一种多中继无线网络编码缓存与信道编码联合优化方法
本发明属于数字通信技术领域，具体涉及一种多中继无线网络下编码缓存与信道编码的联合优化方法。
背景技术：
近年来随着数据流量的迅速增长，给链路带来沉重压力，自2014年提出编码缓存技术后，编码缓存可获得全局缓存增益受到业界广泛关注。
编码缓存分为放置阶段和交付阶段。在放置阶段，通常发生在链路空闲时间段(如凌晨)，每个用户将文件的一部分内容存储在自己的缓存空间中。在交付阶段，通常发生在链路繁忙阶段，每个用户独立随机访问一个文件，服务器接收到请求后根据用户缓存的内容发送编码多播文件，用户根据接收到的文件和自己缓存的内容得到请求的文件。通过联合设计放置阶段和交付阶段，使得在用户缓存空间有限的情况下最小化链路负载。与传统的缓存方式相比，编码缓存技术不仅可以获得本地缓存增益，而且可以获得全局缓存增益。
当用户数量、缓存空间不确定时，服务器将不能对所有用户缓存进行整体规划，因此2015年maddah-ali等人提出去中心化编码缓存，可由用户独立文件内容放置；当文件流行度分布非均匀时，2017年niesen等人提出基于分组的编码缓存，对文件整体进行分组，对各组分别处理。
通过将编码缓存技术与多中继服务器结合，可大大降低源服务器的链路负载，将要传输的数据进行信道编码，可提高传输过程中的抗干扰能力，提高通信传输的有效性和可靠性。本发明方法涉及的一些背景技术如下：
1、基于分组的编码缓存
编码缓存分为放置阶段和交付阶段。当内容流行度分布不均匀时，设所有文件流行度指数服从zipf分布，文件k的流行度指数为pk，有
在放置阶段之前，首先对所有文件进行分组，将文件流行度指数相近的文件划分到同一组中，每一组文件流行度分布指数最高和最低相差不超过2倍。
在放置阶段，将每一组中的文件缓存在用户终端的存储设备中。对每组文件划分相同的缓存空间，即ml＝m/l，nl＝组中每个文件平均缓存大小为m/(nll)。每个用户独立对每组中的文件随机存储。
在交付阶段，同一组中的文件忽略流行度分布差异，按照去中心化编码缓存满足每一组中的缓存请求。链路负载为所有组链路负载之和。
相比于hpf策略，基于分组的编码缓存可大大降低交付阶段的链路负载。具体见“niesenu,maddah-alima.codedcachingwithnonuniformdemands[j].ieeetransactionsoninformationtheory,2017,63(2):1146-1158.”。
2、去中心化编码缓存
在放置阶段，每个用户对不同组中随机缓存相应文件库中每个文件的mlf/nl比特，不同用户之间互不影响。
在交付阶段，每个用户请求一个文件，服务器接收到请求后每次传输满足同一组中用户的请求，利用去中心化编码缓存，通过l次传输对所有用户请求的内容进行交付。具体见“maddah-alima,niesenu.decentralizedcodedcachingattainsorder-optimalmemory-ratetradeoff[j].ieee/acmtransactionsonnetworking,2015,23(4):1029-1040.”。
3、信道编码、译码
信道编码，也叫差错控制编码，就是在发送端对原数据添加冗余信息来提高传输过程中的抗干扰能力，有ldpc码，polar码，turbo码等。
低密度校验码(ldpc码)是一种前向纠错码，早在20世纪60年代由gallager在他的博士论文中提出。ldpc码，校验矩阵中的1要远小于0的数目，使得译码复杂度低，结构非常灵活。ldpc码的编码方式有基于校验矩阵h直接编码方案和基于生成矩阵g的编码方案。ldpc码的译码有比特翻转算法(bf)和置信传播算法(bp)。具体详见“gcancellieri.low-densityparity-checkcodes[d].1963”。
4、调制、解调
调制是将数字基带信号控制载波的参数变化，将调制信号转换成适于信道传输的数字调制信号。解调是调制的反过程，根据已调波信号的参量编码恢复出原始信号。调制通常有调幅(am)，调频(fm)和调相(pm)。解调通常有正弦波幅度解调、正弦波角度解调和共振解调。
四相相移调制(qpsk)利用四种不同相位来表示输入数字信息。载波频率为fc，幅度为a时，当输入数字信息为‘11’时，已调载波为
当输入数字信息为‘01’时，已调载波为
当输入数字信息为‘00’时，已调载波为
当输入数字信息为‘10’时，已调载波为
qpsk的解调方式如下。接收机收到信号yi(t)
将yi(t)用两个正交的载波信号实现相干解调，在两正交电路分别设立匹配滤波器，经电平判决和并/串变换后即可得到原始信息。详见“樊昌信，曹丽娜.通信原理(第7版)[m].国防工业出版社，2018”。
基于分组的编码缓存对不同组进行缓存空间的划分时，前人采用的方法是对不同组划分相同的缓存空间，对流行度指数较低的文件和流行度指数较高的文件划分相同空间，流行度指数较低的文件划分较多的缓存空间将会导致浪费，导致链路负载提高。
针对以上问题，故，有必要对其进行改进。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种多中继无线网络下编码缓存与信道编码的联合优化方法。
本发明所采用的技术方案是：针对在非均匀流行度分布下均分缓存空间的编码缓存存在的缺点，本发明对不同组的缓存空间进行了重新分配。以文件流行度分布曲线中不同组积分的比值来缓存空间的划分，克服了对所有文件组划分相同缓存空间而忽略文件流行度分布和各组中文件数量的缺陷。将该方法应用到多中继干扰系统中，在发送前对文件进行信道编码，提高了传输过程中的可靠性和抗干扰能力。
具体的，本发明通过以下技术方案实现：一种多中继无线网络下编码缓存与信道编码的联合优化方法，具体经以下步骤实现：
(1)用户缓存文件数据，按以下子步骤完成：
步骤1.1，设系统存在一个服务器，采用无差错共享链路和k个用户连接。总共有n个文件，其中n为整数，用户的请求文件索引范围为1,2,...,n，每个文件f比特。设每个用户有mf比特的缓存空间，即每个用户可缓存m个文件。
对所有文件分配访问指数p，0≤p≤1，表示为被访问的概率大小，即流行度指数，所有文件的流行度指数为{pn}n∈n，p1≥p2≥...≥pn＞0。所有文件的流行度指数分布服从zipf分布，即有：
s为zipf分布参数，通常1/2≤s≤2，表示流行度指数的集中程度。
步骤1.2，将流行度分布不同的文件，划分为不同组，将具有近似流行度文件(流行度相差不大的文件)划分为同一组中。将n个文件划分为l个组，n1,n2,...,nl，nl表示vl组中的文件数量，满足：
根据步骤1.1得到的文件流行度指数分布{pn}n∈n，组v1中的文件为{1,2,...,n1}，并且满足pn≥p1/2.5且pn+1＜p1/2.5，即在同一组中，文件流行度指数最高和最低相差不超过2.5倍。设n为组vl中最小序号，则需满足
由于同一组中文件的流行度相差t倍范围之内，通常2≤t≤3等，文件的流行度随着组数的增加指数衰减，因此总的组数l不会很大，l为：
步骤1.3，为每一组vl分配不同的缓存空间。用mlf表示分配给vl的缓存空间(可缓存ml个文件)，满足
对ml的选择，不再对所有l使用m/l等分缓存空间，而是综合考虑每一组中文件流行度指数和文件数量的权衡，对文件的流行度分布曲线对不同组进行积分，以积分的比值进行缓存空间的划分。由于
步骤1.4，对于组vl，用户随机缓存每个文件的mlf/nl个比特，逐次进行直到所有组缓存完成，每个用户缓存文件时是独立无关的。
(2)在步骤1.1用户完成缓存文件数据后，用户向中继服务器发送请求文件索引，用户将请求文件索引经背景技术所述的编码、调制等处理后，经发射天线发到中继服务器。
(3)中继服务器接收用户请求的文件数据，具体经以下步骤实现：
步骤3.1：设有q个中继服务器，每个中继服务器缓存空间为qf比特，每个可缓存q个文件。根据中继服务器缓存的文件内容，将中继服务器l个簇，每个簇中的中继服务器缓存相同文件，z1,z2,...,zl，zl表示簇k。设zl中有wk个中继服务器，有
步骤3.2：设每个用户请求一个文件，用户k访问的文件索引为dk，所有用户的请求文件索引为d＝{d1,d2,...,dk}。簇k中的中继服务器协同检测已编码、调制的请求文件索引d，每个中继服务器处理相同大小的部分k/wk，经背景技术所述解调、译码后得到所有用户的请求索引。
(4)中继服务器或源服务器处理用户请求，按以下子步骤完成：
步骤4.1：根据步骤3.2得到的请求文件索引d，对所有用户请求的文件d根据步骤2.3进行分组，jl表示请求文件组vl的用户集合，kl表示组jl中访问的文件数量，满足：
步骤4.2：根据步骤3.1，用户访问的文件在中继服务器中的概率为
若d存在于中继服务器中，则同一簇中的中继服务器对所有用户的请求索引协作传输，不同的中继服务器对不同组中的请求文件，依次执行去中心化编码缓存方案，然后，经编码、调制等处理后发送给用户。
去中心化编码缓存，分为放置阶段和交付阶段，放置阶段由步骤2.3完成，每个用户在链路负载较低阶段，对文件组vl，随机缓存mlf比特。在交付阶段，中继服务器通过编码多播方式，一次传输多个用户请求文件的子文件。
假设有n＝2个文件，k＝2个用户，每个用户缓存大小为m∈[0,2]，因此根据图2中的算法，每个用户独立缓存每个文件的mf/2比特的内容，即缓存每个文件m/2部分。
假设n＝2个文件分别为a,b，在放置阶段将文件a分为4个子文件
|a|≈(m/2)|s|(1-m/2)2-|s|f(16)
根据式(1)，可得
|a1|/f＝|a2|/f≈(m/2)(1-m/2)(18)
|a1,2|/f≈(m/2)2(19)
对b也执行相同的操作。
假设用户1访问文件a，用户2访问文件b，根据图2中交付阶段的步骤，当s＝{1,2}时，用户1需要a2，即v1,2＝a2，用户2需要b1，即v2,1＝b1，因此发送
每次为kl组中的用户进行服务，服务器使用去中心化编码缓存交付l次，完成交付过程。假设服务器在交付阶段满足所有用户需求总共传输rf比特，称rf为链路负载，r为链路速率。所实现的中继服务器的链路速率为
其中，
步骤4.3：若d不存在于中继服务器中，则源节点执行步骤3.1的操作，对d进行分组，对不同组中的请求文件，依次执行背景技术所述的去中心化编码缓存方案，然后，经编码、调制等处理后发送给用户。所实现的源节点链路速率为
可实现的最小链路速率定义为：
r*(m,v,k,{pn})＝inf{r:(r,m)}(24)
inf表示下界值，在以上方式下，可实现的最小存储速率为
其中，c取较大的正整数值，如可取864等。
(5)用户处理接收到的文件，按以下子步骤完成：
步骤5.1，用户接收到文件数据后，经背景技术所述的译码、解调等处理得到文件数据。
步骤5.2，将步骤4.1得到的文件数据与自己缓存的文件异或，得到请求的文件。例如，用户k缓存文件为(a1,b1)，dk＝a，当中继服务器或源服务器发送
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明改进了文件流行度分布不同的情况下，基于分组的编码缓存算法中缓存空间的分配，原有方法是对不同组划分相同的缓存空间，本发明以积分比值的形式进行缓存空间的划分，综合考虑了不同组中文件流行度指数和不同组中的文件数量，和原方法相比，减少交付阶段的链路负载。将编码缓存用于多中继干扰应用，结合信道编码，将中继服务器分为若干簇集，协同检测和传输请求文件，不仅提高了信道吞吐量和传输效率，减少了源服务器的链路负载，还保证了系统的误码率性能，有效提高了系统的有效性和可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例的系统模型图；
图2为本发明实施例用户缓存文件步骤流程图；
图3为本发明实施例用户发送请求文件索引步骤流程图；
图4为本发明实施例中继服务器接收用户请求文件索引步骤流程图；
图5为本发明实施例中继服务器或源服务器处理用户请求文件索引步骤流程图；
图6为本发明实施例用户处理接收的文件数据步骤流程图；
图7为本发明实施例zipf分布参数为0.9时文件的流行度分布曲线；
图8为本发明实施例两种缓存方式链路负载的比较；
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明所提供的多中继无线网络下编码缓存与信道编码的联合优化方法可用于信息与通信工程技术领域，并不局限于以下实施例所详细说明的通信领域。下面选取典型领域说明本发明的具体实施方式。
实施例一
本发明一种多中继无线网络编码缓存与信道编码联合优化方法实施例依次经过下述主要步骤得以实现：
步骤1.1，设系统存在一个服务器，采用无差错共享链路和k个用户连接。总共有n个文件，其中n为整数，用户的请求文件索引范围为1,2,...,n，每个文件f比特。设每个用户有mf比特的缓存空间，即每个用户可缓存m个文件。
对所有文件分配访问指数p，0≤p≤1，表示为被访问的概率大小，即流行度指数，所有文件的流行度指数为{pn}n∈n，p1≥p2≥...≥pn＞0。所有文件的流行度指数分布服从zipf分布，即有：
s为zipf分布参数，通常1/2≤t≤2，表示流行度指数的集中程度。
步骤1.2，将流行度分布不同的文件，划分为不同组，将具有近似流行度文件(流行度相差不大的文件)划分为同一组中。将n个文件划分为l个组，v1,v2,...,vl，nl表示v组中的文件数量，满足
根据步骤1.1得到的文件流行度指数分布{pn}n∈n，组v1中的文件为{1,2,...,n1}，并且满足pn≥p1/2.5且pn+1＜p1/2.5，即在同一组中，文件流行度指数最高和最低相差不超过2.5倍。设n为组vl中最小序号，则需满足
由于同一组中文件的流行度相差t倍范围之内，通常2≤t≤3等，文件的流行度随着组数的增加指数衰减，因此总的组数l不会很大，l为
步骤1.3，为每一组vl分配不同的缓存空间。用mlf表示分配给vl的缓存空间(可缓存ml个文件)，满足
对ml的选择，不再对所有l使用m/l等分缓存空间，而是综合考虑每一组中文件流行度指数和文件数量的权衡，对文件的流行度分布曲线对不同组进行积分，以积分的比值进行缓存空间的划分。由于
步骤1.4，对于组vl，用户随机缓存每个文件的mlf/nl个比特，逐次进行直到所有组缓存完成，每个用户缓存文件时是独立无关的。
(2)在步骤1.1用户完成缓存文件数据后，用户向中继服务器发送请求文件索引，用户将请求文件索引经背景技术所述的编码、调制等处理后，经发射天线发到中继服务器。
(3)中继服务器接收用户请求的文件数据，具体经以下步骤实现：
步骤3.1：设有q个中继服务器，每个中继服务器缓存空间为qf比特，每个可缓存q个文件。根据中继服务器缓存的文件将中继服务器划分为l个簇，同一簇中的中继服务器缓存有相同的文件，z1,z2,...,zl，zk表示簇k，设zk中有wk个中继服务器，有
步骤3.2：设每个用户请求一个文件，用户k访问的文件索引为dk，所有用户的请求文件索引为d＝{d1,d2,...,dk}。簇k中的中继服务器协同检测已编码、调制的请求文件索引d，每个中继服务器处理相同大小的部分k/wk，经背景技术所述解调、译码后得到所有用户的请求索引。
(4)中继服务器或源服务器处理用户请求，按以下子步骤完成：
步骤4.1：根据步骤3.2得到的请求文件索引d，对所有用户请求的文件d根据步骤2.3进行分组，jl表示请求文件组vl的用户集合，kl表示组jl中访问的文件数量，满足
步骤4.2：根据步骤3.1，用户访问的文件在中继服务器中的概率为
若d存在于中继服务器中，则同一簇中的中继服务器对所有用户的请求索引协作传输，不同的中继服务器对不同组中的请求文件，依次执行背景技术所述的去中心化编码缓存方案，然后，经编码、调制等处理后发送给用户。
去中心化编码缓存，分为放置阶段和交付阶段，放置阶段由步骤2.3完成，每个用户在链路负载较低阶段，对文件组vl，随机缓存mlf比特。在交付阶段，中继服务器通过编码多播方式，一次传输多个用户请求文件的子文件。
假设有n＝2个文件，k＝2个用户，每个用户缓存大小为m∈[0,2]，因此根据图2中的算法，每个用户独立缓存每个文件的mf/2比特的内容，即缓存每个文件m/2部分。
假设n＝2个文件分别为a,b，在放置阶段将文件a分为4个子文件
|a|≈(m/2)|s|(1-m/2)2-|s|f(35)
根据式(1)，可得
|a1|/f＝|a2|/f≈(m/2)(1-m/2)(37)
|a1,2|/f≈(m/2)2(38)
对b也执行相同的操作。
假设用户1访问文件a，用户2访问文件b，根据图2中交付阶段的步骤，当s＝{1,2}时，用户1需要a2，即v1,2＝a2，用户2需要b1，即v2,1＝b1，因此发送
每次为kl组中的用户进行服务，服务器使用去中心化编码缓存交付l次，完成交付过程。假设服务器在交付阶段满足所有用户需求总共传输rf比特，称rf为链路负载，r为链路速率。所实现的中继服务器的链路速率为
其中，
步骤4.3：若d不存在于中继服务器中，则源节点执行步骤3.1的操作，对d进行分组，对不同组中的请求文件，依次执行背景技术所述的去中心化编码缓存方案，然后，经编码、调制等处理后发送给用户。所实现的源节点链路速率为
可实现的最小链路速率定义为：
r*(m,v,k,{pn})＝inf{r:(r,m)}(43)
inf表示下界值，在以上策略下，可实现的最小存储速率为
其中，c取较大的正整数值，如可取864等。
(5)用户处理接收到的文件，按以下子步骤完成：
步骤5.1，用户接收到文件数据后，经背景技术所述的译码、解调等处理得到文件数据。
步骤5.2，将步骤4.1得到的文件数据与自己缓存的文件异或，得到请求的文件。例如，用户k缓存文件为(a1,b1)，dk＝a，当中继服务器或源服务器发送
本发明改进了文件流行度分布不同的情况下，基于分组的编码缓存算法中缓存空间的分配，原有方法是对不同组划分相同的缓存空间，本发明以积分比值的形式进行缓存空间的划分，综合考虑了不同组中文件流行度指数和不同组中的文件数量，和原方法相比，减少交付阶段的链路负载。将编码缓存用于多中继干扰应用，结合信道编码，将中继服务器分为若干簇集，协同检测和传输请求文件，不仅提高了信道吞吐量和传输效率，减少了源服务器的链路负载，还保证了系统的误码率性能，有效提高了系统的有效性和可靠性，具有较高应用价值。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例即所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够实现各种改变、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范畴。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范畴由所附的权利要求范围决定。
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