雾无线接入网中基于差分拆分的协作编码缓存方法

本发明涉及移动通信，特别涉及一种雾无线接入网中基于差分拆分的协作编码缓存方法。

背景技术：

1、随着智能设备的广泛普及和移动应用的迅速发展，移动通信网络将承受越来越庞大的流量负载。为了处理这些激增的数据流量，雾无线接入网作为一种新型网络架构被提出，其中雾无线接入点(fog access point，f-ap)布置在靠近用户的网络边缘并运用其边缘存储能力和边缘计算能力来减轻云中心服务器的流量压力，提升用户体验。同时，编码缓存作为一种新的缓存方式，将本地缓存和多播传输有效结合，能更加充分利用边缘设备的有限存储空间。

2、然而目前对非一致流行度编码缓存方法的研究大多集中于理论性能的上下界分析，缺少结合具体无线网络系统如雾无线接入网的编码缓存研究，而且已有缓存策略在缓存性能和优化复杂度方面未有良好权衡，在传输策略中使用中心服务器进行多播传输带来高额的传输时延和能耗。因此需要一种协作编码缓存方法，降低内容传输时延和能耗的同时提高稳定性，为移动用户提供更高质量、更可靠的通信服务。

技术实现思路

1、本发明提供一种雾无线接入网中基于差分拆分的协作编码缓存方法，可以减少回传负载，降低传输时延和能耗。

2、本发明实施例提供一种雾无线接入网中基于差分拆分的协作编码缓存方法，包括以下步骤：

3、步骤1：通过阶梯缓存策略获取云中心服务器文件库内的文件进行缓存；

4、步骤2：接收用户请求向量，利用差分拆分方法将所述用户请求向量中的已缓存请求所对应的子文件拆分成公共块和差分块；

5、步骤3：分别对所述公共块和所述差分块进行编码，并将编码后的所述公共块和所述差分块多播传输至雾无线接入点集合；

6、步骤4：分别对接收到的多播消息中的公共块编码消息和差分块编码消息进行解码，对所述用户请求向量中的已缓存请求文件进行复原；

7、步骤5：利用云中心服务器对所述用户请求向量中的未缓存请求执行单播传输。

8、在本发明的一个实施例中，所述云中心服务器文件库包含n个文件，为n个文件的索引集合，文件n被用户请求的概率fi为文件n的流行度，f1≥f2≥…≥fn，假设雾无线接入点的数目为k，用表示雾无线接入点的索引集合，符号[a：b]为连续整数集合{a，a+1，...，b-1，b}的简略表达，符号[b]表示连续整数集合{1，2，...，b-1，b}，通过阶梯缓存策略获取云中心服务器文件库内的文件进行缓存，包括：

9、对于n∈[nloc]，将文件wn拆分成大小为γ的本地部分和大小为1-γ的多播部分，并将本地部分子文件表示为nloc表示仅有本地部分的文件数目；

10、对于n∈[nloc+1：nc]，文件wn仅有大小为1的多播部分，其中，nc为缓存的文件数，且有0≤nc≤n，用nmul表示仅含有多播部分的文件数目，且nloc+nmul＝nc；

11、对于n∈[nc+1：n]，文件wn未被缓存，本地部分和多播部分均为

12、对于将文件wn的多播部分均匀拆分成子文件其中t为缓存决策变量，且t∈[k-1]；

13、对于雾无线接入点存储的本地部分子文件为存储的多播部分子文件为

14、在本发明的一个实施例中，接收用户请求向量，利用差分拆分方法将所述用户请求向量中的已缓存请求所对应的子文件拆分成公共块和差分块，包括：

15、步骤2-1，用d＝[d1，d2，...，dk]t表示由雾无线接入点请求所构成的向量，用表示按照请求文件流行度降序排列的请求向量，即

16、步骤2-2，定义雾无线接入点集合有其中，对于每个雾无线接入点集合

17、步骤2-3，将内的元素取出并升序排序得到并定义辅助变量τ＝0，l＝1，t＝1；

18、步骤2-4，当τ<t+1时，按序执行步骤2-5；否则完成拆分；

19、步骤2-5，如果l＝1，则从中拆分出且满足否则如果t＞τ，则从未拆分的部分中拆分出且满足

20、步骤2-6，如果t＞τ且已拆分完毕，则令τ＝t；

21、步骤2-7，如果t<t+1，则让t＝t+1，并返回执行步骤2-5；否则让l＝l+1，t＝1，并返回执行步骤2-4。

22、在本发明的一个实施例中，对所述公共块和所述差分块进行编码，并将编码后的所述公共块和所述差分块发送至传播雾无线接入点，包括：

23、对所述公共块进行编码与多播传输：固定i为内的一个雾无线接入点，定义雾无线接入点集合对于以及其中雾无线接入点i向其它雾无线接入点多播编码消息：

24、

25、其中，上标表示子部分由雾无线接入点i向雾无线接入点集合多播传输，唯一对应公共块的t个子部分中的一个；

26、对所述差分块进行编码与多播传输：定义雾无线接入点集合对于且所述差分块的编码消息为：

27、

28、由任意一个雾无线接入点编码得到，并由其向雾无线接入点集合多播传输。

29、在本发明的一个实施例中，分别对接收到的多播消息中的公共块编码消息和差分块编码消息进行解码，对所述用户请求向量中的已缓存请求文件进行复原，包括：

30、对所述公共块编码消息进行解码：对于以及其中集合内的每个雾无线接入点在收到编码消息后，执行解码过程：

31、

32、获得所述用户请求向量对应的文件的公共块其中

33、

34、对所述差分块编码消息进行解码：对于l＞1且集合内的每个雾无线接入点在接收到编码消息后，执行解码过程：

35、

36、获得所述用户请求向量对应的文件的差分块其中

37、在本发明的一个实施例中，利用云中心服务器对所述用户请求向量中的未缓存请求执行单播传输，包括：

38、对于如果则云中心服务器向雾无线接入点k回传文件

39、在本发明的一个实施例中，在通过阶梯缓存策略获取云中心服务器文件库内的文件进行缓存之前，还包括：

40、计算平均多播负载：

41、

42、其中，

43、

44、

45、

46、且符号表示组合数运算符，具体运算过程为其中□！为阶乘运算符；

47、计算平均单播负载：

48、

49、定义平均传输时延δb，δc分别为回传链路和协作链路的单位比特传输时延，f为文件大小，定义平均传输能耗εb，εc分别为回传链路和协作链路的单位比特传输能耗，定义加权损耗c＝θd+(1-θ)e，θ∈[0，1]为权重参数，建立缓存优化问题：

50、

51、

52、nloc+nmul∈[0：n]，

53、nloc，nmul∈[0：n]，

54、γ∈[0，1]，

55、t∈[k-1]，

56、对所述缓存优化问题进行求解，得到阶梯缓存策略的参数。

57、本发明实施例的雾无线接入网中基于差分拆分的协作编码缓存方法，具有以下有益效果：

58、(1)针对雾无线接入网中非一致文件流行度这一具挑战性的场景，联合使用阶梯缓存策略和基于差分拆分的协作传输策略，能提升系统的缓存增益，同时有效地减少回传负载，降低传输时延和能耗，通过调整优化权重可以使其适用不同需求的网络场景.

59、(2)阶梯缓存策略，通过为文件分配本地缓存奖励，实现本地增益和多播增益的权衡，同时通过阶梯式的分配策略降低实现复杂度。

60、(3)基于差分拆分的协作传输策略，依靠f-aps间的协作实现多播传输，从而避免回传链路的高额传输时延和能耗。同时，差分拆分方法可以降低子文件大小不一致时，直接编码造成的多播增益损失。

61、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。