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与流程

本发明涉及无线通信领域，具体涉及蜂窝网络系统中基于社交关系的移动节点文件缓存方法。

背景技术：

过去数年时间，随着智能手机等手持设备的大量普及，各种无线应用的数量也在飞速增长，伴随而来的是数据量的爆炸性增长，这给蜂窝网络造成了极大的负担，从而导致服务质量变差。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。

近些年来，一些传统的方法，如增大频谱带宽、微蜂窝等，已渐渐逼近极限。人们开始将目光聚焦在流量本地化技术以降低网络负载。与此同时，终端直通技术提供了一种相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。

在蜂窝网络中，移动节点通常直接从服务器下载所需的文件，网络发生拥塞时，用户体验将奇差。移动节点可将文件主动缓存在本地中，当邻近的节点需要该文件时，可通过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。

但是蜂窝网络中一些移动节点出于安全和收益等考量，无法实现与其他任意节点间的文件分享。这使得一些节点无法获得缓存关系较为疏远的节点(多跳社交邻居节点)上的文件。

技术实现要素：

为了让移动节点在蜂窝网络中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，本发明提出了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。

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，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x_i＝(x_i，1，x_i，2，…，x_i，d，…x_i，M)与x_j＝(x_j，1，x_j，2，…，x_j，d，…x_j，M)，x_i，d∈{0，1}，x_i，d＝1表示节点缓存文件d，x_i，d＝0表示节点不缓存文件d，x_j，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。

所述的步骤2)中间接效益的定义如下：

其中s_d为文件d的大小，x_k，d为节点k是否缓存d的文件缓存状态，f_k，d为节点k在可获得文件d时决定缓存的概率，r_k，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

所述的f_k，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x_k，d＝1时，增大f_k，d的值；否则减小f_k，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f_k，d更新为其中b∈(0，1)，为步长调节参数。

所述的r_k，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，H_k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q_l，d为节点l对文件d的需求程度，p_kl(T)为节点k和l在请求等待时间T内相遇的概率，m_l\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：

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：

本发明的有益效果：

本发明针对蜂窝网络中移动节点缓存问题提出了间接效益的概念，并给出了相应的定义和计算方法，基于社交关系设计出一种分布式节点文件缓存方法，尽量避免了移动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

图1是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的系统模型；

图2是随着节点间相遇次数的增加，使用本发明方法、无间接效益方法、随机调整策略和LFU策略下流量卸载比率的变化情况；

图3是在不同的容忍时间T的情况下，使用本发明方法、无短期效益方法、随机调整策略和LFU(最低使用频率替换)策略达到系统稳定状态过程中流量卸载比率的比较；

图4是在不同的平均缓存空间的情况下，使用本发明方法、无间接效益方法、随机调整策略和LFU策略达到系统稳定状态过程中流量卸载比率的比较。

具体实施方式

以下结合附图和具体实例进一步说明本发明。

蜂窝网络中移动节点间存在社交关系的系统模型如图1所示。上层实线表示两节点为朋友关系，下层虚线表示两节点相互处于通信范围之内。每个节点有一定的缓存空间，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。

假定网络中有20个移动节点和20个文件，分别用集合和表示。所有节点分布在被一个基站覆盖的400m×400m的区域内，每个节点的运动独立地服从随机位点移动模型，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。

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具体描述如下：

1)移动节点i与其基于社交关系的朋友节点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。节点i缓存文件d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；

②长期上将衰减为0。条件①为间接效益定义要求，条件②则是由于长期上系统缓存状态将趋于稳定，节点能否在一定的时间T内获得所需文件仅取决于自身和其朋友节点的缓存状态，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：

其中s_d为文件d的大小，x_k，d为节点k是否缓存d的文件缓存状态，f_k，d为节点k在可获得文件d时决定缓存的概率，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

r_k，d为其他节点对文件d的需求反映到节点k上的部分，为简化分析，本具体实施方案采用两跳社交邻居节点的需求反映，r_k，d表示为

其中q_l，d为节点l对文件d的需求程度。本具体实施方案中采用相遇过程符合泊松过程的模型，λ_kl是表征节点k和节点l相遇频率的参数，具体参数值可由随机位点移动模型推导得出，基于此泊松过程模型，可得到：其中因此r_k，d的具体表达式为：

表达式中的f_k，d可利用如下算法得到，具体步骤描述为：

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f_k，d更新为其中b∈(0，1)，为步长调节参数。

同样地，节点j得到缓存文件d的直接效益和间接效益

2)节点i和j将相应的直接效益与间接效益相加即得到节点i和j缓存文件d的效益u_i，d和u_j，d，即节点i和j基于获得的文件缓存效益u_i，d和u_j，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x_i＝(x_i，1，x_i，2，…，x_i，d，…x_i，M)与x_j＝(x_j，1，x_j，2，…，x_j，d，…x_j，M)，x_i，d∈{0，1}，x_i，d＝1表示节点缓存文件d，x_i，d＝0表示节点不缓存文件d，x_j，d定义类似，M为文件总数目。

3)经过移动节点与其朋友节点每一次相遇时的文件缓存调整后，最终得到系统的优化文件缓存方案。

通过计算机仿真表明，从图2可以看出，在经过大约200次节点相遇时的缓存调整过程后，使用本发明方法能使系统达到稳定状态，且本发明方法的性能明显好于随机调整策略以及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。

综合以上性能比较，我们不难发现本发明的方法在性能上超过其他的传统方法，且在缓存空间不足以及等待时间比较长的情况下优势更加明显，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。