一种内容拓扑构建方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种内容拓扑构建方法。

背景技术：

在移动网络边缘处缓存内容是一个充满发展潜力的无线通信技术，在网络边缘处缓存内容可以拉近内容与用户的距离，从而减少网络中的负载，缓解服务器的瓶颈效应。设备到设备(D2D)的通信技术近年来已经收到很大关注，主要是由于它的近域通信特性能够提供更好的吞吐速率，以及更好的能量效率。在设备节点中缓存用户需要的内容并且通过D2D技术来共享彼此存储的内容，可以在缓解网络负载的同时提高无线资源的利用率。在设备中存储内容时，本发明希望在不同的设备中存储不同的内容来提高内容在设备中的多样性，从而提高设备在本地获取内容的概率，减少流向网络的负载。但是内容的多样性必然导致用户之间更多的通信，所以需要激活更多的链路来支撑内容的共享带来的通信开销。这就可能导致同时激活多个通信链路，从而加重设备之间通信的干扰情况。为了应对这种情况，需要同时控制内容在设备中存储分布以及设备之间的激活链路，进而充分利用存储资源和链路资源。为了控制内容在设备中的存储与共享，研究者已经提出了一些方法，如Lin Zhang等作者在IEEE TCOMM 2016上发表的文章“Efficient Scheduling and Power Allocation for D2D-assisted Wireless Caching Networks”，以及Jingjie Jiang等作者在IEEE JSAC 2016上发表的文章“Maximized Cellular Traffic Offloading via Device-to-Device Content Sharing”。Lin Zhang等的算法保证内容共享的高效性，但是没有考虑移动设备节点存储容量的差异性以及节点对内容需求的差异性，因此无法应用到实际的无线网络节点中去，因为实际节点的存储容量和对内容的需求都是不同的。Jingjie Jiang等的算法首先根据流行度进行内容存储，然后为节点匹配传输速率最大的节点进行内容传输，但是没有考虑内容存储与内容传输相互影响相互耦合的特点，也没有考虑同时激活传输链路时可能带来的干扰问题，这就会导致存储的内容没有合适的链路来传输，能够激活的链路因为两端节点没有内容的差异性而进行无效传输，从而影响内容共享的成功率。

综上所述，现有技术存在的问题是：节点间内容共享的概率较低，网络中业务负载较大。主要原因是在进行内容存储的时候，没有考虑存储对无线链路的影响，没有有效解决内容存储与内容传输相互耦合的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种内容拓扑构建方法。

本发明是这样实现的，一种内容拓扑构建方法，所述内容拓扑构建方法包括以下步骤：

步骤一，基站统计每个移动节点的内容存储情况，并建立内容存储表；

步骤二，基站定位每个节点的位置并计算所有节点之间的距离，根据距离及路径损耗模型计算节点之间能否建立通信链路；

步骤三，基站根据内容流行分布及节点内容存储情况计算和移动节点相关的节点权重；定义节点之间的内容势，根据内容势计算节点之间的链路的权重；

步骤四，根据基站覆盖下的所有节点，节点中存储的内容，以及节点之间的链路构成内容拓扑。

进一步，所述内容拓扑构建方法具体包括以下步骤：

第一步，移动节点获取内容并存储后向基站发送存储内容的信息，基站根据收到的信息统计每个移动节点的内容存储情况，并为每一个节点建立内容存储表，该表中包含设备的ID序列号和每个节点存储内容的名称；

第二步，基站收集每个节点的位置并计算任意两个节点u和i之间的欧式距离d_u,i，根据距离及路径损耗模型计算节点之间能否建立链路，能够建立链路的条件是

其中，P_max表示节点的最大发射功率，表示信道增益，α为路径损耗因子，N表示节点i处的噪声功率，Γ为接受信噪比门限值，根据接收机的灵敏度和误码率要求确定；

第三步，基站根据内容流行分布及设备存储的内容计算和移动设备相关的节点权重；

第四步，定义节点之间的内容势，根据内容势计算节点之间的链路的权重；

第五步，根据基站覆盖下的所有节点，节点中存储的内容，以及节点之间的链路构成内容拓扑G＝(U,E,W_U,W_E).其中，U表示节点的集合，E表示链路的集合，W_U表示节点权重的集合，W_E表示链路权重的集合。

进一步，所述第三步具体包括：

(1)基站通过内容服务商获取内容流行分布,流行分布表示节点对内容的喜好程度，代表节点请求内容的概率分布；节点u请求内容c的概率表示为D_u,c，并可以用Zipf分布来刻画：

其中Δ_u表示不同的用户对内容喜好的偏移度，根据不同用户喜欢的具体内容确定；σ_u表示用户对内容的喜好是集中还是分散，σ_u值较大表示用户请求集中在比较流行的少数内容上，反之请求比较分散；C表示用户集合。

(2)节点的权重可以表示为w_u＝∑_c∈Cx_u,cD_u,cS_c；其中，x_u,c表示节点_u是否存储内容c，如果存储，则x_u,c＝1，否则x_u,c＝0；S_c表示内容的大小；节点的权重表示当节点有内容需求时从自己的存储中获取内容，从而节省流向基站的负载流量，这些节省的负载流量即为节点权重。

进一步，所述第四步具体包括：

(1)内容势：关于内容c从节点u到节点i的内容势可以表示为x_u,c-x_i,c；表示两个节点之间因为存储内容差异而产生的彼此分享内容的倾向，节点u到节点i的势大表示节点u有更强的能力为节点i分享内容，反之亦然；

(2)根据内容势可以得到两个节点u和i之间链路的权重为：

表示节点u到节点i分享内容倾向能够带来的流量节省，是对两个节点之间链路价值的评估。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述内容拓扑构建方法的设备到设备通信系统。

本发明的优点及积极效果为：通过定义节点间存储内容的势，节点权重和链路权重来构建内容拓扑，清晰地表达内容存储，节点位置，以及节点间链路的分布三者之间的拓扑关系。构建的内容拓扑能够明确揭示内容存储与内容传输之间的耦合关系，即节点存储内容决定节点间链路传输内容的有效性，链路激活状态决定内容在节点上的存储分布。

本发明中内容拓扑的构建能为联合内容存储与内容共享传输提供一种明确的优化建模方案，从而可以通过控制内容拓扑来解决内容存储与内容传输之间的耦合问题，达到充分利用存储资源和无线资源的目的。

附图说明

图1是本发明实施例提供的内容拓扑构建方法流程图。

图2是本发明实施例提供的适用的网络场景示意图。

图3是本发明实施例提供的实施例的流程图。

图4是本发明实施例提供的拓扑构建示例图。

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。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的内容拓扑构建方法包括以下步骤：

S101：基站统计每个移动节点的内容存储情况，并建立内容存储表；

S102：基站定位每个节点的位置并计算所有节点之间的距离，根据距离及路径损耗模型计算节点之间能否建立通信链路；

S103：基站根据内容流行分布及节点内容存储情况计算和移动节点相关的节点权重；定义节点之间的内容势，根据内容势计算节点之间的链路的权重；

S104：根据基站覆盖下的所有节点，节点中存储的内容，以及节点之间的链路构成内容拓扑。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

参照图2，本发明使用的网络场景考虑一个宏基站以及基站服务下的个移动设备。每个移动设备代表一个节点，具有唯一的ID序列号，并可以通过GPS或者室内定位来获取它自身的位置信息。任意节点配备有存储，存储容量大小为；共有C个文件需要存储，任意内容的大小为；基站可以跟踪节点的位置以及每个节点内容存储情况，并决定把节点对内容的请求导向网络还是节点的邻居节点来获取内容。如果节点通过D2D通信技术获取请求的内容，本发明只考虑节点通过一跳与存储内容的节点通信，并且节点之间的通信以单播形式完成。节点之间的通信占用同一个频带，且每个节点的发射功率相等。

参照图3，本发明实施例的实现步骤如下：

步骤1，移动节点获取内容并存储后向基站发送存储内容的信息，基站根据收到的信息统计每个移动节点的内容存储情况，并为每一个节点建立内容存储表，该表中包含设备的ID序列号和每个节点存储内容的名称；

步骤2，基站收集每个节点的位置并计算任意两个节点u和i之间的欧式距离d_u,i，根据距离及路径损耗模型计算节点之间能否建立链路，能够建立链路的条件是

其中，P_max表示节点的最大发射功率，表示信道增益，α为路径损耗因子，N表示节点i处的噪声功率，Γ为接受信噪比门限值，根据接收机的灵敏度和误码率要求确定。

步骤3，基站根据内容流行分布及设备存储的内容计算和移动设备相关的节点权重：

(3a)基站通过内容服务商获取内容流行分布,流行分布表示节点对内容的喜好程度，代表节点请求内容的概率分布；节点u请求内容c的概率表示为D_u,c，并可以用Zipf分布来刻画：

其中Δ_u表示不同的用户对内容喜好的偏移度，根据不同用户喜欢的具体内容确定；σ_u表示用户对内容的喜好是集中还是分散，σ_u值较大表示用户请求集中在比较流行的少数内容上，反之请求比较分散；C表示用户集合。

(3b)节点的权重可以表示为w_u＝∑_c∈Cx_u,cD_u,cS_c；其中，x_u,c表示节点u是否存储内容c，如果存储，则x_u,c＝1，否则x_u,c＝0；S_c表示内容的大小；节点的权重表示当节点有内容需求时从自己的存储中获取内容，从而节省流向基站的负载流量，这些节省的负载流量即为节点权重。

步骤4，定义节点之间的内容势，根据内容势计算节点之间的链路的权重：

(4a)内容势：关于内容c从节点u到节点i的内容势可以表示为x_u,c-x_i,c；表示两个节点之间因为存储内容差异而产生的彼此分享内容的倾向，节点u到节点i的势大表示节点u有更强的能力为节点i分享内容，反之亦然；

(4b)根据内容势可以得到两个节点u和i之间链路的权重为：

表示节点u到节点i分享内容倾向能够带来的流量节省，是对两个节点之间链路价值的评估。

步骤5，根据基站覆盖下的所有节点，节点中存储的内容，以及节点之间的链路构成内容拓扑G＝(U,E,W_U,W_E).其中，U表示节点的集合，E表示链路的集合，W_U表示节点权重的集合，W_E表示链路权重的集合。

参照图4，本发明的内容拓扑构建实例为从实际的直观图中抽象出内容拓扑图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。