CN111885641B - 一种缓冲辅助中继网络中的缓冲资源分配方法 - Google Patents

Abstract

一种缓冲辅助中继网络中的缓冲资源分配方法，包括以下步骤：S1：根据中继结点的数据到达模型和数据处理模型，以及中继结点能忍受的缓冲区溢出概率，得到中继结点可以贡献出的最大缓冲区比例；S2：根据用户的数据到达模型和数据服务模型，给出用户缓冲区溢出概率与缓冲区比例关系的表达式。S3：建立优化问题，以最小化网络中所有用户缓冲区溢出概率和为目标，给出最优的缓冲区分配方法。通过这种方法获得的最优缓冲资源分配方法，可以获得最小的用户缓冲区溢出概率和，进一步提高辅助中继网络的分发性能。

Description

一种缓冲辅助中继网络中的缓冲资源分配方法

技术领域

本发明属于异构网络、边缘计算、辅助中继网络、无线通信、通信系统、边缘计算、资源分配、鞅理论领域，具体涉及一种缓冲辅助中继网络中的缓冲资源分配方法。

背景技术

近年来，由于智能终端的迅速发展，移动内容消费日趋增加，人们可以随时随地享受无线蜂窝网络带来的娱乐体验，但同时也给蜂窝网络带来了巨大的流量压力。有学者提出预先在网络边缘结点，比如移动手机终端，机顶盒，路由器等边缘存储设备中，存储热门视频的方式，缓解网络中，尤其是主干网中重复流量的问题，能有效降低网络流量，提高网络传输效率，同时也增加用户的满意度。然而，由于边缘结点存储空间有限，或者缺乏足够的激励，网络的边缘结点并不愿意贡献出足够的存储空间。因此，只有部分文件或部分热门视频，被存储在边缘结点中，当这些没有被存储/没有被完整存储的文件被请求时，需要向远端的服务器提出请求，由服务器通过网络传输未被存储的部分。因为服务器一般都位于较远的地区，文件传输过程中，会经历较长的时延，若文件到达网络边缘，比如基站，先被放入边缘结点的存储空间，再从存储空间读取，分发给请求用户，将进一步增加时延，容易导致用户满意度进一步降低。然而，在边缘结点中，除了存储空间，还有缓冲空间。缓冲空间是一种造价相对较高的短暂记忆高性能存储器。为了提高用户的满意程度，已有一部分学者开始研究如何使用缓冲辅助中继方法来提高从远端服务器传输文件的性能。

缓冲空间作为影响边缘结点或中继结点工作性能的重要部件，边缘/中继结点只愿意贡献出有限的空间，用于缓冲辅助中继。要想激励中继结点贡献出足够的缓冲空间，需要在保证边缘/中继结点自有业务使用性能的前提下，对其贡献出的缓冲空间进行合理分配，以优化缓冲辅助中继的分发性能。因为边缘结点在缓冲辅助中继网络中有中继结点的功能，为了方便讨论，本专利将不再区分边缘结点和中继结点，统一使用中继结点。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种缓冲辅助中继网络中的缓冲资源分配方法，目的在于填补缓冲辅助中继在内容分发网络中的空白，进一步提高从远端服务器传输文件的性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种缓冲辅助中继网络中的缓冲资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：根据中继结点的数据到达模型和数据处理模型，以及中继结点能忍受的缓冲区溢出概率，得到中继结点可以贡献出的最大缓冲区比例；

S2：根据用户的数据到达模型和数据服务模型，给出用户缓冲区溢出概率与缓冲区比例关系的表达式；

S3：结合S1及S2所得结果，建立优化问题，以最小化网络中所有用户缓冲区溢出概率和为目标，给出最优的缓冲区分配方法。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，步骤S1具体如下：

中继结点在时间l产生的数据量为r(l)，中继结点在时间k处理结点内部产生的数据速率表示为常数c，假设：

式中，中继结点的数据处理速率c大于等于数据到达速率的期望同时小于等于数据到达速率的峰值sup r(l)；这种情况，会在中继结点内部产生数据积压，引起缓冲区溢出；

中继结点内部积压用Q_r表示，采用鞅理论，给出缓冲区溢出概率表达式如下：

式中，中继结点自有业务产生的积压用Q_r表示，α表示用于缓冲辅助中继使用的缓冲区比例，X表示缓冲结点的总缓冲区容量，αX表示中继结点贡献出的用于缓冲辅助中继的缓冲区大小，(1-α)X则表示中继结点留给自有业务使用的缓冲区大小，其中，0≤α≤1表示中继结点贡献出的比例；根据鞅理论，表示对h_r(r(0))求期望，h_r(r(0))表示r(0)的右特征向量，r(0)表示时间为0时的请求的初始数据量；H_r＝min{h_r(r(l))|r(l)-c＞0，l≥0}，h_r(r(l))表示r(l)的右特征向量，/>θ_r是一个辅助变量，/>其中，/>表示/>的谱半径，

给定中继结点能够容忍的缓冲区溢出概率ξ_r，根据式(5)得到中继结点贡献出的最大缓冲区比例，如下所示：

进一步地，步骤S2具体如下：

假设用户U_i在时间l请求的数据量为a_i(l)，在时间l从中继结点到用户的服务速率表示为：

其中，B是分配给每个用户的带宽，为用户的接收功率，/>P_tr为传输功率，d_i为中继结点到用户U_i的距离，g为路径损耗参数，/>为噪声密度；假设：

式(10)表示，中继结点传输给用户U_i的速率大于等于用户U_i到达数据速率的期望，但是小于等于用户U_i请求数据到达的峰值；这种情况，也会在中继结点内部产生积压，引起分配给用户U_i的缓冲区溢出；

使用鞅理论，用户U_i在中继结点内部的缓冲区溢出概率Pr(Q_i≥α_iX)写成：

式(11)中，用户U_i产生的积压用Q_i表示，α_iX表示中继结点贡献给用户U_i的用于缓冲辅助中继的缓冲区大小；根据鞅理论，表示对h_i(a_i(0))求期望，h_i(a_i(0))表示a_i(0)的右特征向量，a_i(0)表示时间为0时的请求的初始数据量；H_i＝min{h_i(a_i(l))|a_i(l)-s_i＞0，l≥0}，h_i(a_i(l))表示a_i(l)的右特征向量，/>θ_i是一个辅助变量，/>其中，/>表示/>的谱半径，/>

进一步地，步骤S3具体如下：

中继结点的缓冲区需要划分成不等的N份，为了获得最小的缓冲区溢出概率和，建立如下优化问题：

α_i≥0 (15)

从式(12)看出目标函数是一个凹函数，通过建立拉格朗日方程和Karush-Kuhn-Tucher条件获得优化问题的解，如下：

式(16)中，表示分配给用户U_i的缓冲区比例。

本发明的有益效果是：给定中继结点数据到达和数据处理模型以及中继结点能够容忍的缓冲区溢出概率，提高从远端服务器传输文件的性能。

附图说明

图1为系统示意图。

图2为本发明提出的缓冲资源分配方法与均匀分配方法的对比图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

1、系统模型

本文使用的系统模型如图1所示，该系统由远端服务器、回程链路、基站、中继结点和多个用户组成。在中继结点覆盖范围内有N个用户，表示为U_i，i＝1，...，N，这些用户均有文件传输需求。该网络使用缓冲辅助中继方法提高文件传输性能，具体是指，中继结点将缓冲空间分成不等的N份，为N个网络用户传输文件使用。

1.1中继结点能贡献出的缓冲区比例

在保证中继结点自有业务传输性能的前提下，其能够贡献出的缓冲区容量是有限的。下面我们根据中继结点对缓冲区溢出概率的要求，确定中继结点能贡献出的最大的缓冲区比例。首先，给出中继结点的数据到达模型和数据处理模型。

1.1.1中继结点的数据到达模型

中继结点R由于自有业务传输性能要求，也要使用缓冲空间。所以中继结点在为周围用户提供缓冲辅助中继服务之前，根据数据到达模型和数据处理模型，需要预留出部分缓冲空间，供中继结点自有业务使用。中继结点在时间l产生的数据量为r(l)，r(l)服从马尔科夫调制开关过程，具有两个状态和/>状态/>表示没有数据到达，在这种状态下，r(l)＝0。状态/>表示有数据到达，即r(l)≠0。假设状态/>转移到状态/>的概率为p_r，状态转移到状态/>的概率为q_r，用转移矩阵表示为/>r(l)在状态/>和的稳态分布可以分别表示为q_r/(p_r+q_r)和p_r/(p_r+q_r)。在一段时间[v，u]内，中继结点累计到达数据量可以表示为：

1.1.2中继结点的数据处理模型

中继结点在时间k，处理结点内部产生的数据速率可以表示为常数c。在一段时间[v，u]内，累计处理的数据量可以表示为：

为了使讨论有效，我们假设：

式(3)表示，中继结点的数据处理速率大于等于数据到达速率的期望，同时小于等于数据到达速率的峰值。这种情况，会在中继结点内部产生数据积压，引起缓冲区溢出。

1.1.3中继结点缓冲区溢出概率

中继结点内部积压用Q_r表示，定义如下：

Q_r＝sup{R(n)-C} (4)

从式(4)可以看出，缓冲中的积压值有随机的特性，很难给出确定的数值。因此，采用鞅理论，给出缓冲区溢出概率表达式如下：

式(5)中，中继结点自有业务产生的积压用Q_r表示，α表示用于缓冲辅助中继使用的缓冲区比例，X表示缓冲结点的总缓冲区容量，αX表示中继结点贡献出的用于缓冲辅助中继的缓冲区大小。(1-α)X则表示中继结点留给自有业务使用的缓冲区大小。其中，0≤α≤1表示中继结点贡献出的比例。根据鞅理论，表示对h_r(r(0))求期望，h_r(r(0))表示r(0)的右特征向量，r(0)表示时间为0时的请求的初始数据量。H_r＝min{h_r(r(l))|r(l)-c＞0，l≥0}，h_r(r(l))表示r(l)的右特征向量，/>θ_r是一个辅助变量，/>其中，/>表示/>的谱半径，/>

若给定中继结点能够容忍的缓冲区溢出概率ξ_r，根据式(5)可得到中继结点贡献出的最大缓冲区比例，如下所示：

1.2用户在中继结点处缓冲区溢出概率

基于1.1节的讨论，得到中继结点贡献给用户缓冲辅助中继的缓冲区大小为αX。假设用户U_i分配到的缓冲区大小为α_iX，0≤α_i≤α，且下面我们分析用户缓冲区溢出概率与缓冲区大小的关系。

1.2.1用户的数据到达模型

假设用户U_i在时间l请求的数据量为a_i(l)，a_i(l)服从马尔科夫调制开关过程，具有两个状态和/>状态/>表示没有数据到达，即a_i(l)＝0，状态/>表示有数据到达，且a_i(l)≠0。用户U_i的状态转移矩阵表示为/>两个状态的稳态分布可以表示为q_i/(p_i+q_i)和p_i/(p_i+q_i)。在一段时间[v，u]内，用户累积到达中继结点的数据量可以表示为：

1.2.2用户的数据服务模型

中继结点贡献给用户U_i的有限的缓冲容量为α_iX，用于缓冲从基站发送给用户的数据，再利用近距离优势，采用高速传输技术发送给用户，提高内容分发的效率。在时间l，从中继结点到用户的服务速率可以表示为：

其中，B是分配给每个用户的带宽，为用户的接收功率，/>P_tr为传输功率，d_i为中继结点到用户U_i的距离，g为路径损耗参数，/>为噪声密度。在一段时间[v，u]内，中继结点传输给用户的数据量表示为：

为了使讨论有效，我们假设：

式(10)表示，中继结点传输给用户U_i的速率，大于用户U_i到达数据速率的期望，但是小于用户U_i请求数据到达的峰值。这种情况，也会在中继结点内部产生积压，引起分配给用户U_i的缓冲区溢出。

1.2.3用户的缓冲区溢出概率

使用鞅理论，用户U_i在中继结点内部的缓冲区溢出概率可以写成：

式(11)中，用户U_i产生的积压用Q_i表示，α_iX表示中继结点贡献给用户U_i的用于缓冲辅助中继的缓冲区大小。根据鞅理论，表示对h_i(a_i(0))求期望，h_i(a_i(0))表示a_i(0)的右特征向量，α_i(0)表示时间为0时的请求的初始数据量。H_i＝min{h_i(a_i(l))|a_i(l)-s_i＞0，l≥0}，h_i(a_i(l))表示a_i(l)的右特征向量，/>θ_i是一个辅助变量，/>其中，/>表示/>的谱半径，/>

2、最优缓冲区资源分配方法

中继结点的缓冲区需要划分成不等的N份，为了获得最小的缓冲区溢出概率和，建立如下优化问题：

α_i≥0 (15)

从式(12)可以看出目标函数是一个凹函数，通过建立拉格朗日方程和Karush-Kuhn-Tucher(KKT)条件可以获得优化问题的解，如下：

图2为本发明提出的缓冲资源分配方法与均匀分配方法的对比图。从图中2以看出，使用本专利提出的最优分配法，缓冲区溢出概率和在10^-8量级，而均匀分配法则是在10^-5量级，本专利提出的算法比均匀分配法低了1000倍。本专利提出的算法可以获得更低的缓冲区溢出概率和。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种缓冲辅助中继网络中的缓冲资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：根据中继结点的数据到达模型和数据处理模型，以及中继结点能忍受的缓冲区溢出概率，得到中继结点可以贡献出的最大缓冲区比例；

S2：根据用户的数据到达模型和数据服务模型，给出用户缓冲区溢出概率与缓冲区比例关系的表达式；

S3：结合S1及S2所得结果，建立优化问题，以最小化网络中所有用户缓冲区溢出概率和为目标，给出最优的缓冲区分配方法；

步骤S1具体如下：

中继结点在时间l产生的数据量为r(l)，中继结点在时间k处理结点内部产生的数据速率表示为常数c，假设：

式中，中继结点的数据处理速率c大于等于数据到达速率的期望同时小于等于数据到达速率的峰值supr(l)；这种情况，会在中继结点内部产生数据积压，引起缓冲区溢出；

中继结点内部积压用Q_r表示，采用鞅理论，给出缓冲区溢出概率表达式如下：

式中，中继结点自有业务产生的积压用Q_r表示，α表示用于缓冲辅助中继使用的缓冲区比例，X表示缓冲结点的总缓冲区容量，αX表示中继结点贡献出的用于缓冲辅助中继的缓冲区大小，(1-α)X则表示中继结点留给自有业务使用的缓冲区大小，其中，0≤α≤1表示中继结点贡献出的比例；根据鞅理论，表示对h_r(r(0))求期望，h_r(r(0))表示r(0)的右特征向量，r(0)表示时间为0时的请求的初始数据量；H_r＝min{h_r(r(l))|r(l)-c>0,l≥0}，h_r(r(l))表示r(l)的右特征向量，/>θ_r是一个辅助变量，/>其中，/> 表示/>的谱半径，给定中继结点能够容忍的缓冲区溢出概率ξ_r，根据式(5)得到中继结点贡献出的最大缓冲区比例，如下所示：

步骤S2具体如下：

假设用户U_i在时间l请求的数据量为a_i(l)，在时间l从中继结点到用户的服务速率表示为：

其中，B是分配给每个用户的带宽，为用户的接收功率，/>P_tr为传输功率，d_i为中继结点到用户U_i的距离，g为路径损耗参数，/>为噪声密度；假设：

式(10)表示，中继结点传输给用户U_i的速率大于等于用户U_i到达数据速率的期望，但是小于等于用户U_i请求数据到达的峰值；这种情况，也会在中继结点内部产生积压，引起分配给用户U_i的缓冲区溢出；

使用鞅理论，用户U_i在中继结点内部的缓冲区溢出概率Pr(Q_i≥α_iX)写成：

式(11)中，用户U_i产生的积压用Q_i表示，α_iX表示中继结点贡献给用户U_i的用于缓冲辅助中继的缓冲区大小；根据鞅理论，表示对h_i(a_i(0))求期望，h_i(a_i(0))表示a_i(0)的右特征向量，a_i(0)表示时间为0时的请求的初始数据量；H_i＝min{h_i(a_i(l))|a_i(l)-s_i>0,l≥0}，h_i(A_i(l))表示a_i(l)的右特征向量，/>θ_i是一个辅助变量，/>其中，/> 表示/>的谱半径，

步骤S3具体如下：

中继结点的缓冲区需要划分成不等的N份，为了获得最小的缓冲区溢出概率和，建立如下优化问题：

α_i≥0 (15)

从式(12)看出目标函数是一个凹函数，通过建立拉格朗日方程和Karush-Kuhn-Tucher条件获得优化问题的解，如下：

式(16)中，表示分配给用户U_i的缓冲区比例。