CN113784308A - 基于编码缓存的内容共享方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于编码缓存的内容共享方法及装置，属于车载通信网络技术领域；方法包括：确定为目标CR提供内容共享的CH候选集合；基于目标CR与CH候选集合中每一个CH的请求命中率，对目标CR和CH候选集合进行一对多匹配，从CH候选集合中确定与CR相匹配的至少一个目标CH；基于目标CH，确定通过目标CH获取目标内容，或确定通过RSU节点获取目标内容。本发明通过确定为目标CR提供内容共享的CH候选集合进而确定可以为目标CR提供共享内容的目标CH，实现分布式方式进行内容共享，通过RSU节点获取目标内容，实现RSU协助方式进行内容共享，有限缓解基站的负荷并提高请求命中率。

Description

基于编码缓存的内容共享方法及装置
技术领域
本发明涉及车辆通信网络技术领域，尤其涉及一种基于编码缓存的内容共享方法及装置。
背景技术
随着无线网络连接设备的爆炸式增长，车载通信网络受到了广泛关注。通过蜂窝网络，蜂窝车联网(C-V2X)可以连接更多支持车联网的设备，从而可以在车辆、基础设施和行人之间建立连接。然而，预计车载网络中收集的数据量将十分大，数据的无线传输导致无线回程拥塞和频谱过载问题。
为了保持高质量的信息传输，缓存被认为是最有效的技术之一。但由于所有节点都处于基站的覆盖范围内，因此总是可以通过回程链路，从基站以车辆-网络(V2N)方式获得完整内容。然而，在请求高并发时，将对基站产生较大负荷且请求时延高。
发明内容
本发明提供一种基于编码缓存的内容共享方法及装置，用以解决现有技术中基站负荷较大，内容共享请求时延高的缺陷，实现降低基站符合，提高内容共享请求时延。
第一方面，本发明提供一种基于编码缓存的内容共享方法，包括：
确定为目标CR提供内容共享的CH候选集合；
基于目标CR与所述CH候选集合中每一个CH的请求命中率，对所述目标CR和所述CH候选集合进行一对多匹配，从所述CH候选集合中确定与所述CR相匹配的至少一个目标CH；
基于所述目标CH，确定通过所述目标CH获取目标内容，或确定通过RSU节点获取目标内容。
可选地，根据本发明提供的一种基于编码缓存的内容共享方法，所述基于目标CR与所述CH候选集合中每一个CH的请求命中率，对所述目标CR和所述CH候选集合进行一对多匹配，从所述CH候选集合中确定与所述CR相匹配的至少一个目标CH，包括：
基于所述目标CR的第一节点类型和所述CH候选集合的第二节点类型，确定目标请求命中率模型，所述目标请求命中率模型是所述第一节点类型作为CR且所述第二节点类型作为CH的情况所对应的请求命中率模型；
基于所述目标请求命中率模型，从所述CH候选集合中确定与所述CR相匹配的至少一个目标CH。
可选地，根据本发明提供的一种基于编码缓存的内容共享方法，所述基于所述目标CH，确定通过所述目标CH获取目标内容，包括：
在确定所述至少一个目标CH的数量大于或等于第一阈值的情况下，确定通过所述目标CH获取目标内容。
可选地，根据本发明提供的一种基于编码缓存的内容共享方法，所述基于所述目标CH，确定通过RSU节点获取目标内容，包括：
在确定所述至少一个目标CH的数量小于第一阈值的情况下，确定通过RSU节点获取目标内容。
可选地，根据本发明提供的一种基于编码缓存的内容共享方法，所述方法还包括：
基于所述第一节点类型作为CR且所述第二节点类型作为CH的情况所对应的信噪比，确定所述第一节点类型作为CR且所述第二节点类型作为CH的情况所对应的请求命中率模型。
可选地，根据本发明提供的一种基于编码缓存的内容共享方法，所述通过RSU节点获取目标内容，包括：
将确定通过RSU节点获取目标内容的目标节点进行两两配对，获得至少一个NOMA对；
所述至少一个NOMA对通过所述RSU节点获取目标内容。
可选地，根据本发明提供的一种基于编码缓存的内容共享方法，所述将确定通过RSU节点获取目标内容的目标节点进行两两配对，获得至少一个NOMA对，包括：
基于确定所述通过RSU节点获取目标内容的目标节点的信道功率增益，将所述确定所述通过RSU节点获取目标内容的目标节点分为强节点和弱节点；
基于匈牙利算法确定所述至少一个NOMA对，其中，一个NOMA对包括一个强节点和一个弱节点。
第二方面，本发明提供一种基于编码缓存的内容共享装置，包括：
第一确定模块，用于确定为目标CR提供内容共享的CH候选集合；
匹配模块，用于基于目标CR与所述CH候选集合中每一个CH的请求命中率，对所述目标CR和所述CH候选集合进行一对多匹配，从所述CH候选集合中确定与所述CR相匹配的至少一个目标CH；
第二确定模块，用于基于所述目标CH，确定通过所述目标CH获取目标内容，或确定通过RSU节点获取目标内容。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所提供的基于编码缓存的内容共享方法的步骤。
第四方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的基于编码缓存的内容共享方法的步骤。
本发明提供的基于编码缓存的内容共享方法，装置，电子设备及存储介质，通过确定为目标CR提供内容共享的CH候选集合进而确定可以为目标CR提供共享内容的目标CH，实现分布式方式进行内容共享，通过RSU节点获取目标内容，实现RSU协助方式进行内容共享，有限缓解基站的负荷并提高请求命中率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明提供的基于编码缓存的内容共享方法的流程示意图；
图2是本发明提供的基于编码缓存的内容共享方法的仿真示意图之一；
图3是本发明提供的基于编码缓存的内容共享方法的仿真示意图之二；
图4是本发明提供的基于编码缓存的内容共享方法的仿真示意图之三；
图5是本发明提供的基于编码缓存的内容共享方法的仿真示意图之四；
图6是本发明提供的基于编码缓存的内容共享方法的仿真示意图之五；
图7是本发明提供的基于编码缓存的内容共享装置的结构示意图；
图8示例了一种电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
下面结合图1-图8描述本发明的基于编码缓存的内容共享方法及装置。
图1是本发明提供的基于编码缓存的内容共享方法的流程示意图，如图1所示，包括：
步骤100，确定为目标CR提供内容共享的CH候选集合；
步骤110，基于目标CR与所述CH候选集合中每一个CH的请求命中率，对所述目标CR和所述CH候选集合进行一对多匹配，从所述CH候选集合中确定与所述CR相匹配的至少一个目标CH；
步骤120，基于所述目标CH，确定通过所述目标CH获取目标内容，或确定通过RSU节点获取目标内容。
可选地，CR可以是目标内容请求节点，可以称为请求者，可以为车辆或行人；
可选地，CH可以是内容协作节点，可以称为协作者，可以为车辆或行人或路边单元RSU。
本发明中，车辆、行人与路边单元之间可以利用编码缓存实现可靠内容共享，在减少基站负荷的同时提高内容请求命中率。
可选地，除了正交频分多址接入技术外，非正交多址接入(Non-orthogonalMultiple Access,NOMA)方案可以将具有不同传输速率的用户配对，采用相同的频谱进行多用户传输，从而缓解无线通信的频谱紧缺问题。
本发明专利可以应用在异构车载通信网络，存在车辆、移动用户、路边单元等多种节点。根据不同类型的通信节点，可以存在车辆间通信(V2V)、车辆-行人通信(V2P)、车-基础设施通信(V2I)以及行人-基础设施通信(Pedestrian-to-Infrastructure,P2I)多种通信方式。
可选地，当车辆、用户和路边单元分别作为数据发送方时，其通信模式可以分别表示为V2X、P2X以及I2X，这里的X包括车辆以及用户。基站作为控制节点，实现频谱资源的调度。蜂窝基站能够覆盖整个区域，而RSU、车辆以及行人的最大通信范围依次分别表示为
Figure BDA0003180408890000061
可选地，在数据共享过程中，路边单元(roadside unit,RSU)可以充当内容协作者(CH)，车辆和行人存在请求者(CR)和CH两种角色。
可选地，相比于车辆和行人，RSU能够通过回程链路从基站获得内容，具有更大存储能力和传输能力，能够作为CH同时为多个CR提供完整内容。
可选地，以只有一个RSU的场景为例，因为可以根据RSU的部署来划分区域，从而降低优化复杂度。考虑RSU侧的观察时期被划分为Q个时隙，每个时隙长度为δ0，定义集合表示为
Figure BDA0003180408890000062
由于网络是动态变化的，在不同时隙内，根据内容缓存和用户请求情况，车辆和行人的角色是动态变化的，且CH和CR的数量随机产生。定义在第q个时隙车辆集合表示为
Figure BDA0003180408890000063
作为发送端(即CH)和接收端(即CR)的车辆集合分别为
Figure BDA0003180408890000064
满足
Figure BDA0003180408890000065
用户集合可以表示为
Figure BDA0003180408890000066
作为CH和CR的用户集合分别为
Figure BDA0003180408890000067
满足
Figure BDA0003180408890000068
因此网络中CR集合表示为
Figure BDA0003180408890000069
CH集合可以分别表示为
Figure BDA00031804088900000610
可选地，路边单元(roadside unit,RSU)部署在道路一侧，作为发送端下发内容，集合表示为
Figure BDA00031804088900000611
车辆和行人具有固定传输功率，而当RSU服务多个用户时，可以根据信道进行功率分配，以满足不同信道条件下的用户通信需求。
可选地，在实际中，由于所有节点都处于基站的覆盖范围内，因此总是可以通过回程链路，从基站以车辆-网络(V2N)方式获得完整内容。然而，在请求高并发时，将对基站产生较大负荷且请求时延高。本研究点将考虑请求者可以按照“分布式方式”-“RSU协助”-“基站协助”的优先级获取内容。
由于RSU和基站都能给用户提供完整内容，而RSU相较于基站离用户更近，RSU协助能为用户提供更短时延和更高请求命中率，因此本文主要对分布式方式和RSU协助方式进行分析。在分布式方式中，CR通过从车辆或行人CH获得所需文件分片以恢复请求文件。在RSU协助方式中，CR可以直接从RSU获得完整内容。
因此可以首先从所述CH候选集合中确定可以为所述CR提供内容共享的至少一个目标CH，可以基于所述目标CH，确定通过所述目标CH获取目标内容，或确定通过RSU节点获取目标内容，为基站分担负荷。
需要说明的是，在本发明中，为了便于表述，忽略时隙标识q。
可选地，对于车辆而言，考虑自由车流量模型(free flow traffic model)，在第b个RSU范围内的车辆具有相同速度，且车辆的速度和密度满足以下关系：
Figure BDA0003180408890000071
其中
Figure BDA0003180408890000072
和
Figure BDA0003180408890000073
分别表示车辆在区域内的最大车速和最大密度，
Figure BDA0003180408890000074
表示车辆速度和车辆密度。两车相遇时间TVV服从均值为τv的指数分布。
可选地，对于行人而言，在第b个RSU范围内，行人移动速度和密度满足以下关系：
Figure BDA0003180408890000075
其中
Figure BDA0003180408890000076
和
Figure BDA0003180408890000077
分别表示行人在区域内的最大速度和密度，
Figure BDA0003180408890000078
分别表示行人速度及行人密度。两行人相遇时间TPP服从均值为τP的指数分布。
可以定义
Figure BDA0003180408890000079
表示F个文件的集合，所有文件根据流行度按降序排列，即排序越小，则流行度越高。
本发明中可以通过Zipf分布，排名第f的文件的流行度为
Figure BDA00031804088900000710
其中系数η(η≥0)控制文件的相对流行度，即当η越大时，意味着文件流行分布越集中，则前几个流行的文件将占请求的大多数。
在本发明中，由于RSU能够通过回程链路从基站获得内容，因此假设其缓存文件f内容分片的概率均为1，当车辆或行人作为CH时，缓存文件f内容分片概率为Pf。请求文件f的CH集合和CR集合可依次分别表示为
Figure BDA00031804088900000711
在初始阶段，内容中心将内容进行分片并通过下行链路将分片存储在路边单元、车辆或行人中。当车辆或行人进入路段后，首先将通过基站获取存储在该区域内的文件的列表。基于MDS编码准则，文件f被分为kf片，编码并存储在nf个CH当中。为恢复内容，请求文件f的CR需要连接至少kf个CH，文件f的分片大小为αf＝Zf/kf。为保障分布式存储系统的稳定性和可靠性，车辆和行人CH仅能存储一个编码分片；其中，Zf表示文件f的大小。
可以定义二元变量πi,j,f表示CRj是否向CHi请求内容f的分片，即：
Figure BDA0003180408890000081
本发明提供的基于编码缓存的内容共享方法，通过确定为目标CR提供内容共享的CH候选集合进而确定可以为目标CR提供共享内容的目标CH，实现分布式方式进行内容共享，通过RSU节点获取目标内容，实现RSU协助方式进行内容共享，有限缓解基站的负荷并提高请求命中率。
可选地，根据本发明提供的一种基于编码缓存的内容共享方法，所述基于目标CR与所述CH候选集合中每一个CH的请求命中率，对所述目标CR和所述CH候选集合进行一对多匹配，从所述CH候选集合中确定与所述CR相匹配的至少一个目标CH，包括：
基于所述目标CR的第一节点类型和所述CH候选集合的第二节点类型，确定目标请求命中率模型，所述目标请求命中率模型是所述第一节点类型作为CR且所述第二节点类型作为CH的情况所对应的请求命中率模型；
基于所述目标请求命中率模型，从所述CH候选集合中确定与所述CR相匹配的至少一个目标CH。
可选地，本发明中，可以存在多种类型节点，包括车辆、行人以及RSU组成的异构车载通信网络，基站根据内容流行度、文件数量以及CH数量等，将文件在RSU、车辆CH和行人CH上进行编码缓存。
本发明中，可以首先根据不同节点作为CH的情况，建模了不同CH-CR协作对的传输信干噪比。
可选地，针对RSU协作的下行场景，基于NOMA技术，考虑了车车、人人以及车人三种NOMA对类型。然后根据传输时间、文件大小等，推导了用户对文件分片的请求命中率，最后建模了以最大化系统平均用户请求命中率为目标的混合整数规划问题。可以利用一对多匹配理论实现CH和CR匹配优化，并针对RSU服务的多用户场景，进一步进行用户配对和功率优化，以提高整体内容请求命中率。
可选地，在分布式协作中，内容请求者以分布式方式从邻居节点请求内容分片。
首先根据CH和CR间距离和传输信噪比，为每个CR确定能够提供通信的CH候选集合。因此可以将其转换为一对一匹配问题。即可以首先确定为目标CR提供内容共享的CH候选集合；然后基于目标CR与所述CH候选集合中每一个CH的请求命中率，对所述目标CR和所述CH候选集合进行一对多匹配，从所述CH候选集合中确定与所述CR相匹配的至少一个目标CH。
可选地，根据本发明提供的一种基于编码缓存的内容共享方法，所述基于所述目标CH，确定通过所述目标CH获取目标内容，包括：
在确定所述至少一个目标CH的数量大于或等于第一阈值的情况下，确定通过所述目标CH获取目标内容。
当匹配结果中任意CRj的CH个数大于等于kf时，Ij,f＝1，即用户可通过分布式方式请求内容；
可选地，CR可以通过两种方式获得内容：分布式和RSU协助下的集中式。对于任意CR，首先考虑利用分布式方式请求内容，当仅当有kf个协作节点存在时，才能下载内容f；
定义Ij,f＝{0,1}表示用户j是否能找到足够多数量的CH以成功获得内容f，具体表示为：
Figure BDA0003180408890000091
其中
Figure BDA0003180408890000092
表示不超过x的最大整数，
Figure BDA0003180408890000093
表示存储了文件f的CH集合。可以看到，当请求节点j至少能与kf个CH相连时，Ij,f＝1，否则为0。当CR不能以分布式方式请求内容时，将向RSU请求内容。
同时，定义
Figure BDA0003180408890000094
表示请求节点j从协作节点i下载到内容f分片的概率，表示为：
Figure BDA0003180408890000095
其中αf表示传输的文件f分片大小，Ti,j表示协作者i和请求者j的相遇时间，Bi表示分配给协作者i的带宽大小，Ri,j表示节点间的单位数据传输速率。值得注意的是，当协作者为RSU时，传输数据大小为文件f完整大小，Bi为分配给CRj所属的NOMA对的带宽。
定义
Figure BDA0003180408890000096
表示请求节点j所连接的CH集合，则请求节点j成功下载内容f的概率表示为：
Figure BDA0003180408890000097
其中
Figure BDA0003180408890000101
表示当CRj不能以分布式方式请求内容时，向RSUb请求的命中率。可以看到，在该异构车载通信网络中，存在不同类型的CH和CR，且不同CH和CR之间存在不同信道衰落模型(瑞利或莱斯信道衰落模型)、信道状况(完备或非完备信道状态)。衡量该网络的一个重要指标是如何保证CRs成功获得所需内容项的可能性。
可以定义RSU的用户对集合为
Figure BDA0003180408890000102
其中给第g个NOMA对分配的带宽为Bg。
可以定义
Figure BDA0003180408890000103
表示向RSU请求文件的CR集合，即
Figure BDA0003180408890000104
可以定义二元变量αj,g表示CRj是否属于第g个NOMA对，即：
Figure BDA0003180408890000105
定义
Figure BDA0003180408890000106
表示CH和CR以及内容的协作关系，定义
Figure BDA0003180408890000107
表示RSU的NOMA对中强用户和弱用户功率分配方案，定义
Figure BDA0003180408890000108
表示用户的NOMA分组情况，其中
Figure BDA0003180408890000109
表示根据
Figure BDA00031804088900001010
确定的由RSUb服务的CR集合，
Figure BDA00031804088900001011
表示NOMA对集合。定义
Figure BDA00031804088900001012
表示第g个NOMA对中强用户和弱用户的成功传输概率，o∈{1,2,3}分别表示三种类型NOMA对。以最大化观察时间内用户平均请求命中率为目标，该优化问题可以建模为：
Figure BDA00031804088900001013
Figure BDA00031804088900001014
Figure BDA00031804088900001015
Figure BDA00031804088900001016
Figure BDA00031804088900001017
Figure BDA00031804088900001018
Figure BDA00031804088900001019
Figure BDA00031804088900001020
Figure BDA00031804088900001021
Figure BDA0003180408890000111
Figure BDA0003180408890000112
其中约束条件(7b)表示除RSU以外，每个CH每次只能服务一个CR，约束条件(7c)表示为了恢复内容，每个CR需要获得kf个内容分片，约束(7d)表示请求者和协作者间传输信干噪比需大于给定阈值，定义
Figure BDA0003180408890000113
表示成功恢复文件f的请求者集合，约束(7e)表示每个CR最多与一个RSU相连，约束条件(7f)表示被RSU服务的用户最多属于一个NOMA对，(7g)表示每个NOMA对最多有两个用户，约束条件(7h)-(7i)表示NOMA对的功率约束，约束条件(7j)表示NOMA对中的弱用户和强用户的请求命中率需大于阈值κ0以满足用户协作需求，约束条件(7k)表示RSU分配给其服务的所有NOMA对的带宽和小于总带宽大小Btotal。
该优化问题需要考虑对离散变量和连续变量的联合优化。同时由于
Figure BDA0003180408890000114
与不同的通信链路类型有关。接下来将基于不同信道衰落模型和信道状况，对不同CH和CR传输链路的成功概率
Figure BDA0003180408890000115
进行推导，然后对其中的匹配子问题和功率优化子问题进行分析讨论。
可选地，根据本发明提供的一种基于编码缓存的内容共享方法，所述基于所述目标CH，确定通过RSU节点获取目标内容，包括：
在确定所述至少一个目标CH的数量小于第一阈值的情况下，确定通过RSU节点获取目标内容。
可选地，当目标CH个数小于kf时，用户不能利用分布式方式请求内容。
可选地，根据本发明提供的一种基于编码缓存的内容共享方法，所述方法还包括：
基于所述第一节点类型作为CR且所述第二节点类型作为CH的情况所对应的信噪比，确定所述第一节点类型作为CR且所述第二节点类型作为CH的情况所对应的请求命中率模型。
可选地，可以首先基于所述第一节点类型作为CR且所述第二节点类型作为CH的情况所对应的信噪比，确定所述第一节点类型作为CR且所述第二节点类型作为CH的情况所对应的请求命中率模型，比如在车辆作为协作者的情况或用户作为协作者的情况。
CR可以根据周围的节点分布、内容分布以及信道状况等向CH请求内容。根据CH的不同类型，该网络共有三种协作情况：车辆作为CH、行人作为CH、RSU作为CH。
比如，当车辆作为CH时，可以根据CR不同类型，存在V2V通信和V2P通信两种类型。车辆传输功率为pV，其最大通信半径为
Figure BDA0003180408890000121
在V2V通信中，可以定义
Figure BDA0003180408890000122
表示车辆通信信道增益。
可选地，可以考虑车辆间传输时存在视距通信，信道服从Rician信道衰减模型。车辆n的接收信噪比可以表示为
Figure BDA0003180408890000123
在信道功率增益均值为
Figure BDA0003180408890000124
情况下，信道功率增益的概率密度函数(ProbabilityDensity Function,PDF)可以表示为：
Figure BDA0003180408890000125
其中K表示莱斯因子，表示视距分量与散射分量的比值，I0(·)表示第一类零阶修正Bessel函数。
其中，代入
Figure BDA0003180408890000126
上式可以写为
Figure BDA0003180408890000127
其中
Figure BDA0003180408890000128
其中，可以推导得到对应的累积密度函数(Cumulative Density Function,CDF)可以表示为：
Figure BDA0003180408890000129
因此，V2V链路的通信速率
Figure BDA00031804088900001210
的CDF可以表示为：
Figure BDA00031804088900001211
假设两车相遇时间TVV服从均值为τv的指数分布，可以得到B
Figure BDA00031804088900001212
服从均值为1的指数分布。
因此，V2V通信链路请求内容f的请求命中率模型
Figure BDA00031804088900001213
可以表示为：
Figure BDA0003180408890000131
其中，Pr{·}表示概率；B表示频谱大小；
在V2P通信中，相对于行人，车辆具有高度动态特点，因此V2P通信信道为非完备信道状态信息，车辆s到行人u的信道可以表示为：
Figure BDA0003180408890000132
其中
Figure BDA0003180408890000133
分别表示车辆s到行人u通信信道，
Figure BDA0003180408890000134
表示对应节点间的估计信道，
Figure BDA0003180408890000135
表示估计误差，其方差为常数σε。因此行人u的接收SINR可以表示为：
Figure BDA0003180408890000136
其中
Figure BDA0003180408890000137
同样的，在给定信道功率增益
Figure BDA0003180408890000138
的均值为
Figure BDA0003180408890000139
时，用户u的速率
Figure BDA00031804088900001310
的CDF可以表示为：
Figure BDA00031804088900001311
根据车辆和用户的位置计算其相遇时间tu,s，此时用户的请求命中率模型可以表示为：
Figure BDA00031804088900001312
当行人作为CH时，根据CR的不同类型，存在P2P通信和P2V通信两种类型。行人传输功率为pP，其最大通信半径为
Figure BDA00031804088900001313
在P2P通信中，可以定义
Figure BDA00031804088900001314
表示用户间通信信道增益，考虑行人间存在视距通信，信道服从莱斯信道衰减。行人k的接收信噪比可以表示为：
Figure BDA0003180408890000141
在信道功率增益
Figure BDA0003180408890000142
均值为
Figure BDA0003180408890000143
情况下，信道功率增益的CDF可以表示为：
Figure BDA0003180408890000144
其中
Figure BDA0003180408890000145
与V2V通信推导类似，可以得到P2P通信链路请求内容f的请求命中率模型
Figure BDA0003180408890000146
可以表示为：
Figure BDA0003180408890000147
其中
Figure BDA0003180408890000148
pP指行人的功率；r为任意常数。
在P2V通信中，与V2P类似，在行人CH向车辆CR下发内容时，由于受到车辆高度动态性的影响，信道将产生估计误差。当行人u到车辆s的信道为
Figure BDA0003180408890000149
时，根据车车NOMA对中CDF的推导的内容，可以得到车辆s的SINR可以表示为：
Figure BDA00031804088900001410
其中
Figure BDA00031804088900001411
与V2P通信类似，考虑车辆与行人的接触时间为tu,s，可以得到P2V通信链路请求内容f的请求命中率模型
Figure BDA00031804088900001412
可以表示为：
Figure BDA00031804088900001413
可选地，在CR向RSU节点获取目标内容时，RSU作为CH；
RSU可以同时服务多个用户并利用NOMA技术实现信号叠加，用户侧利用SIC技术实现信号解调。由于接收侧SIC复杂度随着用户数量增加而增大，假设每个NOMA组内最多有两个用户。根据NOMA对中不同用户构成，存在三种NOMA对：车车(VV)、人人(PP)以及车-人(PV)。
以下将对不同NOMA对中用户通信信噪比进行分析。为方便描述，定义o∈{1,2,3}分别表示以上三种类型NOMA对，并根据信道功率增益标记NOMA中的用户分别为强用户(S)和弱用户(W)，及
Figure BDA0003180408890000151
定义
Figure BDA0003180408890000152
表示对应的数据符号，且所有数据符号具有同样的单位功率，即数据符号期望
Figure BDA0003180408890000153
在车车NOMA对中，由于车辆相比于人和基础设施，车辆具有高度动态特点，因此考虑信道状态信息为非完备信道状态信息，RSU b到强用户和弱用户的信道可以表示为：
Figure BDA0003180408890000154
Figure BDA0003180408890000155
其中
Figure BDA0003180408890000156
分别表示RSU到弱用户和强用户的信道，
Figure BDA0003180408890000157
表示估计信道，
Figure BDA0003180408890000158
表示估计误差，其方差表示为σε。利用Jakes’model来评估车辆的移动性，则φ可以表示为
Figure BDA0003180408890000159
其中J0表示第一类零阶贝塞尔函数，fc表示载波频率，ν表示车辆移动速率，c表示光速，τ表示相邻时隙间隔。
弱用户和强用户的SINR可以表示为：
Figure BDA00031804088900001510
其中
Figure BDA00031804088900001511
表示加性高斯白噪声(additive white Gaussian noise,AWGN)的功率。经过数学变换，可以将
Figure BDA00031804088900001512
化简为
Figure BDA00031804088900001513
其中
Figure BDA00031804088900001514
人人NOMA对：当行人向基础设施请求内容时，由于行人速度较慢，考虑信道估计误差可忽略，此时强用户和弱用户的信道可以表示为
Figure BDA00031804088900001515
因此强用户和弱用户的接收SINR可以表示为：
Figure BDA0003180408890000161
其中
Figure BDA0003180408890000162
表示归一化信道功率增益。
当车辆和行人为接收者时，根据车辆和行人的信道功率增益大小，存在两种情况。当车辆为强用户，行人为弱用户时，弱用户和强用户的信道功率增益分别为：
Figure BDA0003180408890000163
弱用户和强用户的信噪比表示为：
Figure BDA0003180408890000164
其中
Figure BDA0003180408890000165
当车辆为弱用户，行人为强用户时，弱用户和强用户的信道功率增益为：
Figure BDA0003180408890000166
弱用户和强用户的信干噪比可以表示为：
Figure BDA0003180408890000167
经过数学变换，可以化简为
Figure BDA0003180408890000168
其中
Figure BDA0003180408890000171
此外，当RSU服务单一用户或车辆时，接收端不会受到其他用户干扰。车辆CR和行人CR的信噪比可以分别表示为：
Figure BDA0003180408890000172
其中
Figure BDA0003180408890000173
pb为RSU发送功率。
可选地，以车车NOMA对(即两个CR均为车辆的情况)为例对请求命中率进行分析。
在车车NOMA对中，弱用户和强用户的信干噪比分别表示为：
Figure BDA0003180408890000174
当
Figure BDA0003180408890000175
和
Figure BDA0003180408890000176
的均值分别为
Figure BDA0003180408890000177
和
Figure BDA0003180408890000178
时，其CDF分别表示为：
Figure BDA0003180408890000179
对于弱用户来说，其速率
Figure BDA00031804088900001710
的CDF可以表示为：
Figure BDA00031804088900001711
则
Figure BDA00031804088900001712
即当
Figure BDA0003180408890000181
时，
Figure BDA0003180408890000182
其中
Figure BDA0003180408890000183
当车辆以匀速νV驶过RSU服务路段长
Figure BDA0003180408890000184
根据RSU和用户的位置，RSU与接触时间，可以计算得到RSU对车辆CR的服务时间tg,W和tg,S。因此，弱用户的成功传输概率可以进一步表示为：
Figure BDA0003180408890000185
其中，Zf表示文件f大小，Bg表示分配给第g个NOMA对的带宽大小。与此同时，对于强用户来说，其速率
Figure BDA0003180408890000186
的CDF可以表示为：
Figure BDA0003180408890000187
强用户的请求命中率可以表示为：
Figure BDA0003180408890000188
可选地，根据本发明提供的一种基于编码缓存的内容共享方法，所述将确定通过RSU节点获取目标内容的目标节点进行两两配对，获得至少一个NOMA对，包括：
基于确定所述通过RSU节点获取目标内容的目标节点的信道功率增益，将所述确定所述通过RSU节点获取目标内容的目标节点分为强节点和弱节点；
基于匈牙利算法确定所述至少一个NOMA对，其中一个NOMA对包括一个强节点和一个弱节点。
可选地，在确定可以利用分布式进行内容请求的CH-CR协作关系后，可得到未成功连接到所需内容分片的用户集合
Figure BDA0003180408890000197
该集合中的用户将根据候选协作者集合判断是否能由RSU进行服务，其中能够被RSU服务的请求者集合表示为
Figure BDA0003180408890000198
由于RSU可以同时为多个用户提供服务，需要
Figure BDA0003180408890000199
中用户进行分组和功率优化。
可选地，在将确定通过RSU节点获取目标内容的目标节点进行两两配对，获得至少一个NOMA对之前，在分布式协作中，内容请求者可以以分布式方式从邻居节点请求内容分片。
首先可以根据CH和CR间距离和传输信噪比，为每个CR确定能够提供通信的CH候选集合。因此当车辆j为CR时，其CH节点候选集合可以表示为：
Figure BDA0003180408890000191
其中，
Figure BDA0003180408890000192
同样的，当用户为CR时，其CH节点候选集合可以表示为：
Figure BDA0003180408890000193
其中，
Figure BDA0003180408890000194
其中
Figure BDA0003180408890000195
分别为车辆及行人的最大通信距离。
在确定每个CR的CH集合之后，在给定固定传输功率情况下，计算CR与所有CH的请求命中率，其中CRi和CHj的边权值由
Figure BDA0003180408890000196
可以具体量化为：
Figure BDA0003180408890000201
本问题优化目标是在给定CR的情况下，最大化其所连接的CH的成功传输概率的乘积。由于匹配算法是最大化匹配中的边权值之和，可以利用下式对目标问题进行转化：
Figure BDA0003180408890000202
结合以上讨论，分布式协作过程中请求命中率目标可以进一步转化为：
Figure BDA0003180408890000203
因此，该优化问题被化为一对多匹配问题，即CR和CH间的1-kf匹配问题。为了解决该问题，可以将其转换为一对一匹配问题。当匹配结果中任意CRj的CH个数大于等于kf时，Ij,f＝1，即用户可通过分布式方式请求内容；当集合
Figure BDA0003180408890000204
中的CH个数小于kf时，Ij,f＝0，即用户不能利用分布式方式请求内容。
可选地，在确定可以利用分布式进行内容请求的CH-CR协作关系后，可得到未成功连接到所需内容分片的用户集合
Figure BDA0003180408890000205
该集合中的用户将根据候选协作者集合判断是否能由RSU进行服务，其中能够被RSU服务的请求者集合表示为
Figure BDA0003180408890000206
由于RSU可以同时为多个用户提供服务，需要
Figure BDA0003180408890000207
中用户进行分组和功率优化。
可选地，RSU可以服务三种类型的NOMA对：车车NOMA对、人人NOMA对以及车-人NOMA对。由于同一NOMA组内的用户可请求不同文件，定义
Figure BDA0003180408890000208
表示第g个NOMA对两用户总成功传输概率，o∈{1,2,3}分别表示三种类型NOMA对。最大化在RSUb的服务范围内所有NOMA对的总成功传输概率，该优化子问题可以表示为：
Figure BDA0003180408890000209
Figure BDA00031804088900002010
Figure BDA0003180408890000211
Figure BDA0003180408890000212
Figure BDA0003180408890000213
Figure BDA0003180408890000214
Figure BDA0003180408890000215
可选地，可以首先将能被RSU服务的用户按照信道功率增益大小分为强(信道)用户和弱(信道)用户。然后将强用户和弱用户构建为二分图，其边权值由该NOMA对的总成功传输概率
Figure BDA0003180408890000216
所定义。当强用户和弱用户数量不一致时，会存在单用户组，此时将根据用户类型(车辆或行人)所决定的请求命中率(
Figure BDA0003180408890000217
或
Figure BDA0003180408890000218
)定义边权值。最后利用匈牙利算法找到最大匹配以最小化所有NOMA对请求命中率之和。
可选地，本发明提出一种V2X协助下基于编码缓存的内容共享方案。
输入：CR及CH集合、用户偏好、文件缓存；
输出：用户平均请求命中率；
阶段一：分布式协作用户匹配；
步骤1：基于用户最大通信距离和文件缓存方案，为每个CR确定候选协作CH集合
Figure BDA0003180408890000219
步骤2：计算所有CR与其候选CH的请求命中率，构建权重矩阵；
步骤3：利用一对多匹配算法获得能以分布式方式请求成功的CR集合
Figure BDA00031804088900002110
以及剩余用户集合
Figure BDA00031804088900002111
计算
Figure BDA00031804088900002112
中用户请求命中率；
阶段二：RSU协助下用户成组及功率分配；
步骤4：设置
Figure BDA00031804088900002113
步骤5：for
Figure BDA00031804088900002114
步骤6：if用户j处于RSU覆盖范围内do
步骤7：更新
Figure BDA00031804088900002115
步骤8：end if
步骤9：end for
步骤10：将
Figure BDA00031804088900002116
中请求者按信道功率增益大小分为强用户和弱用户两个子集，用强用户和弱用户的请求命中率和量化其对应的边权值；
步骤11：利用匈牙利获得最优匹配，计算
Figure BDA0003180408890000223
中用户请求命中率；
步骤12：结合阶段一和阶段二计算用户平均请求命中率。
本发明提供的基于编码缓存的内容共享方法，通过确定为目标CR提供内容共享的CH候选集合进而确定可以为目标CR提供共享内容的目标CH，实现分布式方式进行内容共享，通过RSU节点获取目标内容，实现RSU协助方式进行内容共享，有限缓解基站的负荷并提高请求命中率。
在仿真中，设置道路长度为200m，道路宽度为10m。RSU的位置坐标为[0,10]；大尺度衰落系数为4，莱斯衰落因子为3，噪声功率为-60dBm，RSU对单个用户传输最大功率为200mW，总传输功率为300mW，总传输带宽为1KHz车辆和行人的传输功率分别为150mW和100mW。在每个时刻，场景中车辆和行人的数量(即S(q)和U(q))分别服从均值为
Figure BDA0003180408890000221
的泊松分布，车辆CR和行人CR的数量分别占车辆和行人总数的三分之一，剩余为车辆CH和行人CH。根据缓存文件数量F和分片数量n，根据用户中心度和用户偏好选择nF个用户(包括车辆和行人)缓存文件。
表1总结了本发明专利仿真中用到的主要参数取值。
表1仿真参数设置
Figure BDA0003180408890000222
图2是本发明提供的基于编码缓存的内容共享方法的仿真示意图之一，如图2所示是本发明的方案以不同方式获得内容的用户占比，kf＝2；图3是本发明提供的基于编码缓存的内容共享方法的仿真示意图之二，如图3所示是本发明的方案以不同方式获得内容的用户占比，kf＝3；图4是本发明提供的基于编码缓存的内容共享方法的仿真示意图之三，如图4所示是非编码方案以不同方式获得内容的用户比，kf＝2；
图2-图4比较了所提方案与非编码方案在降低基站负荷性能。在仿真中，当请求者从附近缓存了内容分片的车辆或行人请求内容时，作为分布式方式(即图2-图4中图例的via distributed way)；当请求者从RSU请求完整内容时，作为从RSU请求(即图2-图4中图例的via RSU)；当请求者不能从附近节点或RSU请求时，将从基站请求内容(即图2-图4中图例的via BS)。图2和图3显示了当所需编码分片数量(即kf)从2增加到3时，随着请求者数量的增加，更多请求者将从RSU或BS获得完整内容。这是由于存储文件的协助者数量有限。图4显示了由于网络中节点没有进行协助缓存，所有请求用户将从RSU或BS获取内容。相比非编码缓存中的文件共享，所提方案利用了网络中车辆和行人的缓存能力，降低了BS负荷。
图5是本发明提供的基于编码缓存的内容共享方法的仿真示意图之四；图6是本发明提供的基于编码缓存的内容共享方法的仿真示意图之五；
图5-图6比较了不同协作者协作方案情况下的用户请求命中率。图5-图6中的不同方案说明如下：“HM方案”为所提出的层次化匹配方法(Hierarchical Matching,HM)；“贪婪算法方案”是利用贪婪算法寻找协作者，在每次寻找中，首先为候选协作者少的请求者选择命中率最大的协作者。图5-图6比较了不同方案的总体用户平均请求命中率(标记为D2D+RSU)和通过分布式方式获取内容的用户平均请求命中率(标记为D2D)以及不同请求方式的用户占比。首先，图5显示了，随着文件数量的增加，所有请求用户的平均请求命中率首先增加，然后下降，这是由于能够缓存文件的协作者数量有限，不能满足所有文件的缓存需求，从而降低了请求者的请求命中率。图6进一步展示了不同方案中用户通过不同方式请求文件的占比，可以看到，相比于贪婪算法，所提出的层次化匹配方法中更多用户通过D2D方式请求，更少用户通过RSU请求，从而在基础设施缺少情况下，所提方案能保证更高请求命中率。
下面对本发明提供的基于编码缓存的内容共享装置进行描述，下文描述的基于编码缓存的内容共享装置与上文描述的基于编码缓存的内容共享方法可相互对应参照。
图7是本发明提供的基于编码缓存的内容共享装置的结构示意图，如图7所示，包括：第一确定模块710，匹配模块720和第二确定模块730；其中：
第一确定模块710用于确定为目标CR提供内容共享的CH候选集合；
匹配模块720用于基于目标CR与所述CH候选集合中每一个CH的请求命中率，对所述目标CR和所述CH候选集合进行一对多匹配，从所述CH候选集合中确定与所述CR相匹配的至少一个目标CH；
第二确定模块730用于基于所述目标CH，确定通过所述目标CH获取目标内容，或确定通过RSU节点获取目标内容。
可选地，基于编码缓存的内容共享装置可以通过第一确定模块710确定为目标CR提供内容共享的CH候选集合；然后可以基于目标CR与所述CH候选集合中每一个CH的请求命中率，通过匹配模块720对所述目标CR和所述CH候选集合进行一对多匹配，从所述CH候选集合中确定与所述CR相匹配的至少一个目标CH；随后可以基于所述目标CH，通过第二确定模块730确定通过所述目标CH获取目标内容，或确定通过RSU节点获取目标内容。
本发明提供的基于编码缓存的内容共享装置，通过确定为目标CR提供内容共享的CH候选集合进而确定可以为目标CR提供共享内容的目标CH，实现分布式方式进行内容共享，通过RSU节点获取目标内容，实现RSU协助方式进行内容共享，有限缓解基站的负荷并提高请求命中率。
图8示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行基于编码缓存的内容共享方法，该方法包括：确定为目标CR提供内容共享的CH候选集合；
基于目标CR与所述CH候选集合中每一个CH的请求命中率，对所述目标CR和所述CH候选集合进行一对多匹配，从所述CH候选集合中确定与所述CR相匹配的至少一个目标CH；
基于所述目标CH，确定通过所述目标CH获取目标内容，或确定通过RSU节点获取目标内容。
此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的基于编码缓存的内容共享方法，该方法包括：确定为目标CR提供内容共享的CH候选集合；
基于目标CR与所述CH候选集合中每一个CH的请求命中率，对所述目标CR和所述CH候选集合进行一对多匹配，从所述CH候选集合中确定与所述CR相匹配的至少一个目标CH；
基于所述目标CH，确定通过所述目标CH获取目标内容，或确定通过RSU节点获取目标内容。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的基于编码缓存的内容共享方法，该方法包括：确定为目标CR提供内容共享的CH候选集合；
基于目标CR与所述CH候选集合中每一个CH的请求命中率，对所述目标CR和所述CH候选集合进行一对多匹配，从所述CH候选集合中确定与所述CR相匹配的至少一个目标CH；
基于所述目标CH，确定通过所述目标CH获取目标内容，或确定通过RSU节点获取目标内容。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于编码缓存的内容共享方法，其特征在于，包括：
确定为目标内容请求节点CR提供内容共享的内容协作节点CH候选集合；
基于目标CR与所述CH候选集合中每一个CH的请求命中率，对所述目标CR和所述CH候选集合进行一对多匹配，从所述CH候选集合中确定与所述CR相匹配的至少一个目标CH；
基于所述目标CH，确定通过所述目标CH获取目标内容，或确定通过RSU节点获取目标内容。
2.根据权利要求1所述的基于编码缓存的内容共享方法，其特征在于，所述基于目标CR与所述CH候选集合中每一个CH的请求命中率，对所述目标CR和所述CH候选集合进行一对多匹配，从所述CH候选集合中确定与所述CR相匹配的至少一个目标CH，包括：
基于所述目标CR的第一节点类型和所述CH候选集合的第二节点类型，确定目标请求命中率模型，所述目标请求命中率模型是所述第一节点类型作为CR且所述第二节点类型作为CH的情况所对应的请求命中率模型；
基于所述目标请求命中率模型，从所述CH候选集合中确定与所述CR相匹配的至少一个目标CH。
3.根据权利要求1所述的基于编码缓存的内容共享方法，其特征在于，所述基于所述目标CH，确定通过所述目标CH获取目标内容，包括：
在确定所述至少一个目标CH的数量大于或等于第一阈值的情况下，确定通过所述目标CH获取目标内容。
4.根据权利要求1所述的基于编码缓存的内容共享方法，其特征在于，所述基于所述目标CH，确定通过RSU节点获取目标内容，包括：
在确定所述至少一个目标CH的数量小于第一阈值的情况下，确定通过RSU节点获取目标内容。
5.根据权利要求1所述的基于编码缓存的内容共享方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于所述第一节点类型作为CR且所述第二节点类型作为CH的情况所对应的信噪比，确定所述第一节点类型作为CR且所述第二节点类型作为CH的情况所对应的请求命中率模型。
6.根据权利要求1所述的基于编码缓存的内容共享方法，其特征在于，所述通过RSU节点获取目标内容，包括：
将确定通过路边单元RSU节点获取目标内容的目标节点进行两两配对，获得至少一个非正交多址接入NOMA对；
所述至少一个NOMA对通过所述RSU节点获取目标内容。
7.根据权利要求6所述的基于编码缓存的内容共享方法，其特征在于，所述将确定通过RSU节点获取目标内容的目标节点进行两两配对，获得至少一个NOMA对，包括：
基于确定所述通过RSU节点获取目标内容的目标节点的信道功率增益，将所述确定所述通过RSU节点获取目标内容的目标节点分为强节点和弱节点；
基于匈牙利算法确定所述至少一个NOMA对，其中，一个NOMA对包括一个强节点和一个弱节点。
8.一种基于编码缓存的内容共享装置，其特征在于，包括：
第一确定模块，用于确定为目标CR提供内容共享的CH候选集合；
匹配模块，用于基于目标CR与所述CH候选集合中每一个CH的请求命中率，对所述目标CR和所述CH候选集合进行一对多匹配，从所述CH候选集合中确定与所述CR相匹配的至少一个目标CH；
第二确定模块，用于基于所述目标CH，确定通过所述目标CH获取目标内容，或确定通过RSU节点获取目标内容。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述基于编码缓存的内容共享方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述基于编码缓存的内容共享方法的步骤。
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