一种移动终端缓存空间的分配控制方法与流程

本发明属于移动终端缓存技术领域，特别涉及一种移动自组织网络中基于马尔科夫模型的移动终端缓存空间的分配控制方法以及缓存空间大小的预测方法。

背景技术：

移动自组织(MobileAd Hoc)网络是一种移动终端(节点)组成的多跳的自治数据传输系统，整个网络没有固定的基础设施，能够在无法使用或不便利用现有网络基础设施(包括基站和AP在内)的情况下，提供移动终端之间的数据通信服务。网络中的移动终端具有路由和分组转发功能，可以通过无线网络接口进行无线通讯，从而按需构成相应的网络拓扑。移动自组织网络被广泛地应用于军事网络、移动会议、无线传感器网络、紧急服务和灾难恢复领域。

由于移动节点存储空间较为有限，移动自组织网络需要高效的缓存管理策略来实施消息的存储、投递和丢弃，以减少节点缓存溢出的可能，避免网络拥塞。现有的移动自组织网络中缓存管理方法主要集中在对缓存消息的调度上，可以分为以下三种：1)Drop random，Drop head，Drop tail等传统缓存管理方法，这类方法简单易行，但在自组织网络中的性能却很差。2)利用全局网络状态信息的全局缓存管理方法，如GBD(Global Knowledge based Drop),GBSD(Global Knowledge based Scheduling and Drop)等。这类方法的性能最好且提供了一个最优的框架，但是由于自组织网络具有动态的拓扑结构的特性，获取网络的全局状态信息较为困难，因此该类方法很难适用于真实的网络环境中。3)利用局部网络信息如消息的剩余生命周期、消息的大小、跳数、消息副本数等的局部缓存管理方法，如E-DROP(Equal drop)，T-DROP(ThresholdDrop)等。该类方法比全局缓存管理策略易于实现且比传统缓存管理策略的性能更好，目前研究的较多。

本发明在研究过程中发现，现有的方法大都是考虑在缓存空间有限的情况下，如何调度消息以提高投递成功率，但在节点缓存空间相对充足的情况下，现有的缓存管理算法大都默认将全部空间用于存储转发消息(在资源申请和使用方面表现出较强的贪婪性)，导致移动终端上的其他应用(APP)则无法正常运行，造成终端上各应用对缓存空间使用的不公平和极大地降低了用户体验。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种移动自组织网络中基于马尔科夫模型的移动终端缓存空间的分配控制方法以及缓存空间大小的预测方法，可以为终端节点间消息存储、携带、转发动态地分配缓存空间，有助于节点动态分配缓存大小以提高缓存利用率，便于多种应用共享缓存空间以提升用户体验，不需要更改移动终端的消息调度策略和相关路由算法，可以与移动终端的策略和算法相配合使用，完成消息在移动终端间的转发。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种移动终端缓存空间的分配控制方法，包括如下步骤：

步骤一：程序启动并设定缓存阀值为threshold，设置的缓存阀值小于移动终端节点的可用空间；

步骤二：对移动终端节点的缓存空间进行初始化，每个节点为APP设置threshold/2的缓存空间用于消息的存储携带转发；

步骤三：收集网络信息，对每个终端节点统计单位时间内到达节点的信息数λ和前n条消息的服务时间T_n-1(其中前一条消息的服务时间为T₀，前两条消息的服务时间为T₁，前n条消息的服务时间为T_n-1)；

步骤四：预测缓存空间N_pre的大小；

步骤五：调整缓存大小，根据步骤四预测出的缓存空间N_pre调整当前用于消息存储转发的缓存空间N，如果N_pre小于N，则使用Drop head策略丢弃部分消息直至剩余的消息大小不大于N_pre，然后将多余的缓存空间交还系统；如果N_pre不大于N则判断N_pre是否小于threshold，如果N_pre大于N且小于threshold，则向系统再申请N_pre-N大小的空间；如果N_pre不小于threshold，则再向系统申请threshold-N大小的空间。

进一步的，步骤四中预测缓存空间大小N_pre的方法如下：

(1)每个节点计算第n+1条消息所需的服务时间T_n的均值：

(2)每个节点计算第n+1条消息所需的服务时间T_n的方差：

(3)每个节点计算消息的平均队长：

(4)每个节点根据提前设定好的消息大小m，计算下一时刻所需的缓存空间：

N_pre＝m×L_s

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明可以使各移动终端节点结合网络的运行状况预测并设置节点的缓存大小，提高了缓存利用率和转发成功率，并避免消息溢出。

2、本发明使各终端节点能够动态分配缓存大小，便于多种应用共享缓存空间，提升了用户体验。

3、本发明不需要更改移动终端的消息调度策略和相关路由算法，可以与上述策略和算法相配合使用，完成消息在移动终端间的转发。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是具体实施例中M|G|1排队模型示意图；

图3是具体实施例中M|G|1嵌入马尔可夫链的状态转移图；

图4是具体实施例中算法运行时移动终端中具有存储转发消息功能的APP占用缓存变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

如图1所示是移动终端节点动态预测分配缓存工作流程。

步骤1，设定缓存阈值。程序启动后，用户为具有消息存储转发功能的APP设定使用空间阈值threshold，如果设置的阈值大于移动终端节点的可用空间，则示警提示用户“阈值设置过大，空间不足”。

步骤2，缓存空间初始化。对移动终端节点的缓存空间进行初始化，每个节点为APP设置的缓存空间用于消息的存储携带转发。

步骤3，收集网络信息。每个终端节点统计单位时间内到达节点的消息数和前n条消息的服务时间。

步骤4，预测缓存大小。每个点计算第n+1条消息所需的服务时间的均值和方差，并根据提前设定好的消息大小m，计算下一时刻所需的缓存空间。

步骤5，调整缓存大小。每个节点根据步骤4预测出的缓存大小调整当前用于消息存储转发的缓存空间N。

图2和图3分别描述的是M|G|1排队模型和M|G|1嵌入马尔可夫链的状态转移图。对于每个移动终端节点，将消息的到达过程建模为泊松到达过程，消息的服务时间服从一般分布G，并认为每次只有一条消息能够接受服务，其他到达的消息保存在缓存中等待服务。在第n+1条消息接受服务的期间，新进入节点缓存的消息数只取决于第n+1条消息的服务时间而与之前的时间无关。

具体的，将消息到达过程建模为泊松到达过程，消息的服务时间是一般分布G，整个系统建模成排队模型

t_n：表示第n条消息接受服务完成的时刻。

X_n：表示在第n条消息接受服务完成时，节点缓存中的消息数。

T_n：表示当第n条消息离开节点缓存，第n+1条消息所需的服务时间。

Y_n：表示在第n+1条消息接受服务的期间，新进入节点缓存的消息数。

这样，我们可以用图2表示系统排队情况。

由图2可见

若令a_j＝P(Y_n＝j)＞0，其中a_j表示在第n+1条消息接受服务的期间，新进入节点缓存的消息数为j的概率，j为任意非负整数，则可以证明{X_n}构成一个马尔可夫链，一般称为嵌入马尔可夫链。此外，Y_n只取决于第n+1条消息的服务时间而与之前的时间无关。因此，X_n是离散时间马尔可夫链。记P_ij＝P(X_n+1＝j|X_n＝i)，则

P_0j＝P(X_n+1＝j|X_n＝0)＝P(Y_n＝j)＝a_j,j≥0 (1)

从而

即该马尔可夫链的一步转移矩阵为

由此可画出其状态转移图，如图2所示。

由T_n的定义可知，服务时间{T_n,n≥1}是独立同分布的随机变量序列，记其公共分布函数为G(t)＝P(T_n≤t)。于是

其中，P(Y_n＝j|T_n＝t)表示在(0,t)时间区间内(即第n+1条消息所需的服务时间内)新进入节点缓存的消息个数为j的概率。由于消息是按照泊松流到达的，所以应该有

带入式(3)，得到

由式(1)可知a₀＝P₀₀＞0，且马尔可夫链各状态是互通的，故该马尔可夫链是非周期不可约的，而且计算在第n+1条消息接收服务的期间内，新进入节点缓存的消息数Y_n的均值E(Y_n)

于是，计算在第n+1条消息接受服务的期间，新进入节点缓存的消息数Y_n的方差D(Y_n)

D(Y_n)＝E(Y_n²)-[E(Y_n)]²＝ρ+λ²D(T_n)

可以验证，当ρ＜1，该马尔可夫链是遍历的，故存在平稳分布{p_j,j≥0}，而且{p_j}必满足

下面用母函数去解p_j，令

利用式(4)与式(2)，则有

将上述诸式相加，便可得到

由此得到系统中消息队长分布的母函数

再来求P₀，因为

P(1)＝1,A(1)＝1

故由洛必达法则得到

于是

p₀＝1-ρ

将其代入式(5)，有

由上式并两次利用洛必达法则，则系统中消息的平均队长L_s为：

假设每条消息的大小一样，均为m，则预测出的下一时刻所需的缓存空间N_pre＝m×L_s。

图4描述的是算法运行时移动终端中具有存储转发消息功能的APP占用缓存变化情况。当用户设定一个APP的使用空间阈值threshold后，系统最多可以分配threshold大小的空间给该应用。当节点下一时刻预测的缓存空间N_pre小于当前缓存空间N，则使用Drop head策略丢弃部分消息直至剩余的消息大小不大于N_pre，将多余的缓存空间交还系统；如果N_pre大于N且小于threshold，则向系统再申请N_pre-N大小的空间；如果N_pre大于threshold，则再申请threshold-N大小的空间。

以上所述仅为本发明的实施例子而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的原则之内，所作的等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明未作详细阐述的内容属于本专业领域技术人员公知的已有技术。