CN113259056A - 一种基于缓存信道联合编码的编码缓存传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于缓存信道联合编码的编码缓存传输方法，其包括以下步骤：步骤一，将拥有相同的请求用户和相同的已缓存用户的数据包组合，得到一个新的集合V，其中每一个节点称之为一个数据包簇；步骤二，基于数据包组合结果，将可以多播的多个数据包簇染上相同颜色，每一种颜色并建立一个新的集合S，并给于新的标签ρ(S)，μ(S)，其中ρ(S)为S集合中所有合并后的新节点v′对应的ρ(v′)的并集，μ(S)为S集合中所有合并后的新节点v′对应的μ(v′)的交集；步骤三，将步骤二中的集合结果按照ρ(S)中元素的个数数量，从大到小进行排序，在依次进行染色组合；步骤四，对于每个集合S，使用缓存信道联合编码广播，发送S中包括的多播用户的数据包。该方法能有效的提升编码缓存的传输效率，降低传输时间。

Description

一种基于缓存信道联合编码的编码缓存传输方法

技术领域

本发明属于通讯技术领域，具体涉及一种基于缓存信道联合编码的编码缓存传输方法。

背景技术

人们对移动网络的需求越来越大，特别是视频等流量的高速增长，给移动网络带来了极大的压力。

随着半导体技术的发展，存储变得越来越便宜，手机、电脑、车载设备等具有越来越大的储存容量，可以用来缓存视频等信息。

通过移动设备提前缓存一定的视频信息，在用户在网络繁忙时请求数据文件时，将多个用户的请求综合考虑，结合用户已经存储的数据，可以通过编码广播的方式将多个用户的数据广播下发，有效地提高网络传输效率，上述技术也被称为编码缓存技术。

A.Tang,S.Roy,and X.Wang于2018年在IEEE Transactions on Communications,vol.66,no.1,pp.1–13发表的论文Coded caching for wireless backhaul networkswith unequal link rates，S.S.Bidokhti,M.Wigger,S.Bidokhti,and A.Yener于2019年在,”IEEE Transactions on Information Theory,vol.65,no.11,pp.6999–7019上发表的论文Benefits of cache assignment on degraded broadcast channels，考虑了用户在无线网络中链路速率不同的实际约束，采用缓存信道联合编码广播的方法，提升编码缓存的效率。但是上述方案要求集中式的实施文件缓存，并要求重分配用户的缓存大小从而进行系统优化。上述方法适合用于运营商可进行集中任意配置的回传网。但是，针对移动用户来说，由于用户可能缓存和请求处于不同的基站或者不同的网络，因为缓存和请求不能进行集中优化，同时由于用户的设备缓存大小已固定，也不能进行用户间的重新分配，因此上述方法并不适用。

M.Ji,A.M.Tulino,J.Llorca,and G.Caire于2017年在IEEE Transactions onInformation Theory,vol.63,no.6,pp.3923–3949发表的论文Order-optimal rate ofcaching and coded multicasting with random demands，N.Zhang and M.Tao于2018年在IEEE Wireless Communications Letters,vol.7,no.5,pp.740–743上发表的论文Fitness-aware coded multicasting for decentralized caching with finite filepacketization，则考虑非集中式的进行文件缓存，且用户的缓存大小可以各不相同，但是在数据的编码广播传输阶段，并没有考虑移动用户链路速率不同这个特点，因此整个传输方案是基于XOR编码的方式，编码后的广播传输受限于广播传输中链路速率最差的用户，因此这类编码缓存传输方案不能实现最大的传输效率。

发明内容

本发明针对移动用户缓存大小不一样、链路速率不同，基于缓存信道联合编码，提供了一种基于缓存信道联合编码的编码缓存传输方法，提升网络传输效率，大幅降低传输时间。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于缓存信道联合编码的编码缓存传输方法，其包括以下步骤：

步骤一，将拥有相同的请求用户和相同的已缓存用户的数据包组合，得到一个新的集合V，所述集合V中未组合的数据包及组合后的数据包均为一个节点v，其中每一个节点称之为一个数据包簇，每个数据包请求标记为(χ(v),ρ(v),μ(v)),其中χ(v)包括请求的文件的名称和数据包的序号；ρ(v)为集合，包含了请求这个数据包的所有用户；μ(v)为集合，包含了已经缓存了这个数据包的所有用户，合并后的新节点为v′；

步骤二，基于数据包组合结果，将可以多播的多个数据包簇染上相同颜色，每一种颜色并建立一个新的集合S，并给于新的标签ρ(S)，μ(S)，其中ρ(S)为S集合中所有合并后的新节点v′对应的ρ(v′)的并集，μ(S)为S集合中所有合并后的新节点v′对应的μ(v′)的交集；

步骤三，将步骤二中的集合结果按照ρ(S)中元素的个数数量，从大到小进行排序，再依次进行染色组合；

步骤四，对于每个集合S，使用缓存信道联合编码广播，发送S中包括的多播用户的数据包。

步骤一中，每一个用户请求的数据包用一个节点表示，若两个节点v₁，v₂满足ρ(v₁)＝ρ(v₂)，μ(v₁)＝μ(v₂)，则两个节点被合并，并从集合中删除，同时合并后的一个新节点v′会被加入到集合V，且新节点的标记为：χ(v′)＝χ(v₁)+χ(v₂)，ρ(v′)＝ρ(v₁)，μ(v′)＝μ(v₁)。

步骤二中采用贪婪染色方法去获取数据包簇中可被多播的数据包簇集合。

所述贪婪染色方法如下：循环遍历所有数据包簇，若节点v₁′和v₂′满足如下三条，则放进同一个多播数据包簇，

χ(v′₁)和χ(v′₂)不是表示同一个数据包；

ρ(v′₁)不是μ(v′₂)的子集；

ρ(v′₂)不是μ(v′₁)的子集；

ρ(v′₁)∪μ(v′₁)＝μ(v′₂)∪ρ(v′₂)。

步骤三中，若两个染色集合S₁,S₂满足

且

将S₁，S₂中发往同一个用户的数据包v′₁、v′₂合并成v′₁+v′₂，且v′₁∈S₁，v′₂∈S₂，在组合之后，原集合删除，产生新的多播集合S＝S₁∪S₂，对应集合的两个标签为ρ(S)＝ρ(S₁)，μ(S)＝μ(S₁)∩μ(S₂)。

步骤三中，经过排序后的集合顺序满足|ρ(S₁)|≥…≥|ρ(S_m)|。

本发明的有益效果：本发明针对实际移动网络中用户缓存大小不同、链路速率不同等问题，提出了一种新的分布式编码缓存传输方案，能有效的提升编码缓存的传输效率，降低传输时间。

附图说明

图1为本发明的实施例的场景下的染色冲突图。

图2为本发明的实施例的步骤一的示意图。

图3为本发明的实施例的步骤二的示意图。

图4为本发明的实施例的步骤三的示意图。

图5为本发明的实施例的步骤四的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

在传输阶段，各用户向基站发送自己请求的文件，同时告诉基站自己已经缓存的数据包，基站根据用户的请求和已经缓存的数据包，采用如下的方法搜索最优的编码传输组合，提升编码传输的效率。

其中每个数据包请求采用如下的标记方法(χ(v),ρ(v),μ(v))，每个请求的数据包后续也成为了一个节点。

χ(v)包括请求的文件的名称和数据包的序号；

ρ(v)是一个集合，包含了请求这个数据包的所有用户；

μ(v)是一个集合，包含了已经缓存了这个数据包的所有用户。

如图所示，本发明提供了一种基于缓存信道联合编码的编码缓存传输方法，其包括以下步骤：

步骤一，每一个请求数据包看做集合V中的一个节点，将拥有相同的请求用户和相同的已缓存用户的数据包组合，得到一个新的集合V，其中每一个节点称之为一个数据包簇；若两个节点v₁，v₂满足ρ(v₁)＝ρ(v₂)，μ(v₁)＝μ(v₂)，则两个节点被合并，并从集合中删除，同时合并后的一个新节点v′会被加入到集合V，且新节点的标记为：χ(v′)＝χ(v₁)+χ(v₂)，ρ(v′)＝ρ(v₁)，μ(v′)＝μ(v₁)，通过数据包组合，可以得到一个新的集合，每一个节点成为一个数据包簇，即集合V＝{v′₁,…,v′_s}。

步骤二，基于数据包组合结果，可以采用贪婪染色方法去获取数据包簇中可被多播的数据包簇集合，并将可以多播的多个数据包簇染上相同颜色，每一种颜色并建立一个新的集合S，并给予新的标签ρ(S)，μ(S)，其中ρ(S)为S集合中所有v′对应的ρ(v′)的并集，μ(S)为S集合中所有v′对应的μ(v′)的交集；

所述贪婪染色方法如下：循环遍历所有数据包簇，若节点v′₁和v′₂满足如下三条，则放进同一个多播数据包簇，

χ(v′₁)和χ(v′₂)不是表示同一个数据包；

ρ(v′₁)不是μ(v′₂)的子集；

ρ(v′₂)不是μ(v′₁)的子集；

ρ(v′₁)∪μ(v′₁)＝μ(v′₂)∪ρ(v′₂)。

步骤三，将步骤二中的集合结果按照ρ(S)中元素的个数数量，从大到小进行排序，经过排序后的集合顺序满足|ρ(S₁)|≥…≥|ρ(S_m)|，再依次进行染色组合；若两个染色集合S₁,S₂满足

且

将S₁，S₂中发往同一个用户的数据包v′₁、v′₂合并成v′₁+v′₂，且v′₁∈S₁，v′₂∈S₂，在组合之后，原集合删除，产生新的多播集合S＝S₁∪S₂，对应集合的两个标签为ρ(S)＝ρ(S₁)，μ(S)＝μ(S₁)∩μ(S₂)。

步骤四，对于每个集合S，使用缓存信道联合编码广播，发送S中包括的多播用户的数据包。

实施例

基站待广播文件数为N＝3。请求用户数为K＝3.用户集合为{1，2，3}，文件集合为{α，β，γ}。缓存大小集合为{9/4，3/4，3/2}。下行速率集合为{1，3，2}。每份文件被分为B＝4个数据包。例如对于数据包α，它被分为了Z₁＝{α₁，α₂，α₃，α₄}。经过随机缓存，假设此时3个用户被缓存的数据包分别为Z₁＝{α₂，α₃，α₄，β₁，β₂，β₄，γ₂，γ₃，γ₄}，Z₂＝{α₁，β₃，γ₄}，Z₃＝{α₂，α₃，β₃，β₄，γ₂，γ₄}。假设三个用户1、2、3分别请求α，β，γ。那么此时请求分别是(α₁，{1}，{2})，(β₁，{2}，{1})，(β₂，{2}，{1})，(β₄，{2}，{1})，(γ₁，{3}，φ)，(γ₃，{3}，{1})，如图1所示。

数据包组合合并了两个请求，

v₁＝(β₁，{2}，{1})，v₂＝(β₂，{2}，{1})→v₁+v₂＝(β₁+β₂，{2}，{1})，合并后冲突图如图2所示。

将数据包进行染色，得到四个不同颜色的多播集合S₁＝{α₁，β₁+β₂}，S₂＝{β₄}，S₃＝{γ₁}，S₄＝{γ₃}，如图3所示。

经过染色组合得到多播集合S₁＝{α₁，β₁+β₂+β₄}，S₂＝{γ₁}，S₃＝{γ₃}，如图4所示。

数据传输时，传输的3个数据包分别是

传输时间为0.5s，

现有算法直接染色后进行基于XOR网络编码或缓存信道联合编码的数据传输方法，传输时间为2/3s，而本发明在该实施例中可节省50％的传输时间，如图5所示。

实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于缓存信道联合编码的编码缓存传输方法，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤一，将拥有相同的请求用户和相同的已缓存用户的数据包组合，得到一个新的集合V，所述集合V中未组合的数据包及组合后的数据包均为一个节点v，其中每一个节点称之为一个数据包簇，每个数据包请求标记为(χ(v),ρ(v),μ(v)),其中χ(v)包括请求的文件的名称和数据包的序号；ρ(v)为集合，包含了请求这个数据包的所有用户；μ(v)为集合，包含了已经缓存了这个数据包的所有用户，合并后的新节点为v′；

步骤二，基于数据包组合结果，将可以多播的多个数据包簇染上相同颜色，每一种颜色并建立一个新的集合S，并给于新的标签ρ(S)，μ(S)，其中ρ(S)为S集合中所有合并后的新节点v′对应的ρ(v′)的并集，μ(S)为S集合中所有合并后的新节点v′对应的μ(v′)的交集；

步骤三，将步骤二中的集合结果按照ρ(S)中元素的个数数量，从大到小进行排序，再依次进行染色组合；

步骤四，对于每个集合S，使用缓存信道联合编码广播，发送S中包括的多播用户的数据包。

2.根据权利要求1所述的一种基于缓存信道联合编码的编码缓存传输方法，其特征在于：步骤一中，每一个用户请求的数据包用一个节点表示，若两个节点v₁，v₂满足ρ(v₁)＝ρ(v₂)，μ(v₁)＝μ(v₂)，则两个节点被合并，并从集合中删除，同时合并后的一个新节点v′会被加入到集合V，且新节点的标记为：χ(v′)＝χ(v₁)+χ(v₂)，ρ(v′)＝ρ(v₁)，μ(v′)＝μ(v₁)。

3.根据权利要求1所述的一种基于缓存信道联合编码的编码缓存传输方法，其特征在于：步骤二中采用贪婪染色方法去获取数据包簇中可被多播的数据包簇集合。

4.根据权利要求3所述的一种基于缓存信道联合编码的编码缓存传输方法，其特征在于：所述贪婪染色方法如下：循环遍历所有数据包簇，若节点v′₁和v′₂满足如下三条，则放进同一个多播数据包簇，

χ(v′₁)和χ(v′₂)不是表示同一个数据包；

ρ(v′₁)不是μ(v′₂)的子集；

ρ(v′₂)不是μ(v′₁)的子集；

ρ(v′₁)∪μ(v′₁)＝μ(v′₂)∪ρ(v′₂)。

5.根据权利要求1所述的一种基于缓存信道联合编码的编码缓存传输方法，其特征在于：步骤三中，若两个染色集合S₁,S₂满足

且

将S₁，S₂中发往同一个用户的数据包v′₁、v′₂合并成v′₁+v′₂，且v′₁∈S₁，v′₂∈S₂，在组合之后，原集合删除，产生新的多播集合S＝S₁∪S₂，对应集合的两个标签为ρ(S)＝ρ(S₁)，μ(S)＝μ(S₁)∩μ(S₂)。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于缓存信道联合编码的编码缓存传输方法，其特征在于：步骤三中，经过排序后的集合顺序满足|ρ(S₁)|≥...≥|ρ(S_m)|。

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