CN111314349A

CN111314349A - 雾无线接入网中基于联合最大距离可分码与簇协作的编码缓存方法

Info

Publication number: CN111314349A
Application number: CN202010102392.8A
Authority: CN
Inventors: 蒋雁翔; 王保
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2040-02-19
Also published as: CN111314349B

Abstract

本发明公开了一种雾无线接入网中基于联合最大距离可分码与簇协作的编码缓存方法，包括：(1)以用户为中心形成由多个雾接入点构成的簇满足该簇内用户的请求；(2)根据文件的流行度使用最大距离可分代码设计存储在云端以及每个雾接入点的缓存内容；(3)针对多个用户请求文件相同的情况，采用缓存布置阶段在云端额外存储的编码数据包以及一对簇内的缓存内容来形成两种多播消息；(4)针对多个用户请求不同文件的情况，使用一对簇内的缓存内容来创建多播消息。本发明充分利用了最大距离可分离码的属性，对于相同和不同的文件请求均可以创造可观的多播消息，减小系统的前传负载。

Description

雾无线接入网中基于联合最大距离可分码与簇协作的编码缓存方法

技术领域

本发明涉及一种雾无线接入网中基于联合最大距离可分码与簇协作的编码缓存技术，属于移动通信中的边缘计算技术领域。

背景技术

随着视频消费已成为需求的主流，无线网络的高峰时段带来了繁重的流量，这通常导致网络拥塞和服务质量下降。为了减轻这种情况，雾无线电接入网引起了广泛的关注。雾无线电接入网中的雾接入点靠近用户，并且能够通过使用边缘缓存资源来改善网络拥塞和服务质量。此外，Maddah-Ali等人提出了编码缓存，以通过精心设计缓存内容和内容传递来减少网络拥塞。最大距离可分码作为一种线性码，其冗余与可靠度的折中使得其在编码缓存领域的应用得到了广泛的关注。在使用最大距离可分码的编码缓存方案中，研究者仅仅需要考虑编码数据包的数目而无需考虑编码数据包的种类。同时，随着5G的发展，越来越多的雾接入点分布在边缘，这很适合形成以用户为中心的服务场景。

但是传统的基于最大距离可分码以及簇协作的编码缓存方法更多的集中于设计缓存的布置阶段，而在传输的阶段没有考虑多播消息的创建。现有的可以产生多播消息仅仅适用于多个用户请求同一个文件的场景。而当用户的请求不同时，将由云服务器直接满足用户的请求，这势必会增加前传负载，造成不好的用户体验。为了充分利用最大距离可分离码的属性，应精心设计每个雾接入点的缓存内容。并利用这些缓存内容根据用户的请求在传输阶段尽可能的创造多播消息以降低前传负载。因此，需要设计一种适用于多种用户请求并在传输阶段可以创造多播消息的雾无线接入网编码缓存技术。

发明内容

本发明的目：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种雾无线接入网中基于联合最大距离可分码与簇协作的编码缓存方法，为用户请求相同文件以及不同文件均可创造可观的多播消息，减小系统的前传负载。

技术方案：一种雾无线接入网中基于联合最大距离可分码与簇协作的编码缓存方法，包括以下步骤：

S000：以系统服务用户

为中心，将

个雾接入点按照距离划分为

个簇，其中U≤C，每个簇C_u由S个雾接入点

构成，簇C_u服务用户u；

S100：按照文件的流行度，在

个文件中选择最流行的N^t个文件，将这N^t个文件中的每个文件均等分为L个文件片段，采用(K+l,L)最大距离可分码将L个文件片段编码为大小相同的K+l个编码数据包W_n,1,W_n,2,...,W_n,K+l，其中，W_n,i是文件W_n的第i个编码数据包，n是文件的索引；对于雾接入点k∈{1,2,...,k,...,K}，其缓存内容对应于N^t个文件的第k个编码数据包，云服务器缓存所有的文件以及N^t个文件的额外的l个编码数据包；

S200：将用户的请求划分为一致请求和非一致请求，将用户划分为一致请求的用户的集合

和非一致请求的用户的集合

其中

表示请求文件W_n的用户的集合；

表示其用户请求W_n的服务集群的集合，

将服务于用户的簇划分为服务于一致请求的用户的簇的合集

和服务于非一致请求的用户的簇的集合

S300：判断是否满足n≤N^t，当n≤N^t，则表示用户所请求的文件被缓存在雾接入点中，设本地簇需向所需服务用户发送所请求文件的S个编码数据包，判断S是否小于L，若S小于L，则首先，本地簇直接向所服务的用户发送S个编码数据包，而后并行执行一致请求和非一致请求向所服务的用户发送剩下的L-S个编码数据包，执行S400；若S大于等于L，则由本地簇直接向所服务的用户发送L个编码数据包，执行S400；当n＞N^t，则由云服务器直接向用户发送所请求的整个文件；

S400：依据最大距离可分离码的特性，用户根据接收到的L个编码数据包可重建其请求的文件。

进一步的，所述一致请求执行包括如下步骤：

首先，判断L-S是否大于l；

若L-S大于l，则首先，云服务器向

中的所有簇发送云服务器单独缓存的l个编码数据包，再者，采用簇协作策略来发送剩下的L-S-l个编码数据包，结束一致请求进程；

若L-S小于等于l，则云服务器向

中的所有簇发送云服务器单独缓存的l个编码数据包中的L-S个编码数据包，结束一致请求进程。

进一步的，采用簇协作策略发送剩下的L-S个编码数据包实现所述非一致请求。

进一步的，在执行一致请求时，采用簇协作策略来发送剩下的L-S-l个编码数据包的具体操作步骤如下：

将

中的簇两两配对，记其中一对簇{C_i,C_j}，所服务用户请求的文件均为W_n，C_i和C_j中文件W_n的缓存内容分别为{W_n,S(i-1)+1,W_n,S(i-1)+2,...,W_n,Si}和{W_n,S(j-1)+1,W_n,S(j-1)+2,...,W_n,Sj}；

判断L-S-l是否大于S，若大于，则首先，云服务器向{C_i,C_j}发送经过异或后的S个多播消息，C_i,C_j利用自身的缓存内容从多播消息中解码出相应的编码数据包{W_n,S(j-1)+1,W_n,S(j-1)+2,...,W_n,Sj}和{W_n,S(i-1)+1,W_n,S(i-1)+2,...,W_n,Si}，而后{C_i,C_j}向其所服务的用户发送解码后的编码数据包，最后由云服务器分别向用户i和用户j发送剩余所需的L-2S-l个编码数据包；否则云服务器向{C_i,C_j}发送经过异或后的L-S-l个多播消息，C_i,C_j利用自身的缓存内容从多播消息中解码出相应的L-S-l个编码数据包，并向其所服务的用户发送解码后的L-S-l个编码数据包。

进一步的，在执行非一致请求时，采用簇协作策略来发送剩下的L-S个编码数据包的具体操作步骤如下：

记一对簇{C_i,C_j}，用户i和用户j所请求的文件分别是

和

C_i和C_j中文件

和

的缓存内容分别为

和

判断L-S是否大于S；若大于，则云服务器向{C_i,C_j}发送S条多播消息，C_i,C_j利用自身的缓存内容从多播消息中解码出相应的编码数据包

和

{C_i,C_j}向其所服务的用户发送解码后的S个编码数据包，然后云服务器分别向用户i和用户j发送剩余所需的L-2S-l个编码数据包；若小于等于，则云服务器向{C_i,C_j}发送经过异或后的L-S个多播消息，C_i,C_j利用自身的缓存内容从多播消息中解码出相应的编码数据包，{C_i,C_j}向其所服务的用户发送解码后的L-S个编码数据包。

有益效果：本发明具有以下优点：

1、不同于传统的使用最大距离可分码的编码缓存方案的缓存布置方法，该发明不仅可以在各个雾接入点之间实现对称的缓存内容，同时可以在云服务器实现额外冗余的编码数据包的存储；

2、在云服务器额外存储的编码数据包在传输阶段为一致请求创造多播消息；

3、通过雾接入点之间的对称缓存内容，可以在一对簇内为一致请求和非一致请求均可创造可观的多播消息。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是S100中使用最大距离可分码进行缓存布置的流程图；

图3是本发明中簇协作策略的流程图；

图4是本发明与现有的基于最大距离可分离码的编码缓存方案的性能对比；

图5是本发明在不同文件流行度情况下的性能对比。

具体实施方式

现结合附图和实施例进一步阐述本发明的技术方案。

本发明所述的一种雾无线接入网中基于联合最大距离可分码与簇协作的编码缓存方法，包括如下步骤：

S000：以系统服务用户

为中心，将

个雾接入点按照距离划分为

个簇，其中U≤C，保证

个用户的请求都可以得到满足，每个簇C_u由S个雾接入点

构成，簇C_u服务用户u；

S100：K个雾接入点按照文件的流行度在

个文件中选择最流行的N^t个文件使用最大距离可分码进行缓存，其中每个被缓存的文件分为L个文件片段，并使用(K+l,L)最大距离可分码将这每个文件片段编码为K+l个编码数据包；具体操作包括以下子步骤：

S110：对于最流行的N^t个文件，将每个文件W_n分为L个大小相同的文件片段；

S120：使用(K+l,L)最大距离可分码将每个文件的L个文件片段编码为K+l个编码数据包W_n,1,W_n,2,...,W_n,K+l，其中，W_n,i是文件W_n的第i个编码数据包，n是文件的索引，每个编码数据包的大小与原片段相同；

S120：对于雾接入点k∈{1,2,...,k,...,K}，其缓存内容为

第k个雾接入点的缓存内容对应于N^t个文件的第k个编码数据包，剩余的l个编码数据包和所有的文件将存储在云服务器中。

S200：将用户的请求d＝{d₁,d₂,...,d_u,...,d_U}^T划分为一致请求和非一致请求，其中

表示第u个用户所请求文件的索引，一致请求表示有超过两个用户请求相同的文件，非一致请求表示用户请求的文件都不相同，

表示请求文件W_n的用户的集合，

表示一致请求的用户的集合，

表示非一致用户请求的集合。

表示其用户请求W_n的服务集群的集合。容易看出

类似的，将服务于用户的簇划分为

与

分别表示服务于一致请求和非一致请求的簇的集合。

S300：通过判断是否满足n≤N^t来判断用户请求的文件是否被缓存在雾接入点中，若满足，则表示用户请求的文件被缓存在雾接入点中，若不满足，则表示用户请求的文件未被缓存在雾接入点中。

对于n≤N^t的情况，依据最大距离可分离码的特性，用户只要从这K+l个编码数据包中接收到任意独立的L个就可以重建其请求的文件。因此，针对用户请求的文件被缓存在雾接入点中的情况，记用户的本地簇向该簇服务的用户发送本簇内所请求文件的S个编码数据包，首先判断是否满足L＞S，若满足(L＞S)，则首先本地簇直接向所服务的用户发送S个编码数据包，而后并行执行一致请求和非一致请求向所服务的用户发送剩下的L-S个编码数据包；若不满足(L≤S)，则本地簇直接向所服务的用户发送L个编码数据包已满足用户请求。

针对用户请求的文件未被缓存在雾接入点中的情况，云服务器向

中的所有用户发送一条多播消息，用户从该多播消息中解码得到所请求的整个文件。

本步骤中的一致请求执行步骤包括：

云服务器使用独立存储在云服务器的l个编码数据包创造至多l条同时对

个用户有用的多播消息；

当用户剩下所需的L-S个编码数据包小于或者等于l时，即L-S≤l，由云服务器向

中的所有簇发送独立存储在云服务器的W_n的L-S个编码数据包来满足

中用户的请求，完成一致请求；当用户剩下所需的L-S个编码数据包大于l时，云服务器向

中的所有簇发送云服务器单独缓存的l个编码数据包，再者，采用簇协作策略来发送剩下的L-S-l个编码数据包。本步骤中的簇协作策略包括以下步骤：将

中的簇两两配对，记其中一对簇{C_i,C_j}，C_i和C_j所服务用户请求的文件均为W_n，C_i和C_j中文件W_n的缓存内容分别为{W_n,S(i-1)+1,W_n,S(i-1)+2,...,W_n,Si}以及{W_n,S(j-1)+1,W_n,S(j-1)+2,...,W_n,Sj}，服务器生成对C_i和C_j均有用的S条多播消息

当用户所需的L-S-l个编码数据包小于或者等于S时，即L-S-l≤S，云服务器向{C_i,C_j}发送L-S-l条多播消息，C_i,C_j利用自身的缓存内容从多播消息中解码出相应的编码数据包并发送给相应用户，即可满足用户i和用户j的请求；当用户所需的L-S-l个编码数据包大于S时，云服务器向{C_i,C_j}发送经过异或后的S条多播消息，C_i,C_j利用自身的缓存内容从多播消息中解码并发送出相应的编码数据包{W_n,S(j-1)+1,W_n,S(j-1)+2,...,W_n,Sj}和{W_n,S(i-1)+1,W_n,S(i-1)+2,...,W_n,Si}，而后{C_i,C_j}向其所服务的用户发送解码后的编码数据包，最后由云服务器分别向用户i和用户j发送不同于用户i和用户j已有的W_n的L-2S-l个编码数据包，此时用户i和用户j的请求得到满足；对

中所有的簇对执行以上操作，可以使对请求文件W_n的一致请求得到满足。

在本步骤中的非一致请求执行步骤包括：

将服务于非一致请求用户簇集合

中的簇两两配对，记其中一对簇{C_i,C_j}，C_i和C_j所服务用户请求的文件索引分别为d_i和d_j，C_i和C_j中文件d_j和d_i的缓存内容分别为

以及

服务器生成对C_i和C_j均有用的至多S条多播消息

当用户所需的L-S个编码数据包小于或者等于S时，即L-S≤S，云服务器向{C_i,C_j}发送L-S条多播消息，{C_i,C_j}利用自身的缓存内容从L-S条多播消息中解码得到相应的编码数据包，并向其所服务的用户发送解码后的L-S个编码数据包，此时，用户i和用户j的请求得到满足；当用户所需L-S个编码数据包大于S时，云服务器向{C_i,C_j}发送S条多播消息，C_i,C_j利用自身的缓存内容从S条多播消息中解码出相应的编码数据包

和

并向其所服务的用户发送解码后的S个编码数据包，然后由云服务器分别向用户i和用户j发送不同于用户i和用户j已有的L-2S个编码数据包，此时，用户i和用户j的请求得到满足。

对cⁱ中所有的簇对执行上述操作，可以使所有的非一致请求得到满足。

S400：依据最大距离可分离码的特性，用户通过接收到的L个编码数据包重建其请求的文件。

由附图4的仿真结果可得，与常规的使用最大距离可分离码的编码缓存方案(Baseline1)和现有的基于最大距离可分离码的仅使用最大距离可分离码为一致请求创造多播消息的方案(Baselin2)的缓存方法比较，本发明所述的基于联合冗余最大距离可分离码与簇协作的编码传输方案明显更优，与常规方案比较，可降低前传速率约30％左右。

由附图5的仿真结果可得，本发明在网络流行文件较为集中的情况下可以得到更大的收益。该仿真中文件的流行度以Zipf分布建模，即第n个文件的流行度是

其中α是Zipf分布的参数，该值越大，表明对应文件被请求的概率越高。