CN112839082B - 一种异构边缘缓存分配方法、系统、介质及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能网联汽车系统技术领域，公开了一种异构边缘缓存分配方法、系统、介质及应用，本发明包括请求者向车辆节点请求内容；向路边5G基站请求后续内容；向数据服务中心请求剩余内容。本发明将一个完整的内容服务分布于不同的车辆及路边基站中，车辆节点在获取到前一个内容块之后即可播放该内容块，并在播放内容块的同时请求下一个内容块。服务商可为不同的内容设计不同的满意度函数，从数据本身的角度考虑用户获取内容的体验。本发明在考虑内容缓存分配的同时也将功率分配问题考虑在内，为不同的内容分配不同的传输功率，以达到用户体验的最优化。本发明将异构缓存思想考虑在内，同时在车辆节点和路边5G基站中进行缓存。

Description

一种异构边缘缓存分配方法、系统、介质及应用

技术领域

本发明属于智能网联汽车系统技术领域，尤其涉及一种异构边缘缓存分配方法、系统、介质及应用。

背景技术

目前：车联网技术、5G无线通信技术的快速发展更新使得车联网应用需求量及服务需求质量迅猛增长。但是传统的集中式网络架构将数据存储于云端，因受限于车辆节点的移动性、过重的回程链路负载和数据获取时延，该架构无法满足车联网日益增长的用户体验(QoE)需求。移动边缘缓存作为一种新颖的缓存框架，将存储从云服务器下沉到无线网络边缘，为移动用户提供邻近数据获取方式，以减少网络延迟、提升用户QoE。在移动边缘缓存中，服务供应商可将数据内容迁移至边缘服务器或终端节点，以为用户提供更高效的数据服务。

现有技术方案：[曹腾飞,江翠丽,刘志强,王晓英.基于信息中心5G车联网中社会感知的流媒体缓存与转发策略[J].电信科学,2019,35(12):90-98.]提出了一种基于社区的缓存策略来优化视频的缓存分布。该策略首先根据GPS定位寻找社区(该文献中提出了社区模型构建方法确定社区范围)C_x中距离车辆x最近的车辆y，然后根据与车辆x移动方向及速度来选择与节点x移动方向类似且相对移动速度较快的节点z作为中继转发节点；在请求视频数据的返回过程中，根据节点z是否属于社区C_x决定是否缓存该视频。当数据请求超时，请求节点x则向次近的源节点且移动速度相对较快的节点z请求数据，直到完成视频的请求过程。在智能网联汽车系统中，车辆和路侧单元可以为其他节点提供数据存储和低延迟的无线连接，避免了从云端或核心网获取数据带来的高延迟。目前现有的缓存策略由于车辆的动态性无法满足用户的体验需求。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术未考虑路边单元/基站的缓存。

(2)现有技术无法切实提高用户QoE。

(3)现有技术无法充分利用缓存资源。其他技术在缓存决策时仅考虑两种决策结果及缓存/不缓存，当有节点剩余空间不足以缓存完整数据内容时，将无法利用剩余缓存空间。

解决以上问题及缺陷的难度为：该系统需使能异构通信，基站需配置5G多天线，同时为多个车辆终端提供服务；基站及车辆终端需有一定的缓存能力，且不同5G基站需进行协作缓存，以切实提高车辆终端的用户体验。

解决以上问题及缺陷的意义为：可有效减少骨干网络的负载，使车辆终端的服务请求在边缘端满足；可充分利用车辆终端及5G基站的缓存空间与通信能力；本发明将完整内容块分配至不同基站及车辆终端，可在视频/音频的播放的时段进行服务请求，提升用户QoE。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种异构边缘缓存分配方法、系统、介质及应用。

本发明是这样实现的，一种异构边缘缓存分配方法，所述异构边缘缓存分配方法包括：

向车辆节点请求内容；

向路边5G基站请求后续内容；

向数据服务中心请求内容。

进一步，所述异构边缘缓存分配方法的ICV以概率p缓存某文件开始的若干内容块，其余5G基站协作地在它们的存储器中缓存不同的内容块；当用户请求某一服务时，将从不同的ICV或5G路边基站连续获取不同的内容块；

当请求视频/音频服务时，用户将首先请求存储在车辆终端中的内容，在视频/音频播放阶段，用户将从第一个基站请求片段；类似地，用户将在播放当前内容块的同时请求下一内容块；如果请求者无法通过车辆终端和5G基站获得完整的信息，则需要从远程数据中心请求；从原始内容服务器获取视频音频内容的移动用户将经历较长的延迟。

进一步，请求者在有内容需求时会发出一个兴趣包，该兴趣包通过唯一名称标识特定的内容；当中间节点接收到这样的兴趣包并且发现在其存储器中存在与所请求的内容相对应的片段时，该中间节点通过传入接口发回数据的副本。

进一步，所述异构边缘缓存分配方法每个车辆终端以概率p缓存文件的前l个内容块，第一个基站B₁缓存前a₁个内容块(a₁>l)，第二个基站B₂缓存后续的a₂个内容块，以此类推。

进一步，第一阶段：向车辆节点请求内容，此阶段可分为三种情况，分别如下：

情况一，请求节点已缓存其请求文件的前l个内容块；在这种情况下，请求者获取该部分内容的时延为0，播放此部分内容的时间可记为tb₀＝g(l)；情况二，请求节点并未缓存对应内容，但在其通信范围内的其他车辆已缓存相关内容；在这种情况下，请求者获取该部分内容的时延可记为tr₀，播放此部分内容的时延也为tb₀；情况三，请求节点及其邻居节点均未缓存对应内容，请求者需向基站进行请求。

进一步，第二阶段，向路边5G基站请求后续内容，此阶段可分为两种情况，分别如下：

情况一，请求节点已通过第一阶段获取到其请求文件的前l个内容块，在这种情况下，请求者向基站B₁获取该部分内容的时延可记为tr₁ ^a＝f(a₁-l)，播放此部分内容的时间可记为tb₁ ^a＝g(a₁-l)；

情况二，请求节点未获取到其请求文件的前l个内容块，在这种情况下，请求者向基站B₁获取该部分内容的时延记为tr₁ ^b＝f(a₁)，播放此部分内容的时间可记为tb₁ ^b＝g(a₁)；

之后，请求节点向基站B₂,B₃,…,B_K请求之后的内容块，其时延记为tr_i＝f(a_i)，对应播放时间为tb_i＝g(a_i)。

进一步，第三阶段，向数据服务中心请求内容；若请求者向所有基站都进行了请求，依然无法获取全部数据资源，则该请求者需要向数据服务中心进行内容的请求，请求的数据量为a_K+1＝S_m-a₁-a₂-…-a_K，其中K为路边基站的数量，S_m为文件大小，该部分对应的时延为T_bh＝D(a_K+1)；

在上述内容中，f(a_i)＝c×a_i ²/R_i，R_i是当前请求节点与基站B_i的数据传输率，是关于数据发送功率的函数R_i＝h(P_i)；g(a_i)＝β×a_i，其中β为单位内容的播放时长，内容m的优化目标如下所示：

其中积分下限是上一块内容播放的结束时间，上限是当前内容块接收时间与上一内容块播放结束时间两者中的最大值，td_m(i-1)为内容m在第i-1个基站中获取内容的播放结束时间，ts_m(i)为内容m在第i个基站中的获取时间(td_m(i-1)及ts_m(i)均可通过上述描述进行计算)，Q(t)是当前内容的满意度函数：

当Q(t)＝1时，该问题可转变为等待时间最优化的问题；内容的优化目标及约束条件如下：

N_R表示区域R中的车辆数，q_r(m)是文件m的请求概率，前两个限制条件表示内容大小及缓存能力的约束，第三个限制条件表示分配到某一内容的数据传输总功率约束，求解该优化问题得出最优的缓存及功率分配方式。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

向车辆节点请求内容；

向路边5G基站请求后续内容；

向数据服务中心请求内容。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述异构边缘缓存分配方法的异构智能网联汽车缓存分配系统，所述异构智能网联汽车缓存分配系统包括：

内容请求模块，用于向车辆节点请求内容；

后续内容请求模块，用于向路边5G基站请求后续内容；

中心请求内容模块，用于向数据服务中心(云端)请求内容。

本发明的另一目的在于提供一种智能网联汽车系统，所述智能网联汽车系统用于实现所述的异构边缘缓存分配方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：为证明系统的有效性，本发明对系统进行了仿真，并比较了几个不同缓存分配方案。对比方案分别为：均匀分配，将视频/音频内容均匀分配至每一个5G基站；贪婪分配，将视频/音频内容按照请求概率整块放置于路边5G基站。仿真结果如图所示(以等待时间为例)：由图5可知，本发明所提的缓存策略可有效减少用户请求内容的等待时间，且随着路边5G基站的增多，等待时间将越来越短。总体来说本发明的系统性能优于上述两种缓存分配方案。

现有技术未考虑路边单元/基站的缓存。本发明针对车联网节点的动态性，在设计缓存分配时充分利用5G基站的缓存空间，将不同的服务内容分发至路边5G基站，多个基站协作共同为终端节点服务。现有技术无法切实提高用户QoE。基于本发明，内容供应商可根据内容特性定制不同的满意度函数，从实际的角度提高用户获取内容的QoE。现有技术无法充分利用缓存资源。其他技术在缓存决策时仅考虑两种决策结果及缓存/不缓存，当有节点剩余空间不足以缓存完整数据内容时，将无法利用剩余缓存空间。而本发明将内容分成若干小块，可利用小块剩余缓存空间。在智能网联汽车系统中，车辆和路侧单元可以为其他节点提供数据存储和低延迟的无线连接，避免了从云端或核心网获取数据带来的高延迟。

目前现有的缓存策略由于车辆的动态性无法满足用户的体验需求。本发明以此为出发点，以最优化用户QoE为目标，将视频/音频的不同部分放置于不同的路边单元及车载存储空间，结合车辆的移动特性定制最优缓存策略。

本发明将一个完整的内容服务分别分布于不同的基站中，车辆节点在获取到前一个内容块之后即可播放该内容块，并在播放内容块的同时请求下一个内容块。本发明在考虑内容缓存分配的同时也将功率分配问题考虑在内，为不同的内容分配不同的传输功率，以达到用户体验的最优化。本发明将异构缓存思想考虑在内，同时在车辆节点和路边5G基站中进行缓存，在时延计算过程中考虑了终端的异构通信。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的异构边缘缓存分配方法流程图。

图2是本发明实施例提供的异构智能网联汽车缓存分配系统的结构示意图；

图2中：1、内容请求模块；2、后续内容请求模块；3、中心请求内容模块。

图3是本发明实施例提供的数据缓存模型示意图。

图4是本发明实施例提供的子块缓存与整块缓存对比示意图。

图5是本发明实施例提供的仿真结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种异构边缘缓存分配方法、系统、介质及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的异构边缘缓存分配方法包括以下步骤：

S101：向车辆节点请求内容；

S102：向路边5G基站请求后续内容；

S103：向数据服务中心(云端)请求内容。

本发明提供的异构边缘缓存分配方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的异构边缘缓存分配方法仅仅是一个具体实施例而已。

如图2所示，本发明提供的异构智能网联汽车缓存分配系统包括：

内容请求模块1，用于向车辆节点请求内容；

后续内容请求模块2，用于向路边5G基站请求后续内容；

中心请求内容模块3，用于向数据服务中心(云端)请求内容。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图3所示，一个视频/音频服务可被编码成多个子块，一些子块可存储在不同的车辆终端和5G路边基站中。本发明假设ICV以概率p缓存某文件开始的若干内容块，其余5G基站协作地在它们的存储器中缓存不同的内容块；当用户请求某一服务时，将从不同的ICV或5G路边基站连续获取不同的内容块，具体流程如下：

当请求视频服务时(如图4上侧所示)时，用户在请求内容时，首先查询本地缓存，若本地无缓存，则向周围节点发出请求，请求者的邻居节点收到请求后检查缓存情况，若有对应内容的前l个内容块则向请求者回复数据包。在视频播放阶段，用户将从第一个基站请求片段。若请求者的本地缓存及其周围节点均无对应内容缓存，则请求者向第一个基站发起请求，获取开头的若干内容块。类似地，用户将在播放当前内容块的同时请求下一内容块。如果请求者无法通过车辆终端和5G基站获得完整的信息，则需要从远程数据中心请求。从原始内容服务器获取视频内容的移动用户将经历较长的延迟，从而导致相应视频应用程序的QoE下降。与单块缓存(如图4下侧所示，即在一个节点中缓存整个视频)相比，子块缓存可以减少请求者的等待时间。

在本发明中，请求者在有内容需求时会发出一个兴趣包，该兴趣包通过唯一名称标识特定的内容。当中间节点接收到这样的兴趣包并且发现在其存储器中存在与所请求的内容相对应的片段时，该中间节点通过传入接口发回数据的副本。

假设每个车辆终端以概率p缓存文件的前l个内容块，第一个基站B₁缓存前a₁个内容块(a₁>l)，第二个基站B₂缓存后续的a₂个内容块，以此类推。本发明将内容请求过程分为以下几个阶段：

第一阶段：向车辆节点请求内容。此阶段可分为三种情况，分别如下：

情况一，请求节点已缓存其请求文件的前l个内容块；在这种情况下，请求者获取该部分内容的时延为0，播放此部分内容的时间可记为tb₀＝g(l)；情况二，请求节点并未缓存对应内容，但在其通信范围内的其他车辆已缓存相关内容；在这种情况下，请求者获取该部分内容的时延可记为tr₀，播放此部分内容的时延也为tb₀；情况三，请求节点及其邻居节点均未缓存对应内容，请求者需向基站进行请求。

第二阶段，向路边5G基站请求后续内容。此阶段可分为两种情况，分别如下：

情况一，请求节点已通过第一阶段获取到其请求文件的前l个内容块，在这种情况下，请求者向基站B₁获取该部分内容的时延可记为tr₁ ^a＝f(a₁-l)，播放此部分内容的时间可记为tb₁ ^a＝g(a₁-l)；

情况二，请求节点未获取到其请求文件的前l个内容块，在这种情况下，请求者向基站B₁获取该部分内容的时延记为tr₁ ^b＝f(a₁)，播放此部分内容的时间可记为tb₁ ^b＝g(a₁)；

之后，请求节点向基站B₂,B₃,…,B_K请求之后的内容块，其时延记为tr_i＝f(a_i)，对应播放时间为tb_i＝g(a_i)。

第三阶段，向数据服务中心(云端)请求内容。

若请求者向所有基站都进行了请求，依然无法获取全部数据资源，则该请求者需要向数据服务中心进行内容的请求，请求的数据量为a_K+1＝S_m-a₁-a₂-…-a_K，其中K为路边基站的数量，S_m为文件大小，该部分对应的时延为T_bh＝D(a_K+1)；

在上述内容中，f(a_i)＝c×a_i ²/R_i，R_i是当前请求节点与基站B_i的数据传输率，是关于数据发送功率的函数R_i＝h(P_i)；g(a_i)＝β×a_i，其中β为单位内容的播放时长，内容m的优化目标如下所示：

其中积分下限是上一块内容播放的结束时间，上限是当前内容块接收时间与上一内容块播放结束时间两者中的最大值，td_m(i-1)为内容m在第i-1个基站中获取内容的播放结束时间，ts_m(i)为内容m在第i个基站中的获取时间(td_m(i-1)及ts_m(i)均可通过上述描述进行计算)，Q(t)是当前内容的满意度函数：

当Q(t)＝1时，该问题可转变为等待时间最优化的问题；内容的优化目标及约束条件如下：

N_R表示区域R中的车辆数，q_r(m)是文件m的请求概率，前两个限制条件表示内容大小及缓存能力的约束，第三个限制条件表示分配到某一内容的数据传输总功率约束，求解该优化问题得出最优的缓存及功率分配方式。

本发明为证明系统的有效性，本发明对系统进行了仿真，并比较了几个不同缓存分配方案。对比方案分别为：均匀分配，将视频/音频内容均匀分配至每一个5G基站；贪婪分配，将视频/音频内容按照请求概率整块放置于路边5G基站。仿真结果如图5所示(以等待时间为例)。由图5可知，本发明所提的缓存策略可有效减少用户请求内容的等待时间，且随着路边5G基站的增多，等待时间将越来越短。总体来说本发明的系统性能优于上述两种缓存分配方案。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种异构边缘缓存分配方法，其特征在于，所述异构边缘缓存分配方法包括：

向车辆节点请求内容；

向路边5G基站请求后续内容；

向数据服务中心请求内容；

所述异构边缘缓存分配方法中，智能网联汽车(ICV)以概率p缓存某文件开始的若干内容块，其余5G基站协作地在它们的存储器中缓存不同的内容块；当用户请求某一服务时，将从不同的ICV或5G路边基站连续获取不同的内容块；

当请求视频/音频服务时，用户将首先请求存储在车辆终端中的内容，在视频/音频播放阶段，用户将从第一个基站请求片段；类似地，用户将在播放当前内容块的同时请求下一内容块；如果请求者无法通过车辆终端和基站获得完整的信息，则需要从远程数据中心请求；从原始内容服务器获取视频/音频内容的移动用户将经历较长的延迟。

2.如权利要求1所述的异构边缘缓存分配方法，其特征在于，请求者在有内容需求时会发出一个兴趣包，该兴趣包通过唯一名称标识特定的内容；当中间节点接收到这样的兴趣包并且发现在其存储器中存在与所请求的内容相对应的片段时，该中间节点通过传入接口发回数据的副本。

3.如权利要求1所述的异构边缘缓存分配方法，其特征在于，所述异构边缘缓存分配方法每个车辆终端以概率p缓存文件的前l个内容块，第一个基站B₁缓存前a₁个内容块(a₁>l)，第二个基站B₂缓存后续的a₂个内容块，以此类推。

4.如权利要求3所述的异构边缘缓存分配方法，其特征在于，第一阶段：向车辆节点请求内容，此阶段可分为三种情况，分别如下：

情况一，请求节点已缓存其请求文件的前l个内容块；在这种情况下，请求者获取该部分内容的时延为0，播放此部分内容的时间可记为tb₀＝g(l)；情况二，请求节点并未缓存对应内容，但在其通信范围内的其他车辆已缓存相关内容；在这种情况下，请求者获取该部分内容的时延可记为tr₀，播放此部分内容的时延也为tb₀；情况三，请求节点及其邻居节点均未缓存对应内容，请求者需向基站进行请求。

5.如权利要求3所述的异构边缘缓存分配方法，其特征在于，第二阶段，向路边5G基站请求后续内容，此阶段可分为两种情况，分别如下：

情况一，请求节点已通过第一阶段获取到其请求文件的前l个内容块，在这种情况下，请求者向基站B₁获取该部分内容的时延可记为tr₁ ^a＝f(a₁-l)，播放此部分内容的时间可记为tb₁ ^a＝g(a₁-l)；

情况二，请求节点未获取到其请求文件的前l个内容块，在这种情况下，请求者向基站B₁获取该部分内容的时延记为tr₁ ^b＝f(a₁)，播放此部分内容的时间可记为tb₁ ^b＝g(a₁)；

之后，请求节点向基站B₂,B₃,…,B_K请求之后的内容块，其时延记为tr_i＝f(a_i)，对应播放时间为tb_i＝g(a_i)。

6.如权利要求3所述的异构边缘缓存分配方法，其特征在于，第三阶段，向数据服务中心请求内容；若请求者向所有基站都进行了请求，依然无法获取全部数据资源，则该请求者需要向数据服务中心进行内容的请求，请求的数据量为a_K+1＝S_m-a₁-a₂-…-a_K，其中K为路边基站的数量，S_m为文件大小，该部分对应的时延为T_bh＝D(a_K+1)；

在上述内容中，f(a_i)＝c×a_i ²/R_i，R_i是当前请求节点与基站B_i的数据传输率，是关于数据发送功率的函数R_i＝h(P_i)；g(a_i)＝β×a_i，其中β为单位内容的播放时长，内容m的优化目标如下所示：

其中积分下限是上一块内容播放的结束时间，上限是当前内容块接收时间与上一内容块播放结束时间两者中的最大值，td_m(i-1)为内容m在第i-1个基站中获取内容的播放结束时间，ts_m(i)为内容m在第i个基站中的获取时间(td_m(i-1)及ts_m(i)均可通过上述描述进行计算)，Q(t)是当前内容的满意度函数：

当Q(t)＝1时，该问题可转变为等待时间最优化的问题；内容的优化目标及约束条件如下：

N_R表示区域R中的车辆数，q_r(m)是文件m的请求概率，前两个限制条件表示内容大小及缓存能力的约束，第三个限制条件表示分配到某一内容的数据传输总功率约束，求解该优化问题得出最优的缓存及功率分配方式。

7.一种实施权利要求1～6任意一项所述异构边缘缓存分配方法的异构智能网联汽车缓存分配系统，其特征在于，所述异构智能网联汽车缓存分配系统包括：

内容请求模块，用于向车辆节点请求内容；

后续内容请求模块，用于向路边5G基站请求后续内容；

中心请求内容模块，用于向数据服务中心(云端)请求内容。

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