蜂窝网络中基于社交关系的分布式移动节点文件缓存方法转让专利
申请号 : CN201611134495.2
文献号 : CN106851741B
文献日 : 2020-02-28
发明人 : 王玮 , 蓝瑞宁 , 黄爱苹
申请人 : 浙江大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种蜂窝网络中基于社交关系的分布式移动节点文件缓存方法,其特征在于,步骤如下:
1)基于社交关系,蜂窝系统中移动节点i只与其朋友节点 通过终端直通通信进行文件共享,其中 为节点i的朋友节点集合,朋友节点即一跳社交邻居节点;
2)移动节点i与其朋友节点j相遇时,针对双方所缓存的所有文件计算缓存这些文件能获得的效益,所述的效益包括直接效益和间接效益,然后基于所述的效益来确定在节点i和j上的文件缓存方案xi=(xi,1,xi,2,...,xi,d,...xi,M)与xj=(xj,1,xj,2,...,xj,d,...xj,M),xi,d∈{0,1},xi,d=1表示节点缓存文件d,xi,d=0表示节点不缓存文件d,xj,d定义类似,M为文件总数目;节点i缓存文件d可以获得效益 其中直接效益 为节点i缓存文件d给自身和其朋友节点 带来的流量卸载量,间接效益 的目的是增加其他节点的直接效益,由于间接效益的存在,缓存在节点i的多跳社交邻居节点l中的文件d有更大机会通过i与l间的中间节点的缓存而最终让节点l获得,此过程通过终端直通通信方式而非蜂窝通信方式进行,从而减小通信代价;
3)蜂窝系统中移动节点与其朋友节点每一次相遇时,经过步骤1)、2),最终得到系统的优化文件缓存方案。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的步骤2)中间接效益 的定义如下:其中sd为文件d的大小,xk,d为节点k是否缓存d的文件缓存状态,fk,d为节点k在可获得文件d时决定缓存的概率,rk,d为其他节点对文件d的需求反映到节点k上的部分, 是一个指示变量,指示节点k是否需要节点i帮忙缓存文件d,表示为
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述的fk,d的确定过程如下:节点k每次与其他节点的相遇中,节点k决定缓存d时,即xk,d=1时,增大fk,d的值;否则减小fk,d的值,具体步骤描述如下:①节点k与其朋友节点l相遇后,节点k获得新的缓存方案 其中 为节点k和l所拥有的文件集合;
②节点k更新缓存效益 并进行归一化,即 从而得到③对于 节点k把fk,d更新为 其中b∈(0,1),为步长调节参数。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述的rk,d的确定过程如下:以节点k为中心,社交邻居节点一跳一跳向外扩展,直至覆盖所有相关节点,Hk为能扩展的最大跳数,节点k的一跳社交邻居节点对文件d的需求反映到节点k上的部分为:是节点k的一跳社交邻居节点无法满足对文件d的请求的情况下向节点k请求的概率和,其中ql,d为节点l对文件d的需求程度,pkl(T)为节点k和l在请求等待时间T内相遇的概率,ml\k,d(T)为节点l无法在时间T内从节点k以外的其他节点获得文件d的概率,节点k的两跳社交邻居节点对文件d的需求反映到节点k上的部分为:节点k的一跳社交邻居节点l作为中间节点向节点k反映节点l的一跳社交邻居节点对文件d的需求 依此类推,节点k的h跳社交邻居节点对文件d的需求反映到节点k上的部分为:
因此其他节点对文件d的需求反映到节点k上的部分表示为:
说明书 :
蜂窝网络中基于社交关系的分布式移动节点文件缓存方法
技术领域
背景技术
服务质量变差。如何在有限的带宽资源上满足人们日益增长的数据服务需求,是无线通信
领域所要面对的巨大挑战。
较于蜂窝通信有着更低传输代价的通信方式。研究表明,在蜂窝系统中将文件缓存在移动
节点中,移动节点(用户)间通过终端直通通信分享缓存文件,可大大减小无线传输代价,缓
解蜂窝系统的流量负载。
终端直通通信分享该文件,如此可避免该节点直接从服务器下载,从而达到流量卸载的目
的。目前已有工作对此进行了研究,R.Lan和W.Wang在其论文“Device-to-device
offloading with proactive caching in mobile cellular networks”中设计了一种分
布式的移动节点缓存方案,该方案通过节点相遇后的缓存文件调整来达到系统优化的缓存
状态,从而最大限度地进行蜂窝流量卸载。
的文件。
发明内容
方法。
点i和j上的文件缓存方案xi=(xi,1,xi,2,…,xi,d,…xi,M)与xj=(xj,1,xj,2,…,xj,d,…xj,M),xi,d∈{0,1},xi,d=1表示节点缓存文件d,xi,d=0表示节点不缓存文件d,xj,d定义类似,M为文件总数目;节点i缓存文件d可以获得效益 其中直接效益 为节点i
缓存文件d给自身和其朋友节点 带来的流量卸载量,间接效益 的目的是增加其
他节点的直接效益,由于间接效益的存在,缓存在节点i的多跳社交邻居节点l中的文件d有
更大机会通过i与l间的中间节点的缓存而最终让节点l获得,此过程通过终端直通通信方
式而非蜂窝通信方式进行,从而减小通信代价;
是一个指示变量,指示节点k是否需要节点i帮忙缓存文件d,表示为
率,ml\k(T)为节点l无法在时间T内从节点k以外的其他节点获得文件d的概率,节点k的两跳
社交邻居节点对文件d的需求反映到节点k上的部分为:
的部分为:
节点直接从服务器下载文件,让系统以较小的通信代价达到优化的缓存状态。
附图说明
具体实施方式
其缓存的文件可以通过终端直通通信的方式与其朋友节点共享。此系统存在一个最优的移
动节点文件缓存方案,使得系统能够最大化地进行流量卸载,即最小化通过蜂窝通信进行
下载的文件量。我们希望通过移动节点相遇后的缓存调整来分布式地以最小通信代价达到
系统最优缓存状态。然而由于移动节点间存在社交关系的特性,节点只愿意与朋友节点共
享文件,这使得节点从多跳社交邻居节点获得其缓存的文件的机会比较小。如图1所示,节
点7缓存有节点1所需要的文件,如果节点5和6并没有意愿缓存该文件,则节点1将没有机会
接触到该文件;如果节点1的需求能够反映到而节点5和6上,则节点1有机会通过中间节点
的中转以终端直通通信的方式获得节点7上的文件。节点1也可以直接从服务器下载所需文
件,但蜂窝通信的代价远大于终端直通通信的代价。因此我们希望能通过终端直通通信的
方式让系统达到尽可能优化的缓存状态,从而让节点尽可能地通过终端直通通信的方式满
足其他节点的请求,使系统最大化流量卸载量。
型,其运动速度在[0,20]m/s的区间内随机产生。每个节点的朋友节点集合是固定的,对各
文件的需求程度独立地服从参数为1的Zipf分布,各文件的大小在{1,2,3}MB上均匀分布。
初始状态下,每个节点随机缓存有两个文件。
可以获得的直接收益 为节点i缓存文件d给自身和其朋友节点 带来的流量卸载
量,其具体形式可选择R.Lan和W.Wang的论文“Device-to-device offloading with
proactive caching in mobile cellular networks”中的形式。间接效益 的目的是令
其他节点有更大机会通过终端直通通信的方式获得缓存在多跳社交邻居节点上的文件,从
而增加其他节点的直接效益,间接效益的设计需要满足两个条件:①能够反映多跳社交邻
居节点的文件需求;
的缓存状态,与其他节点的缓存状态无关。根据以上原则,本发明给出了其具体形式:
件d,表示为
推导得出,基于此泊松过程模型,可得到:
其中 因此rk,d的具体表达式为:
ui,d和uj,d,采用R.Lan和W.Wang的论文“Device-to-device offloading with proactive
caching in mobile cellular networks”中的Algorithm 1来确定i和j的文件缓存分布方
案xi=(xi,1,xi,2,…,xi,d,…xi,M)与xj=(xj,1,xj,2,…,xj,d,…xj,M),xi,d∈{0,1},xi,d=1表示节点缓存文件d,xi,d=0表示节点不缓存文件d,xj,d定义类似,M为文件总数目。
策略以及LFU策略;在系统达到稳定状态后,本发明方法与无间接效益方法性能非常接近,
这是因为间接效益在长期上衰减为0,同时节点可利用从服务器下载的文件进行缓存调整。
从图3可以看出,随着容忍时间T的增大,本发明方法、无间接效益方法、随机调整方法以及
LFU方法的流量卸载比率都有明显提升,且性能差距在逐渐扩大,说明在等待时间较长的情
况下本发明方法较有优势;本发明方法相对无间接效益方法有性能优势,体现本发明方法
的性能体现在达到系统稳定状态的过程中。从图4可以看出,随着平均缓存空间的增大,本
发明方法、无间接效益方法、随机调整方法以及LFU方法的流量卸载比率也都有明显提升,
与此同时,四种方法的性能差距在逐渐缩小,这说明在缓存空间不足的情况下,本发明方法
更具优势;图4也同样说明,在达到系统稳定状态的过程中本发明方法相较无间接效益方法
有性能优势。
程中本发明方法相较无间接效益方法有性能优势。