CN114268993A - 异构用户缓存容量的多子系统嵌套编码缓存方法及系统 - Google Patents

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CN114268993A CN202111611741.XA CN202111611741A CN114268993A CN 114268993 A CN114268993 A CN 114268993A CN 202111611741 A CN202111611741 A CN 202111611741A CN 114268993 A CN114268993 A CN 114268993A
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包建荣
王璞
刘超
曾嵘
翁格奇
姜斌
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Abstract

本发明涉及异构用户缓存容量的多子系统嵌套编码缓存方法及系统，方法如下：一、源节点执行双子系统划分，得到子系统划分比例；二、中继节点和用户随机缓存部分子文件；三，忽略中继节点缓存容量，用户随机缓存剩余部分子文件；四，源节点执行全文件传输；五，中继节点执行联合设计的分组和零比特填充；六，源节点去中心化编码缓存；七，用户将接收到的子文件经解调、解码后，与步骤二和步骤三用户缓存的子文件异或处理后组合恢复请求文件。本发明利用感知的系统信息，将整个传输过程动态划分为两个子系统，并通过调整两个子系统的权重，降低整体的链路负载。

Description

异构用户缓存容量的多子系统嵌套编码缓存方法及系统
技术领域
本发明属于数字通信技术领域，具体涉及一种异构用户缓存容量的多子系统嵌套编码缓存方法及系统。
背景技术
近年来，随着数据流量迅速增长，给链路带来巨大压力，自2014年提出编码缓存技术后，编码缓存可获得全局缓存增益受到业界广泛关注。
编码缓存分为放置阶段和交付阶段。在放置阶段，通常发生在链路空闲时间段(如凌晨)，每个用户将文件的一部分内容存储在自己的缓存空间中。在交付阶段，通常发生在链路繁忙阶段，每个用户独立随机访问一个文件，服务器接收到请求后根据用户缓存的内容发送编码多播文件，用户根据接收到的文件和自己缓存的内容得到请求的文件。因此，相比于传统缓存技术，编码缓存可极大降低链路速率。编码缓存分为放置阶段和交付阶段，二者分别在非峰值阶段和峰值阶段进行。通过联合设计网络层缓存放置和物理层信号传输，最大化全局缓存增益来降低网络负载。
在现有多中继异构用户缓存容量的网络中，传统缓存策略仅可带来本地缓存增益，与单个用户缓存容量相关，通过将编码缓存技术与多中继服务器结合，在用户间获得全局缓存增益，在异构用户缓存容量的通信系统中，可大大降低源服务器的链路负载。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明公开了一种异构用户缓存容量的多子系统嵌套的编码缓存方法及系统，相比于传统的缓存和正交单播传输策略，本发明可获得用户间隐藏的编码多播增益，从而降低全局链路负载。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种异构用户缓存容量的多子系统嵌套的编码缓存方法，按如下步骤完成：
步骤S1、源节点执行双子系统划分，得到子系统划分比例；
步骤S2、中继节点和用户随机缓存部分子文件；
步骤S3，忽略中继节点缓存容量，用户随机缓存剩余部分子文件；
步骤S4，源节点执行全文件传输：源节点根据用户请求索引，将待传输的子文件经编码调制发送到自由空间，中继节点恢复所有请求的子文件；
步骤S5，中继节点执行联合设计的分组和零比特填充：根据用户和文件数量的关系，分别执行不同的编码传输方法；
步骤S6，源节点去中心化编码缓存：中继节点将源节点传输的编码信息转发给所有用户；
步骤S7，用户节点接收文件信息：用户将接收到的子文件经解调、解码后，与步骤S2和步骤S3用户缓存的子文件异或处理后组合恢复请求文件。
优选的，步骤S1，用户数量、用户缓存容量、中继节点数量和缓存容量作为输入参数，源节点执行双子系统划分方法，得到第一系统I和第二系统II的划分比例值。
优选的，步骤S2，将步骤S1所得的划分比例值作为输入参数，中继节点和用户缓存，按以下子步骤完成：
步骤S2.1，将步骤S1得到的划分比例值，通过文件划分方法对所有单个文件依次划分，得到子文件。
步骤S2.2，将步骤S1得到的划分比例值和步骤S2.1得到的子文件作为输入参数，在系统I中执行缓存文件划分方法，中继节点和用户根据划分比例和划分的子文件任意缓存部分子文件，得到缓存的子文件。
优选的，步骤S3，将步骤S1的划分比例值和步骤S2.1的子文件作为输入参数，在系统II中执行缓存文件划分方法，用户任意根据划分比例和划分的子文件缓存部分剩余子文件，得到存储子文件。
优选的，步骤S4，将用户请求某个文件序号索引作为输入参数，源节点传输请求的子文件，按以下步骤完成：
步骤S4.1，源节点将用户请求某个文件序号索引作为输入参数，执行全文件传输方法，得到经异或处理后的子文件。
步骤S4.2，源节点将步骤S4.1得到的子文件再经信道编译码及调制解调方法后，发送到自由空间中，进一步，中继节点接收到子文件序列后，经译码和解调后，得到所有请求子文件。
优选的，步骤S5，将步骤S4所得的所有请求文件和用户索引作为输入参数，中继节点执行联合设计分组和零比特填充方法，得到经异或处理后的子文件，再经信道编译码及调制解调方法处理后，得到待发送的比特序列。之后，由发射天线发送到自由空间，则在用户节点得到用户请求的所有已编码、调制的发送文件。
优选的，步骤S6，将步骤S2、步骤S3缓存的子文件和用户请求文件索引作为输入参数，源节点执行去中心化编码缓存传输剩余部分请求子文件，得到经网络编码后的子文件，再将请求的子文件，经信道编译码及调制解调方法处理后，发送到自由空间，由中继节点接收到后转发给用户节点，用户节点由接收天线在自由空间中接收到所有已编码、调制的文件。
优选的，步骤S7，将步骤S5和S6发送过来的文件，中继节点依次执行信道编译码及调制解调方法，得到经网络编码后的子文件，再与已缓存的子文件，逐比特异或、组合后，得到最终请求的文件，该请求的文件即为本发明的最后结果。
优选的，步骤S1中，双子系统划分方法采用以下步骤完成：
步骤S1.1，多中继异构用户缓存容量系统包括1个源节点，源节点的文件库中共有N个文件，文件用Wi表示，其中i为正整数，1≤i≤N，N为正整数，表示文件数目；每个文件大小为F比特，且表示为：|Wi|＝F。其中，F≥0，为大于等于0的实数。源节点可访问文件库中所有文件。有K1个中继节点和源节点相连，用Si表示第i个中继节点，i∈{1,2,...,K1}。其中，K1为正整数，i为正整数。每个中继节点可存储M1个文件，M1≤N。其中，M1为正整数。缓存容量为M1·F比特。Si缓存的文件内容记为Z1,i。每个中继节点为K2个用户提供服务。其中，K2为正整数。故系统共K1·K2个用户，且U(i,j)记为第i个中继节点下的第j个用户，U(i,j)缓存的文件内容记为Z2,(i,j)。采用下式(1)，将所有文件划分为α和1-α的比例值，用户缓存容量划分为β和1-β的比例值。其中，α,β为0到1范围内的实数。
Figure BDA0003435182230000031
其中，I,II,III为罗马字的1,2,3，在此分别表示为下式(2)-(4)中，不同文件数量、中继节点数量、中继节点缓存容量和用户缓存容量不同取值下的划分区域：
M1+MmaxK2≥N,0≤M1≤N/4 (2)
M1+MmaxK2≤N (3)
M1+MmaxK2≥N,N/4＜M1≤N (4)
步骤2.2，在步骤2.1得到子系统划分比例后，将系统划分为两个子系统，系统I和系统II分别为传输请求文件的α和(1-α)部分。
优选的，步骤S4.1中，全文件传输方法采用以下步骤完成：
步骤S4.1.1：每个用户请求一个文件
Figure BDA0003435182230000041
且
Figure BDA0003435182230000042
表示用户U(i,j)请求的文件。去中心化编码交付策略方法如下：若有K1个用户，每个用户请求的文件索引为dk，交付阶段源节点发送：
Figure BDA0003435182230000043
其中，∪(·)表示将(·)中的子文件发送后再次发送其余子文件，K表示临时变量，
Figure BDA0003435182230000044
表示集合S\k中的用户请求的子文件，S\k表示集合S中不包含k，[K1]＝{1,2,...,K1}，
Figure BDA0003435182230000045
表示异或运算。经过以上发送过程，所有用户均可获得请求的子文件。
步骤S4.1.2：在所有文件中任选K1个文件，源节点采用下式(6)中的去中心化传输，每次传输保证发送给Sk不相同的文件，因此，源节点发送
Figure BDA0003435182230000046
其中，
Figure BDA0003435182230000047
表示集合T属于集合[N]的子集，|T|＝K1表示集合T中的元素个数等于K1，
Figure BDA0003435182230000048
表示用户U(i,j)的请求索引不属于d′1,k，d′1,k表示Sk在此次去中心化交付前请求的文件索引集合，d′1,k＝{d1,1,d1,2,...,d1,K1}，d1,1表示用户U(i,j)的请求索引，为正整数。[N]＝{1,2,...,N}，k∈S表示k属于集合S。K为正整数，表示一个临时变量。
优选的，步骤S5中，联合设计基于分组和零比特填充方法采用以下步骤完成：
步骤S5.1：假设Si下有k1个用户请求W1，记为d(i,j)＝1,1≤j≤k1，将这些用户划分为一组，记为G1；Si下有k2个用户请求W2，划分到组G2中，其余同理。定义
Figure BDA0003435182230000051
表示第k组中的用户数量，因此Gk中用户数量为Hk-Hk-1，
Figure BDA0003435182230000052
用户请求为
d(i,j)＝k,k＝1,2,...,N,Hk-1+1≤j≤Hk (7)
其中，H0＝0。
交付阶段分为三个阶段。
第一阶段，Sk交付未被缓存在所有用户下的文件，即Sk发送
Figure BDA0003435182230000053
Figure BDA0003435182230000059
表示不被任何用户缓存的请求子文件，
Figure BDA0003435182230000054
表示空集，不包含任何内容。
第二阶段，每个用户获得所有仅缓存在一个用户中的子文件，这一阶段，首先，Sk广播
Figure BDA0003435182230000055
其中，Wi,{k}表示仅被用户k缓存的Wi的子文件。对于用户U(i,j)∈Gk，请求文件索引d(i,j)＝k，当接收到式(9)的文件后，该组中的U(i,j)可获得Gk中缓存在其他用户中Wk的所有子文件，即Wk,{l},l∈{Hk-1+1,Hk-1+2,...,Hk}。
在发送式(9)后，Sk广播
Figure BDA0003435182230000056
式(10)的主要目的是使得Gk中的用户可获得其他组中用户缓存的子文件
Figure BDA0003435182230000057
T\k表示集合T中不包含元素k。
第三阶段，传输缓存在两个及两个以上用户请求文件的子文件，Sk发送
Figure BDA0003435182230000058
其中，|T|表示集合T中所包含的元素数量，
Figure BDA0003435182230000061
表示集合T属于集合[K2]的子集，[K2]＝{1,2,...,K2}。
经过以上三个阶段，拥有异构缓存容量的用户可获得所有仅缓存在一个用户中的子文件。
步骤S5.2：当用户数量小于文件数量时，Sk在不同用户集合间依次创建编码多播机会，对每次用户集合，将较小的子文件进行零比特填充，使其和最大子文件大小相同，再经Sk编码后广播给所有用户。Sk广播的内容为
Figure BDA0003435182230000062
其中，
Figure BDA0003435182230000063
为零比特填充后的子文件,T\k表示集合T中不包含元素k。每个子文件填充的零比特大小为
Figure BDA0003435182230000064
表示
Figure BDA0003435182230000065
可取的最大比特值。
本发明还公开了一种异构用户缓存容量的多子系统嵌套的编码缓存系统，包括如下模块：
子系统划分模块：源节点执行双子系统划分，得到子系统划分比例；
部分子文件缓存模块：中继节点和用户随机缓存部分子文件；
剩余部分子文件缓存模块：忽略中继节点缓存容量，用户随机缓存剩余部分子文件；
源节点执行全文件传输模块：源节点根据用户请求索引，将待传输的子文件经编码调制发送到自由空间，中继节点恢复所有请求的子文件；
联合设计的分组和零比特填充模块：根据用户和文件数量的关系，分别执行不同的编码传输方法；
源节点去中心化编码缓存模块：中继节点将源节点传输的编码信息转发给所有用户；
用户节点接收文件信息模块：用户将接收到的子文件经解调、解码后，与部分子文件缓存模块和剩余部分子文件缓存模块用户缓存的子文件异或处理后组合恢复请求文件。
本发明的技术效果如下：
本发明将编码缓存应用到异构用户缓存的多中继无线通信系统中，提出多子系统嵌套的编码缓存策略。相比于整体系统的编码放置和交付，通过感知系统的状态信息，动态调整两个子系统的权重来降低整体系统的链路负载。根据用户数量和文件数量的关系，联合设计基于分组和零比特填充策略，从而降低传输负载和复杂度。
附图说明
图1为本发明实施例一的系统模型图。
图2为本发明实施例一子系统划分模型图。
图3为本发明实施例一的流程图。
图4为本发明实施例一不同参数下用户归一化缓存容量图。
图5为本发明实施例一基于分组链路速率的比较图。
图6为本发明实施例一零比特填充的链路速率的比较图。
图7为本发明实施例一区域划分参数图。
图8为实施例二异构用户缓存容量的多子系统嵌套的编码缓存系统框图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。
本发明所提供的一种异构无线通信网络中的多子系统嵌套的编码缓存技术方案可用于信息与通信工程技术领域，并不局限于以下实施例所详细说明的通信领域。下面选取典型领域说明本发明的具体实施方式。
本发明涉及的一些背景技术介绍如下：
1、分层编码缓存方法
将系统划分为两个子系统，对所有文件和用户缓存容量进行划分。第一个子系统利用相邻节点间的编码多播增益传输一部分子文件。第二个子系统交付剩余文件，忽略中继节点缓存容量，直接在源节点和用户间进行编码交付，中继节点仅起转发作用。通过优化两个子系统的比重，降低整体系统的链路速率。
在放置阶段，中继节点和用户采用去中心化缓存放置，在不同子系统中缓存部分子文件。
在交付阶段，根据划分的子系统，采用去中心化传输。相比于HPF策略，基于分组的编码缓存可大大降低交付阶段的链路负载。具体见“Karamchandani N,Niesen U,Maddah-Ali M A,et al.Hierarchical Coded Caching[J].IEEE Transactions on InformationTheory,2016,62(6):3212-3229.”
2、去中心化编码缓存方法
在放置阶段，每个用户对不同组中随机缓存相应文件库中每个文件的MlF/Nl比特，不同用户之间互不影响。
在交付阶段，每个用户请求一个文件，服务器接收到请求后每次传输满足同一组中用户的请求，利用去中心化编码缓存，通过L次传输对所有用户请求的内容进行交付。具体见“Maddah-Ali M A,Niesen U.Decentralized Coded Caching Attains Order-Optimal Memory-Rate Tradeoff[J].IEEE/ACM Transactions on Networking,2015,23(4):1029-1040.”
3、基于分组的编码缓存方法
在异构用户缓存容量的单层无线通信系统中，基于去中心化编码缓存，在放置阶段，每个用户根据自己缓存容量将文件划分为部分子文件，采用去中心化放置存储在缓存中。在交付阶段，源节点依次传输给用户未被任何用户缓存的子文件，仅被一个用户缓存的请求子文件，被两个及两个以上用户缓存的请求子文件。具体见“[1]Amiri M M,Yang Q DGunduz.Decentralized Caching and Coded Delivery with Distinct CacheCapacities[J].IEEE Transactions on Communications,2017,65(11):4657-4669.”
4、信道编译码及调制解调方法
信道编码和译码是用于提高信道可靠性的理论和方法，由于移动通信存在干扰和衰落，在信号传输过程中将出现差错，故对数字信号必须采用纠、检错技术，即纠、检错编码技术，以增强数据在信道中传输时抵御各种干扰的能力，提高系统的可靠性。对要在信道中传送的数字信号进行的纠、检错编码就是信道编码。常见的信道编码有线性分组码、卷积码、Turbo码、LDPC和Polar码等。
调制与解调是指在发送端把基带信号(包含传输信息的有效信号)加载到某个载波(通常为高频的正弦或余弦波)的过程称为调制，得到的信号称为已调信号，调制通常有调幅(AM)，调频(FM)和调相(PM)。解调通常有正弦波幅度解调、正弦波角度解调和共振解调。解调是调制的逆过程，就是在接收端通过某种信号处理手段从已调信号中得到基带信号。具体见“樊昌信，曹丽娜.通信原理(第7版)[M].国防工业出版社，2018”。
实施例一
参见图1-3，本实施例一种异构用户缓存容量的多子系统嵌套的编码缓存方法，按如下步骤：
步骤S1，用户数量、用户缓存容量、中继节点数量和缓存容量作为输入参数，源节点执行双子系统划分方法，得到系统I和系统II的划分比例值。
步骤S2，将步骤S1所得的划分比例值作为输入参数，中继节点和用户缓存步骤，按以下子步骤完成：
步骤S2.1，将步骤S1得到的比例值，执行前述背景技术介绍的文件划分方法对所有单个文件依次划分，得到子文件。
步骤S2.2，将步骤S1得到的划分比例值和步骤S2.1得到的子文件作为输入参数，在系统I中执行前述背景技术介绍的缓存文件划分方法，中继节点和用户根据划分比例和划分的子文件任意缓存部分子文件，得到缓存的子文件。
步骤S3，将步骤S1的划分比例值和步骤S2.1的子文件作为输入参数，在系统II中执行前述背景技术介绍的缓存文件划分方法，用户任意根据划分比例和划分的子文件缓存部分剩余子文件，得到存储子文件。
步骤S4，将用户请求某个文件序号索引作为输入参数，源节点传输请求的子文件，按以下步骤完成：
步骤S4.1，源节点将用户请求某个文件序号索引作为输入参数，执行全文件传输方法，得到经异或处理后的子文件。
步骤S4.2，源节点将步骤S4.1得到的子文件再经前述背景技术介绍的信道编译码及调制解调方法后，发送到自由空间中，进一步，中继节点接收到子文件序列后，经前述背景技术介绍的译码和解调后，得到所有请求子文件。
步骤S5，将步骤S4所得的所有请求文件和用户索引作为输入参数，中继节点执行联合设计分组和零比特填充方法，得到经异或处理后的子文件，然后，再经前述背景技术介绍的信道编译码及调制解调方法处理后，得到待发送的比特序列。之后，由发射天线发送到自由空间，则在用户节点得到用户请求的所有已编码、调制的发送文件。
步骤S6，将步骤S2、步骤S3缓存的子文件和用户请求文件索引作为输入参数，源节点执行前述背景技术介绍的去中心化编码缓存传输剩余部分子文件，得到经网络编码后的子文件，之后，再将请求的子文件，经前述背景技术介绍的信道编译码及调制解调方法处理后，发送到自由空间，由中继节点接收到后转发给用户节点，用户节点由接收天线在自由空间中接收到所有已编码、调制的文件。
步骤S7，将步骤S5和S6发送过来的文件，中继节点依次执行前述背景技术介绍的信道编译码及调制解调方法，得到经网络编码后的子文件，再与已缓存的子文件，逐比特异或、组合后，得到最终请求的文件，该请求的文件即为本发明的最后结果。
本实施例的步骤S1中，双子系统划分方法采用以下步骤完成：
步骤S1.1，多中继异构用户缓存容量系统包括1个源节点，源节点的文件库中共有N个文件，文件用Wi表示，其中i为正整数，1≤i≤N，N为正整数，表示文件数目；每个文件大小为F比特，且表示为：|Wi|＝F。其中，F≥0，为大于等于0的实数。源节点可访问文件库中所有文件。有K1个中继节点和源节点相连，用Si表示第i个中继节点，i∈{1,2,...,K1}。其中，K1为正整数，i为正整数。每个中继节点可存储M1个文件，M1≤N。其中，M1为正整数。缓存容量为M1·F比特。Si缓存的文件内容记为Z1,i。每个中继节点为K2个用户提供服务。其中，K2为正整数。故系统共K1·K2个用户，且U(i,j)记为第i个中继节点下的第j个用户，U(i,j)缓存的文件内容记为Z2,(i,j)。采用下式(1)，将所有文件划分为α和1-α的比例值，用户缓存容量划分为β和1-β的比例值。其中，α,β为0到1范围内的实数。
Figure BDA0003435182230000101
其中，I,II,III为罗马字的1,2,3，在此分别表示为下式(2)-(4)中，不同文件数量、中继节点数量、中继节点缓存容量和用户缓存容量不同取值下的划分区域：
M1+MmaxK2≥N,0≤M1≤N/4 (2)
M1+MmaxK2≤N (3)
M1+MmaxK2≥N,N/4＜M1≤N (4)
步骤S1.2，在步骤2.1得到子系统划分比例后，将系统划分为两个子系统，系统I和系统II分别为传输请求文件的α和(1-α)部分。
本实施例的步骤S4.1中，全文件传输方法采用以下步骤完成：
步骤S4.1.1：每个用户请求一个文件
Figure BDA0003435182230000111
且
Figure BDA0003435182230000112
表示用户U(i,j)请求的文件。去中心化编码交付策略方法如下：若有K1个用户，每个用户请求的文件索引为dk，交付阶段源节点发送：
Figure BDA0003435182230000113
其中，∪(·)表示将(·)中的子文件发送后再次发送其余子文件，K表示临时变量，
Figure BDA0003435182230000114
表示集合S\k中的用户请求的子文件，S\k表示集合S中不包含k，[K1]＝{1,2,...,K1}，
Figure BDA0003435182230000115
表示异或运算。经过以上发送过程，所有用户均可获得请求的子文件。
步骤S4.2.2：在所有文件中任选K1个文件，源节点采用下式(6)中的去中心化传输，每次传输保证发送给Sk不相同的文件，因此，源节点发送
Figure BDA0003435182230000116
其中，
Figure BDA0003435182230000117
表示集合T属于集合[N]的子集，|T|＝K1表示集合T中的元素个数等于K1，
Figure BDA0003435182230000118
表示用户U(i,j)的请求索引不属于d′1,k，d′1,k表示Sk在此次去中心化交付前请求的文件索引集合，d′1,k＝{d1,1,d1,2,...,d1,K1}，d1,1表示用户U(i,j)的请求索引，为正整数。[N]＝{1,2,...,N}，k∈S表示k属于集合S。K为正整数，表示一个临时变量。
本实施例的步骤S5中，联合设计基于分组和零比特填充方法采用以下步骤完成：
步骤S5.1：假设Si下有k1个用户请求W1，记为d(i,j)＝1,1≤j≤k1，将这些用户划分为一组，记为G1；Si下有k2个用户请求W2，划分到组G2中，其余同理。定义
Figure BDA0003435182230000119
表示第k组中的用户数量，因此Gk中用户数量为Hk-Hk-1，
Figure BDA00034351822300001110
用户请求为
d(i,j)＝k,k＝1,2,...,N,Hk-1+1≤j≤Hk (7)
其中，H0＝0。
交付阶段分为三个阶段。
第一阶段，Sk交付未被缓存在所有用户下的文件，即Sk发送
Figure BDA0003435182230000121
Figure BDA0003435182230000122
表示不被任何用户缓存的请求子文件，
Figure BDA0003435182230000123
表示空集，不包含任何内容。
第二阶段，每个用户获得所有仅缓存在一个用户中的子文件，这一阶段，首先，Sk广播
Figure BDA0003435182230000124
其中，Wi,{k}表示仅被用户k缓存的Wi的子文件。对于用户U(i,j)∈Gk，请求文件索引d(i,j)＝k，当接收到式(9)的文件后，该组中的U(i,j)可获得Gk中缓存在其他用户中Wk的所有子文件，即Wk,{l},l∈{Hk-1+1,Hk-1+2,...,Hk}。
在发送式(9)后，Sk广播
Figure BDA0003435182230000125
式(10)的主要目的是使得Gk中的用户可获得其他组中用户缓存的子文件
Figure BDA0003435182230000126
T\k表示集合T中不包含元素k。
第三阶段，传输缓存在两个及两个以上用户请求文件的子文件，Sk发送
Figure BDA0003435182230000127
其中，|T|表示集合T中所包含的元素数量，
Figure BDA0003435182230000128
表示集合T属于集合[K2]的子集，[K2]＝{1,2,...,K2}。
经过以上三个阶段，拥有异构缓存容量的用户可获得所有仅缓存在一个用户中的子文件。
步骤S5.2：当用户数量小于文件数量时，Sk在不同用户集合间依次创建编码多播机会，对每次用户集合，将较小的子文件进行零比特填充，使其和最大子文件大小相同，再经Sk编码后广播给所有用户。Sk广播的内容为
Figure BDA0003435182230000131
其中，
Figure BDA0003435182230000132
为零比特填充后的子文件,T\k表示集合T中不包含元素k。每个子文件填充的零比特大小为
Figure BDA0003435182230000133
表示
Figure BDA0003435182230000134
可取的最大比特值。
实施例二
如图8所示，异构用户缓存容量的多子系统嵌套的编码缓存系统，包括如下模块：
子系统划分模块：源节点执行双子系统划分，得到子系统划分比例；
部分子文件缓存模块：中继节点和用户随机缓存部分子文件；
剩余部分子文件缓存模块：忽略中继节点缓存容量，用户随机缓存剩余部分子文件；
源节点执行全文件传输模块：源节点根据用户请求索引，将待传输的子文件经编码调制发送到自由空间，中继节点恢复所有请求的子文件；
联合设计的分组和零比特填充模块：根据用户和文件数量的关系，分别执行不同的编码传输方法；
源节点去中心化编码缓存模块：中继节点将源节点传输的编码信息转发给所有用户；
用户节点接收文件信息模块：用户将接收到的子文件经解调、解码后，与部分子文件缓存模块和剩余部分子文件缓存模块用户缓存的子文件异或处理后组合恢复请求文件。
本实施例更具体的介绍如下：
子系统划分模块中，用户数量、用户缓存容量、中继节点数量和缓存容量作为输入参数，源节点执行双子系统划分方法，得到系统I和系统II的划分比例值。
部分子文件缓存模块，将子系统划分模块所得的划分比例值作为输入参数，中继节点和用户缓存步骤，按以下子步骤完成：
步骤S2.1，将子系统划分模块得到的比例值，执行前述背景技术介绍的文件划分方法对所有单个文件依次划分，得到子文件。
步骤S2.2，将子系统划分模块得到的划分比例值和步骤S2.1得到的子文件作为输入参数，在系统I中执行前述背景技术介绍的缓存文件划分方法，中继节点和用户根据划分比例和划分的子文件任意缓存部分子文件，得到缓存的子文件。
剩余部分子文件缓存模块，将子系统划分模块的划分比例值和步骤S2.1的子文件作为输入参数，在系统II中执行前述背景技术介绍的缓存文件划分方法，用户任意根据划分比例和划分的子文件缓存部分剩余子文件，得到存储子文件。
源节点执行全文件传输模块，将用户请求某个文件序号索引作为输入参数，源节点传输请求的子文件，按以下步骤完成：
步骤S4.1，源节点将用户请求某个文件序号索引作为输入参数，执行全文件传输方法，得到经异或处理后的子文件。
步骤S4.2，源节点将步骤S4.1得到的子文件再经前述背景技术介绍的信道编译码及调制解调方法后，发送到自由空间中，进一步，中继节点接收到子文件序列后，经前述背景技术介绍的译码和解调后，得到所有请求子文件。
联合设计的分组和零比特填充模块，将源节点执行全文件传输模块所得的所有请求文件和用户索引作为输入参数，中继节点执行联合设计分组和零比特填充方法，得到经异或处理后的子文件，再经前述背景技术介绍的信道编译码及调制解调方法处理后，得到待发送的比特序列。之后，由发射天线发送到自由空间，则在用户节点得到用户请求的所有已编码、调制的发送文件。
源节点去中心化编码缓存模块，将部分子文件缓存模块、剩余部分子文件缓存模块缓存的子文件和用户请求文件索引作为输入参数，源节点执行前述背景技术介绍的去中心化传输方法，得到经网络编码后的子文件，之后，再将请求的子文件，经前述背景技术介绍的信道编译码及调制解调方法处理后，发送到自由空间，由中继节点接收到后转发给用户节点，用户节点由接收天线在自由空间中接收到所有已编码、调制的文件。
用户节点接收文件信息模块，将联合设计的分组和零比特填充模块和源节点去中心化编码缓存模块发送过来的文件，中继节点依次执行前述背景技术介绍的信道编译码及调制解调方法，得到经网络编码后的子文件，再与已缓存的子文件，逐比特异或、组合后，得到最终请求的文件，该请求的文件即为本发明的最后结果。
本实施例的子系统划分模块中，双子系统划分方法采用以下步骤完成：
步骤S1.1，多中继异构用户缓存容量系统包括1个源节点，源节点的文件库中共有N个文件，文件用Wi表示，其中i为正整数，1≤i≤N，N为正整数，表示文件数目；每个文件大小为F比特，且表示为：|Wi|＝F。其中，F≥0，为大于等于0的实数。源节点可访问文件库中所有文件。有K1个中继节点和源节点相连，用Si表示第i个中继节点，i∈{1,2,...,K1}。其中，K1为正整数，i为正整数。每个中继节点可存储M1个文件，M1≤N。其中，M1为正整数。缓存容量为M1·F比特。Si缓存的文件内容记为Z1,i。每个中继节点为K2个用户提供服务。其中，K2为正整数。故系统共K1·K2个用户，且U(i,j)记为第i个中继节点下的第j个用户，U(i,j)缓存的文件内容记为Z2,(i,j)。采用下式(1)，将所有文件划分为α和1-α的比例值，用户缓存容量划分为β和1-β的比例值。其中，α,β为0到1范围内的实数。
Figure BDA0003435182230000151
其中，I,II,III为罗马字的1,2,3，在此分别表示为下式(2)-(4)中，不同文件数量、中继节点数量、中继节点缓存容量和用户缓存容量不同取值下的划分区域：
M1+MmaxK2≥N,0≤M1≤N/4 (2)
M1+MmaxK2≤N (3)
M1+MmaxK2≥N,N/4＜M1≤N (4)
步骤S1.2，在步骤2.1得到子系统划分比例后，将系统划分为两个子系统，系统I和系统II分别为传输请求文件的α和(1-α)部分。
本实施例的步骤S4.1中，全文件传输方法采用以下步骤完成：
步骤S4.1.1：每个用户请求一个文件
Figure BDA0003435182230000152
且
Figure BDA0003435182230000153
表示用户U(i,j)请求的文件。去中心化编码交付策略方法如下：若有K1个用户，每个用户请求的文件索引为dk，交付阶段源节点发送：
Figure BDA0003435182230000161
其中，∪(·)表示将(·)中的子文件发送后再次发送其余子文件，K表示临时变量，
Figure BDA0003435182230000162
表示集合S\k中的用户请求的子文件，S\k表示集合S中不包含k，[K1]＝{1,2,...,K1}，
Figure BDA0003435182230000163
表示异或运算。经过以上发送过程，所有用户均可获得请求的子文件。
步骤S4.2.2：在所有文件中任选K1个文件，源节点采用下式(6)中的去中心化传输，每次传输保证发送给Sk不相同的文件，因此，源节点发送
Figure BDA0003435182230000164
其中，
Figure BDA0003435182230000165
表示集合T属于集合[N]的子集，|T|＝K1表示集合T中的元素个数等于K1，
Figure BDA0003435182230000166
表示用户U(i,j)的请求索引不属于d′1,k，d′1,k表示Sk在此次去中心化交付前请求的文件索引集合，d′1,k＝{d1,1,d1,2,...,d1,K1}，d1,1表示用户U(i,j)的请求索引，为正整数。[N]＝{1,2,...,N}，k∈S表示k属于集合S。K为正整数，表示一个临时变量。
本实施例的联合设计的分组和零比特填充模块中，联合设计基于分组和零比特填充方法采用以下步骤完成：
步骤S5.1：假设Si下有k1个用户请求W1，记为d(i,j)＝1,1≤j≤k1，将这些用户划分为一组，记为G1；Si下有k2个用户请求W2，划分到组G2中，其余同理。定义
Figure BDA0003435182230000167
表示第k组中的用户数量，因此Gk中用户数量为Hk-Hk-1，
Figure BDA0003435182230000168
用户请求为
d(i,j)＝k,k＝1,2,...,N,Hk-1+1≤j≤Hk (7)
其中，H0＝0。
交付阶段分为三个阶段。
第一阶段，Sk交付未被缓存在所有用户下的文件，即Sk发送
Figure BDA0003435182230000171
Figure BDA0003435182230000172
表示不被任何用户缓存的请求子文件，
Figure BDA0003435182230000173
表示空集，不包含任何内容。
第二阶段，每个用户获得所有仅缓存在一个用户中的子文件，这一阶段，首先，Sk广播
Figure BDA0003435182230000174
其中，Wi,{k}表示仅被用户k缓存的Wi的子文件。对于用户U(i,j)∈Gk，请求文件索引d(i,j)＝k，当接收到式(9)的文件后，该组中的U(i,j)可获得Gk中缓存在其他用户中Wk的所有子文件，即Wk,{l},l∈{Hk-1+1,Hk-1+2,...,Hk}。
在发送式(9)后，Sk广播
Figure BDA0003435182230000175
式(10)的主要目的是使得Gk中的用户可获得其他组中用户缓存的子文件
Figure BDA0003435182230000176
T\k表示集合T中不包含元素k。
第三阶段，传输缓存在两个及两个以上用户请求文件的子文件，Sk发送
Figure BDA0003435182230000177
其中，|T|表示集合T中所包含的元素数量，
Figure BDA0003435182230000178
表示集合T属于集合[K2]的子集，[K2]＝{1,2,...,K2}。
经过以上三个阶段，拥有异构缓存容量的用户可获得所有仅缓存在一个用户中的子文件。
步骤S5.2：当用户数量小于文件数量时，Sk在不同用户集合间依次创建编码多播机会，对每次用户集合，将较小的子文件进行零比特填充，使其和最大子文件大小相同，再经Sk编码后广播给所有用户。Sk广播的内容为
Figure BDA0003435182230000181
其中，
Figure BDA0003435182230000182
为零比特填充后的子文件,T\k表示集合T中不包含元素k。每个子文件填充的零比特大小为
Figure BDA0003435182230000183
表示
Figure BDA0003435182230000184
可取的最大比特值。
本发明将编码缓存应用到异构用户缓存的多中继无线通信系统中，提出多子系统嵌套的编码缓存策略。相比于整体系统的编码放置和交付，通过感知系统的状态信息，动态调整两个子系统的权重来降低整体系统的链路负载。根据用户数量和文件数量的关系，联合设计基于分组和零比特填充策略，从而降低传输负载和复杂度。此外，本发明还提出了基于去中心化编码缓存的全文件传输策略，在最低链路速率下使得所有中继节点可恢复所有文件。通过引入中继节点和编码缓存的方法，减少了源服务器的链路负载，有效提高了系统的有效性和可靠性，具有较高应用价值。
尽管已描述本发明的实施例，但对本领域的技术人员而言，可在不脱离本发明方法原理和精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.异构用户缓存容量的多子系统嵌套的编码缓存方法，其特征在于按如下步骤：
步骤S1、源节点执行双子系统划分，得到子系统划分比例；
步骤S2、中继节点和用户随机缓存部分子文件；
步骤S3，忽略中继节点缓存容量，用户随机缓存剩余部分子文件；
步骤S4，源节点执行全文件传输：源节点根据用户请求索引，将待传输的子文件经编码调制发送到自由空间，中继节点恢复所有请求的子文件；
步骤S5，中继节点执行联合设计的分组和零比特填充：根据用户和文件数量的关系，分别执行不同的编码传输方法；
步骤S6，源节点去中心化编码缓存：中继节点将源节点传输的编码信息转发给所有用户；
步骤S7，用户节点接收文件信息：用户将接收到的子文件经解调、解码后，与步骤S2和步骤S3用户缓存的子文件异或处理后组合恢复请求文件。
2.如权利要求1所述的异构用户缓存容量的多子系统嵌套的编码缓存方法，其特征在于，步骤S1具体如下，将用户数量、用户缓存容量、中继节点数量和缓存容量作为输入参数，源节点执行双子系统划分，得到第一系统I和第二系统II的划分比例值；
和/或，
步骤S2具体如下，将步骤S1所得的划分比例值作为输入参数，中继节点和用户缓存按以下子步骤完成：
步骤S2.1，将步骤S1得到的划分比例值，对所有单个文件依次划分，得到子文件；
步骤S2.2，将步骤S1得到的划分比例值和步骤S2.1得到的子文件作为输入参数，在第一系统I中执行缓存文件划分，中继节点和用户根据划分比例和划分的子文件缓存部分子文件，得到缓存的子文件。
3.如权利要求1所述的异构用户缓存容量的多子系统嵌套的编码缓存方法，其特征在于，步骤S3具体如下，将步骤S1的划分比例值和步骤S2.1的子文件作为输入参数，在第二系统II中执行缓存文件划分，用户任意根据划分比例和划分的子文件缓存部分剩余子文件，得到存储子文件。
4.如权利要求1所述的异构用户缓存容量的多子系统嵌套的编码缓存方法，其特征在于，步骤S4具体如下，将用户请求某个文件序号索引作为输入参数，源节点传输请求的子文件，按以下步骤：
步骤S4.1，源节点将用户请求某个文件序号索引作为输入参数，执行全文件传输，得到经异或处理后的子文件；
步骤S4.2，源节点将步骤S4.1得到的子文件经信道编译码及调制解调后，发送到自由空间中，进一步，中继节点接收到子文件序列后，经译码和解调后，得到所有请求子文件。
5.如权利要求1所述的异构用户缓存容量的多子系统嵌套的编码缓存方法，其特征在于，步骤S5具体如下，将步骤S4所得的所有请求文件和用户索引作为输入参数，中继节点执行联合设计分组和零比特填充，得到经异或处理后的子文件，再经信道编译码及调制解调后，得到待发送的比特序列；由发射天线发送到自由空间，则在用户节点得到用户请求的所有已编码、调制的发送文件；
和/或，
步骤S6具体如下，将步骤S2、步骤S3缓存的子文件和用户请求文件索引作为输入参数，源节点执行去中心化编码缓存传输剩余部分请求子文件，得到经网络编码后的子文件，再将请求的子文件，经信道编译码及调制解调后，发送到自由空间，用户节点由接收天线在自由空间中接收到所有已编码、调制的文件。
6.如权利要求1所述的异构用户缓存容量的多子系统嵌套的编码缓存方法，其特征在于，步骤S7具体如下，将步骤S5和S6发送过来的文件，中继节点依次执行信道编译码及调制解调，得到经网络编码后的子文件，再与已缓存的子文件，逐比特异或、组合后，得到最终请求的文件。
7.如权利要求1-6任一项所述的异构用户缓存容量的多子系统嵌套的编码缓存方法，其特征在于，步骤S1中，双子系统划分采取以下步骤：
步骤S1.1，多中继异构用户缓存容量系统包括1个源节点，源节点的文件库中共有N个文件，文件用Wi表示，其中i为正整数，1≤i≤N，N为正整数，表示文件数目；每个文件大小为F比特，且表示为：|Wi|＝F；其中，F≥0，为大于等于0的实数；源节点能访问文件库中所有文件；有K1个中继节点和源节点相连，用Si表示第i个中继节点，i∈{1,2,...,K1}；其中，K1为正整数，i为正整数；每个中继节点可存储M1个文件，M1≤N；其中，M1为正整数；缓存容量为M1·F比特；Si缓存的文件内容记为Z1,i；每个中继节点为K2个用户提供服务；其中，K2为正整数；故系统共K1·K2个用户，且U(i,j)记为第i个中继节点下的第j个用户，U(i,j)缓存的文件内容记为Z2,(i,j)；
采用下式(1)，将所有文件划分为α和1-α的比例值，用户缓存容量划分为β和1-β的比例值；其中，α,β为0到1范围内的实数；
Figure FDA0003435182220000031
其中，I,II,III为罗马字的1,2,3，分别表示为下式(2)-(4)中，不同文件数量、中继节点数量、中继节点缓存容量和用户缓存容量不同取值下的划分区域：
M1+MmaxK2≥N,0≤M1≤N/4 (2)
M1+MmaxK2≤N (3)
M1+MmaxK2≥N,N/4＜M1≤N (4)
步骤1.2，在步骤1.1得到子系统划分比例后，将系统划分为两个子系统，第一系统I和第二系统II分别为传输请求文件的α和(1-α)部分。
8.如权利要求4所述的异构用户缓存容量的多子系统嵌套的编码缓存方法，其特征在于，步骤S4.1中，全文件传输采取以下步骤：
步骤S4.1.1，每个用户请求一个文件
Figure FDA0003435182220000032
且
Figure FDA0003435182220000033
表示用户U(i,j)请求的文件；去中心化编码交付策略方法如下：若有K1个用户，每个用户请求的文件索引为dk，交付阶段源节点发送：
Figure FDA0003435182220000034
其中，∪(·)表示将(·)中的子文件发送后再次发送其余子文件，K表示临时变量，
Figure FDA0003435182220000035
表示集合S\k中的用户请求的子文件，S\k表示集合S中不包含k，[K1]＝{1,2,...,K1}，
Figure FDA0003435182220000036
表示异或运算；经过以上发送过程，所有用户均可获得请求的子文件；
步骤4.1.2：在所有文件中任选K1个文件，源节点采用下式(6)中的去中心化传输，每次传输保证发送给Sk不相同的文件，因此，源节点发送
Figure FDA0003435182220000037
其中，
Figure FDA0003435182220000041
表示集合T属于集合[N]的子集，|T|＝K1表示集合T中的元素个数等于K1，
Figure FDA0003435182220000042
表示用户U(i,j)的请求索引不属于d′1,k，d′1,k表示Sk在此次去中心化交付前请求的文件索引集合，
Figure FDA0003435182220000049
d1,1表示用户U(i,j)的请求索引，为正整数；[N]＝{1,2,...,N}，k∈S表示k属于集合S；K为正整数，表示一个临时变量。
9.如权利要求1或5所述的异构用户缓存容量的多子系统嵌套的编码缓存方法，其特征在于，步骤S5中，联合设计基于分组和零比特填充采取以下步骤：
步骤S5.1，假设Si下有k1个用户请求W1，记为d(i,j)＝1,1≤j≤k1，将这些用户划分为一组，记为G1；Si下有k2个用户请求W2，划分到组G2中，其余同理；定义
Figure FDA0003435182220000043
表示第k组中的用户数量，因此Gk中用户数量为Hk-Hk-1，
Figure FDA0003435182220000044
用户请求为
d(i,j)＝k,k＝1,2,...,N,Hk-1+1≤j≤Hk (7)
其中，H0＝0；
交付阶段分为三个阶段：
第一阶段，Sk交付未被缓存在所有用户下的文件，即Sk发送
Figure FDA0003435182220000045
Figure FDA0003435182220000046
表示不被任何用户缓存的请求子文件，
Figure FDA0003435182220000047
表示空集，不包含任何内容；
第二阶段，每个用户获得所有仅缓存在一个用户中的子文件，首先，Sk广播
Figure FDA0003435182220000048
其中，Wi,{k}表示仅被用户k缓存的Wi的子文件；对于用户U(i,j)∈Gk，请求文件索引d(i,j)＝k，当接收到式(9)的文件后，该组中的U(i,j)获得Gk中缓存在其他用户中Wk的所有子文件，即Wk,{l},l∈{Hk-1+1,Hk-1+2,...,Hk}；
在发送式(9)后，Sk广播
Figure FDA0003435182220000051
式(10)的主要目的是使得Gk中的用户能获得其他组中用户缓存的子文件
Figure FDA0003435182220000052
T\k表示集合T中不包含元素k；
第三阶段，传输缓存在两个及两个以上用户请求文件的子文件，Sk发送
Figure FDA0003435182220000053
其中，|T|表示集合T中所包含的元素数量，
Figure FDA0003435182220000054
表示集合T属于集合[K2]的子集，[K2]＝{1,2,...,K2}；
经过以上三个阶段，拥有异构缓存容量的用户能获得所有仅缓存在一个用户中的子文件；
步骤S5.2：当用户数量小于文件数量时，Sk在不同用户集合间依次创建编码多播机会，对每次用户集合，将较小的子文件进行零比特填充，使其和最大子文件大小相同，再经Sk编码后广播给所有用户；Sk广播的内容为
Figure FDA0003435182220000055
其中，
Figure FDA0003435182220000056
为零比特填充后的子文件,T\k表示集合T中不包含元素k；每个子文件填充的零比特大小为
Figure FDA0003435182220000057
表示
Figure FDA0003435182220000058
可取的最大比特值。
10.异构用户缓存容量的多子系统嵌套的编码缓存系统，其特征在于包括如下模块：
子系统划分模块：源节点执行双子系统划分，得到子系统划分比例；
部分子文件缓存模块：中继节点和用户随机缓存部分子文件；
剩余部分子文件缓存模块：忽略中继节点缓存容量，用户随机缓存剩余部分子文件；
源节点执行全文件传输模块：源节点根据用户请求索引，将待传输的子文件经编码调制发送到自由空间，中继节点恢复所有请求的子文件；
联合设计的分组和零比特填充模块：根据用户和文件数量的关系，分别执行不同的编码传输方法；
源节点去中心化编码缓存模块：中继节点将源节点传输的编码信息转发给所有用户；
用户节点接收文件信息模块：用户将接收到的子文件经解调、解码后，与部分子文件缓存模块和剩余部分子文件缓存模块用户缓存的子文件异或处理后组合恢复请求文件。
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