一种面向视频质量自适应的无线边缘缓存和边缘计算方法

本发明属于无线边缘缓存与边缘计算领域，具体涉及一种面向视频质量自适应的无线边缘缓存和边缘计算方法。

背景技术：

1、视频点播(video on demand,vod)业务是未来无线通信网络数据流量的主要来源之一。边缘缓存技术是应对飞速增长的vod业务需求的一种有效方法。

2、参考文献1:golrezaei n,dimakis a g,molisch a f,et al.wireless videocontent delivery through distributed caching and peer-to-peer gossiping[c]//2011conference record of the forty fifth asilomar conference on signals,systems and computers(asilomar).ieee,2011:1177-1180.提出在蜂窝网络中部署大量具有存储能力但不需与核心网连接的辅助节点，通过预测网络中受欢迎的视频文件，在网络闲时提前把这些视频文件缓存在辅助节点，可以有效分流用户的视频请求，降低网络传输压力；

3、参考文献2:golrezaei n.,shanmugam k.,dimakis a.g.,et al.femtocaching:wireless video content delivery through distributed caching helpers[a].infocom,2012proceedings ieee[c].2012:1107–1115提出了无线边缘缓存可以显著缓解回传链路的压力、提高网络吞吐量和用户体验，同时降低部署成本和能源消耗；

4、参考文献3:zeydan e.,bastug e.,bennis m.,et al.big data caching fornetworking:moving from cloud to edge[j].ieee communications magazine,2016,54(9):36–42.也是如此；

5、虽然无线边缘缓存技术是针对vod业务提出的，但现有关于边缘缓存策略的研究主要是针对文件下载业务设计的；这些研究很少考虑vod业务下用户体验质量(quality ofexperience，qoe)的特殊要求，如视频质量自适应。在文件下载业务中，用户体验只与下载视频的时长有关，下载时间越短，则用户体验越高。在视频点播业务下，用户体验不仅与下载时间有关，还与观看过程中视频的清晰程度、是否卡顿等因素有关。

6、已有少量无线边缘缓存策略的相关研究考虑了视频质量自适应这一特点，但这些工作仅采用网络性能或服务质量(quality of service，qos)作为优化目标，而不是直接以vod用户的体验为目标优化缓存策略。

技术实现思路

1、本发明考虑在无线网络中部署辅助缓存节点的传输方式，其中辅助缓存节点具有一定的存储能力和计算能力，针对具有多个清晰度版本的视频，提出一种面向视频质量自适应的无线边缘缓存和边缘计算方法；

2、所述一种面向视频质量自适应的无线边缘缓存和边缘计算方法，具体步骤如下：

3、步骤一、搭建包含基站层和辅助节点层的无线网络架构，基站通过回传链路与核心网连接；

4、基站和辅助节点的地理位置，以及用户均服从齐次泊松点过程。

5、步骤二、辅助节点采用顺序循环缓存策略对核心网的视频进行缓存；

6、核心网的视频集合包含f个视频，每个视频有n个清晰度版本；辅助节点仅缓存部分视频，假设辅助节点能传输给用户的最高版本为p(p＝1，2，…，n)；则辅助节点的顺序循环缓存第f个视频的过程如下：

7、步骤i、辅助节点对第f个视频的n个版本缓存比例分别设为xf1，xf2，…，xfi，…，xfn，对应的码率分别为r1，r2，…，ri，…，rn；

8、第i个版本的视频码率为ri；满足0≤xfi≤1，如果xfi＝0，则表示版本i没有被缓存。

9、步骤ii、辅助节点以码率r1缓存第一个版本占比xf1的部分；

10、步骤iii、从第二版本开始，判断是否大于1，2≤k≤n；如果是，则以码率rk缓存第f个视频的最后的部分和最开始的部分；否则，则以码率rk缓存第f个视频接下来占比xfk的部分，并重复判断。

11、在顺序循环缓存下，同一个视频的不同版本按照顺序依次缓存不同部分，存够完整的一个视频之后再从头开始。

12、步骤三、用户u向核心网请求第f个视频，用户根据其所接收的信号功率以及辅助节点的缓存情况接入最近的基站或者辅助节点传输视频。如果辅助节点没有缓存该视频，则用户直接接入基站传输；否则，用户先接入辅助节点进行视频传输和转换；

13、具体为：

14、当一个用户接入距离最近的基站时，基站为该用户分配固定的带宽；

15、当用户接入距离最近的辅助节点时，接入同一个辅助节点的用户平分该辅助节点的带宽。

16、传输时，用户总是选择码率小于基站或辅助节点到用户传输速率的最高版本；

17、当辅助节点没有缓存视频f，用户只能接入基站传输，用户能体验到的最高版本mb，u为：

18、mb，u＝max{n|rn≤rb，u}

19、rb，u表示基站到第u个vod用户的传输速率；

20、当辅助节点缓存了部分视频f，用户先接入辅助节点传输，用户能体验到的最高版本mh，u为：

21、mh，u＝max{n|rn≤rh，u}

22、rh，u表示辅助节点到第u个vod用户的传输速率；

23、然后，当用户接入辅助节点传输的比例不够1时，将辅助节点缓存的版本大于mh，u的视频转换为版本小于mh，u的视频；按顺序依次传输给用户；否则，辅助节点结束视频传输。

24、当版本转换后的视频传输比例仍不够1，则辅助节点将缓存的低于mh，u的版本按递减的顺序依次传输给用户；否则，辅助节点结束视频传输。

25、当最低版本的视频传输比例仍不够1，则用户接入基站传输视频f的剩余部分。

26、步骤四、以最大化网络中所有用户的平均用户体验为优化目标，联合优化辅助节点对缓存的每个视频版本的缓存比例；

27、为符号简便，省略传输版本下标u，将优化问题建模为：

28、

29、

30、

31、

32、

33、

34、

35、用户u请求第f个文件时的用户体验，计算公式为：

36、

37、其中α和β是常数标量。

38、目标函数为所有用户的平均用户体验：

39、

40、wu为用户u发起请求的概率；qf|u表示用户u请求视频时请求的是第f个视频的条件概率，满足

41、其中约束条件(1.1a)表示辅助节点的存储资源有限，tf表示视频f的时长，c表示辅助节点的存储容量；

42、约束条件(1.1b)为平均计算资源约束，表示辅助节点的计算资源有限；au表示用户u需要的单位时长计算资源，a表示辅助节点的计算资源。

43、约束条件(1.1c)表示辅助节点传输版本i到用户u的比例yfi，u满足小于等于1；

44、约束条件(1.1d)表示辅助节点每个版本的传输比例不超过缓存比例；xfi，u表示辅助节点版本i的视频的缓存比例；

45、约束条件(1.1e)表示缓存比例、传输比例和版本转换比例之间的约束关系；zfji，u为用户u请求第f个视频时，辅助节点将版本j转换为版本i传输给用户的比例；

46、约束条件(1.1f)表示辅助节点每个版本的转换比例不超过缓存比例。

47、步骤五、将原优化问题简化为线性规划问题，通过线性规划算法求解，得到每个视频每个版本最优的缓存比例xfi。

48、当辅助节点的计算资源有限时，将传输速率拓展为k组，并将非线性约束式(1.1e)转换为线性约束，把(1.1b)中对转换比例的平均具体为k组离散值的概率加权；将优化问题写成：

49、

50、

51、

52、

53、

54、

55、

56、

57、ηji表示将单位时长的版本j转化为版本i所需要的计算资源。

58、辅助节点在无计算资源时，视频版本转换比例同样将传输速率拓展为k组，将辅助节点无视频处理能力时的优化问题重新写成：

59、

60、

61、

62、

63、

64、原优化问题转化为线性规划问题，利用线性规划算法求解。

65、步骤六、辅助节点按照优化后的缓存比例，返回步骤二，采用顺序循环缓存策略对核心网的每个视频分别进行缓存。

66、本发明的优点在于：

67、1、一种面向视频质量自适应的无线边缘缓存和边缘计算方法，提出的顺序缓存策略可以提高辅助节点存储资源和计算资源的利用率。

68、2、一种面向视频质量自适应的无线边缘缓存和边缘计算方法，在辅助节点有计算资源的情况下，可以充分利用辅助节点的存储资源和计算资源将小于传输速率的最大版本完整的传输给用户。

69、3、一种面向视频质量自适应的无线边缘缓存和边缘计算方法，具有稳定的性能，在不同的存储容量、计算资源、用户密度下均能得到较优的缓存策略，达到较高的平均用户体验，有效解决了视频点播业务中的用户体验优化问题。