的编码包组成信息。
将处理好的编码包均匀放置在系统中的每个用户处，即每个用户缓存
Figure BDA0002243464930000053
个编码包，结合步骤2，显然有
Figure BDA0002243464930000054
编码包是边生成边放置的。此时，系统中的每个用户均缓存了文件f的编码包，意味着文件f以碎片化的状态散布于系统中。
此时，文件f放置结束，服务器继续步骤1，进行下一文件的放置。
步骤4、内容请求与分发；
内容请求用户通过D2D通信，向周围的用户广播内容f的下载请求。周围用户收到请求后，检索自身缓存中是否存储了文件f的编码包，若有，则通过D2D通信向内容请求者传输编码包，内容请求者边接收边解码，直至恢复出原始请求文件，就不再接收编码包。至此，文件f的请求与分发过程结束。图3表明，满足内存限制时，不同的接触率下，总能存在适当的缓存冗余，使得内容请求者以99.9％的概率恢复出所需文件，同时仿真结果表明，实际恢复率99.9％时所需的缓存冗余要小于步骤3中计算出的缓存冗余。用户端的LT解码器采用高斯消去的解码方式，需要利用编码包中的异或信息。恢复请求文件时，内容请求用户不必关心接收到的编码包的具体内容，只要保证收集到足量的编码包，就可以恢复出所需要的内容。用户作为内容请求者的同时，也是内容提供者，实现了缓存内容的共享。

Claims (5)

1.一种移动边缘计算网络中基于LT码的雾化缓存方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，文件库根据内容流行度分布，随机决定待缓存的文件f；
步骤二，根据待缓存的文件f，确定LT编码参数，再根据LT编码参数，获得恢复原始待缓存的文件f所需要的编码包缓存冗余γf；
确定缓存冗余的具体方法如下：
假设文件f大小为Cf，将文件f等分为kf个数据包，每个数据包具有相同的长度lf，则Cf＝kf·lf，利用LT编码器对文件f的数据包进行编码；
LT编码采用的度分布为鲁棒孤子分布：
Figure FDA0003089989550000011
对于kf个数据包，满足：
Figure FDA0003089989550000012
Figure FDA0003089989550000013
Figure FDA0003089989550000014
要以1-δ的概率恢复出原始文件，则内容请求用户需要收集到Kf＝kfβ个编码包，定义
Figure FDA0003089989550000015
Figure FDA0003089989550000016
为恢复冗余的理论值，由于系统中用户之间能够进行D2D通信的接触率为λ，则内容请求用户要想恢复出文件f，需满足
Figure FDA0003089989550000017
其中
Figure FDA0003089989550000018
表示每个用户缓存的编码包数目，基于缓存内存约束，取
Figure FDA0003089989550000019
那么边缘处缓存的编码包数目为
Figure FDA00030899895500000110
计算出相应的缓存冗余
Figure FDA00030899895500000111
U为参与缓存的用户数目；
步骤三，根据编码包缓存冗余γf判断待缓存的文件f是否满足边缘缓存内存限制；
若满足，继续步骤四，若不满足，结束此轮内存放置，返回步骤一，等待用户释放缓存内存；
步骤四，根据编码包缓存冗余γf，通过LT编码器获得kf(1+γf)个编码包，然后将这些编码包均匀分发给系统中的每个用户，其中kf表示将文件f等分后的数据包数目；通过LT编码器获得kf(1+γf)个编码包的具体方法如下：
首先根据确定的数据包数目kf，及每个数据包的长度为lf，对文件f进行切分，根据缓存冗余可知，对kf个数据包进行编码，获得kf(1+γf)个编码包；
根据鲁棒孤子度分布，随机产生kf(1+γf)个度，对于任意一个度值d，从kf个数据包中随机选择d个，逐一进行异或操作，形成一个编码包，这一过程重复kf(1+γf)次，最终得到所有kf(1+γf)编码包，LT编码过程结束；
步骤五，内容请求用户发送请求，通过D2D通信从周围的缓存用户处获取编码包，边接收边解码，直至恢复出请求文件。
2.根据权利要求1所述的一种移动边缘计算网络中基于LT码的雾化缓存方法，其特征在于，步骤一中，假定文件的流行度服从Zipf分布。
3.根据权利要求1所述的一种移动边缘计算网络中基于LT码的雾化缓存方法，其特征在于，步骤四中，每个用户缓存关于待缓存的文件f的
Figure FDA0003089989550000021
个编码包，U为缓存用户数目。
4.根据权利要求1所述的一种移动边缘计算网络中基于LT码的雾化缓存方法，其特征在于，步骤五中，内容请求用户向周围的用户广播内容f的下载请求，收到请求的用户检查缓存中是否有文件f的编码包，若有，则通过D2D通信向内容请求者传输编码包，内容请求者边接收边解码，直至恢复出原始请求文件，不再接收编码包。
5.根据权利要求1所述的一种移动边缘计算网络中基于LT码的雾化缓存方法，其特征在于，步骤五中，解码采用高斯消去法。
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