基于网络编码的星地缓存与内容分发机制的构建方法

1.本发明属于网络通信技术领域，尤其涉及一种基于网络编码的星地缓存与内容分发机制的构建方法。


背景技术：

2.将热门内容缓存到离用户更近的位置，可以降低用户下载时延，但由于流量爆炸式增长给地面网络带来巨大压力，将卫星用于缓存是减轻地面网络压力的有效方法。卫星通信具有通信距离远、服务范围宽等优点，且不受地理条件限制，通过卫星将流行内容进行广播，可以有效缓解地面网络链路的压力。
3.星地融合网络场景下将卫星用作缓存的问题已经引起业界广泛的关注。例如，将卫星作为缓存中继，将流行内容传输到卫星中，卫星通过广播的形式将内容传输给用户，从而减轻地面网络压力；将多颗卫星连接构造卫星网络，在卫星获得地面传输的内容后成为移动服务节点，为不同地理位置的基站提供仅一跳的内容分发服务；将卫星用作地面网络的补充，在地面缓存设备中缓存最流行的内容，将流行度不高的内容缓存在卫星中，用户请求的文件在本地缓存中缺失的时可以向卫星请求地面缓存缺失的内容。现有的将卫星用作缓存的研究中，大都没考虑卫星传输因丢包而导致的重传问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于一种基于网络编码的星地缓存与内容分发机制的构建方法，在卫星缓存内容的多样性和缓存每个内容的编码块数量之间进行权衡，从而对卫星缓存内容进行优化。当基站缓存的编码块无法解码出原始内容时，向邻居基站或内容服务器请求缺失的编码。将卫星主动缓存问题建模为多重背包问题后，利用狮群算法求解最佳缓存方案，以实现减轻地面网络压力，使得用户请求内容时延最小。
5.为了达到上述目的，在本发明提供了基于网络编码的星地缓存与内容分发机制的构建方法，所述方法包括：
6.s1、定义星地融合缓存与内容分发网络模型；
7.s2、设计基于网络编码的星地主动缓存及内容请求过程；
8.s3、定义基站从邻居基站获取编码块的概率；
9.s4、设计目标函数，将缓存问题建模为多重背包问题。
10.进一步地，所述星地融合缓存与内容分发网络模型包括单颗卫星、一个基站组、多个用户和内容服务器。
11.进一步地，所述基站组中的基站表示为b＝{b1,b2,
…bj
…bbb
}，所述基站服务的用户表示为uj＝{u
j,1
,u
j,2
,...u
j,uu
}，文件库表示为f＝{f1,f2,
…
,f
ff
}，向量x＝[x1,x2,
…
,xf]表示卫星缓存状态，其中xi表示所述卫星的缓存内容fi的编码块数量，0≤xi≤x
max
，w＝(w1,w2,
……
wf)，w表示编码块大小，其中wi为内容fi的编码块大小，矩阵p
ff
×
bb
为流行度矩阵，矩阵元素p
i,j
表示内容fi在基站bj中的流行度，所述卫星通信采用ka频段，ka频段卫星多径衰
落的理论误码率上限r
be
和丢包率r
pe
分别为：
[0012][0013]rpe
＝1-(1-r
be
)
l
，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0014]
其中，σ2为平均多径功率，eb/n0为信噪比，l为数据包大小；
[0015]
为提升编码块在星地链路传输成功率，消除传输过程中各种干扰因素对传输内容的影响，缓存的最大编码块数设计为x
max
，定义为：
[0016][0017]
其中，v为原始块个数。
[0018]
进一步地，当所述卫星经过所述内容服务器时，所述内容服务器将热门内容的编码块注入所述卫星中，所述卫星通过星地链路将内容预缓存到所述基站中，当所述用户发出请求时，所述基站利用缓存内容响应所述用户请求。
[0019]
进一步地，当所述用户u
j,k
向基站bj请求内容fi时，所述基站bj检查缓存中是否有v个原始块，若有，则直接将v个原始块发送给用户；
[0020]
否则，向相邻基站或内容服务器请求缺少的编码块；
[0021]
所述用户u
j,k
的下载内容fi的时延t
k,i
为：
[0022][0023]
其中，r
bd
，r
bb
和r
sb
分别为基站到用户、基站到基站和基站到内容服务器的链路数据率；wi为内容fi的编码块大小，为基站从邻居基站bm获取的线性独立编码块个数，为邻居基站集合，vs表示需要从内容服务器获取的编码块数量。
[0024]
进一步地，所述基站从所述邻居基站可获得的最大编码块数量为：
[0025][0026]
其中，表示基站bj收到内容fi的编码块数；
[0027]
需要从内容服务器获取的编码块数量vs为：
[0028][0029]
其中，n为从邻居基站获得的线性独立编码块数量。
[0030]
进一步地，所述基站从所述邻居基站得到个编码块的概率g
′n为
[0031][0032]
所以，所述基站从所述邻居基站得到n个编码块的概率gn为：
[0033]
[0034]
进一步地，所述时延t
k,i
更新为：
[0035][0036]
所述基站bj关联用户的平均下载时延tj为：
[0037][0038]
其中，p
i,j
表示基站bj对内容fi的请求概率。
[0039]
进一步地，所述多重背包问题利用狮群算法进行求解。
[0040]
进一步地，将所述多重背包问题的目标函数定义为最大化总体用户请求时延减少量，多重背包中的物品价值定义为由缓存带来的时延减少量，物品重量定义为编码块大小，背包容量定义为基站缓存空间。
[0041]
本发明的有益技术效果至少在于以下几点：
[0042]
(1)本发明将网络编码技术应用到卫星缓存中，以降低内容从卫星到地面传输的丢包率带来的影响；
[0043]
(2)将卫星对内容编码块的缓存问题可转化为多重背包问题，用智能优化算法求解多重背包问题得到最佳缓存策略。
附图说明
[0044]
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
[0045]
图1为本发明基于网络编码的星地缓存与内容分发机制的构建方法流程图。
[0046]
图2为本发明星地主动缓存策略算法图。
[0047]
图3为本发明用户请求过程算法图。
具体实施方式
[0048]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0049]
如图1所示，本发明提供了一种基于网络编码的星地缓存与内容分发机制的构建方法，具体为：
[0050]
s1、定义星地融合缓存与内容分发网络模型。
[0051]
假设星地缓存与内容分发网络由单颗卫星、一个基站组、多个用户和内容服务器组成，卫星为基站组分配的缓存空间及基站组中单个基站的缓存空间为c。令b＝{b1,b2,
…bj
,
…
,bb}表示基站组中的基站，uj＝{u
j,1
,u
j,2
,...u
j,u
}表示基站bj服务的用户，f＝{f1,f2,
…
,ff}表示文件库。令向量x＝[x1,x2,
…
,xf]表示卫星缓存状态，其中xi(0≤xi≤x
max
)表示卫星缓存内容fi的编码块数量。w＝(w1,w2,
……
wf)表示编码块大小，其中wi为内容fi的编码块大小。矩阵pf×b为流行度矩阵，矩阵元素p
i,j
表示内容fi在基站bj中的流行度。卫星通信采用ka频段，忽略信号相位衰落带来的影响。ka频段卫星多径衰落的理论误码率上限r
be
和丢包率r
pe
分别为：
[0052][0053]rpe
＝1-(1-r
be
)
l
，
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0054]
其中，σ2为平均多径功率，eb/n0为信噪比，l为数据包大小。
[0055]
为提升编码块在星地链路传输成功率，消除传输过程中各种干扰因素对传输内容的影响，将缓存的最大编码块数设计为x
max
，定义为：
[0056][0057]
其中，v为原始块个数。
[0058]
s2、设计基于网络编码的星地主动缓存及内容请求过程。
[0059]
当卫星经过内容服务器时，内容服务器将热门内容的编码块注入卫星中，卫星通过星地链路将内容预缓存到基站中。当用户发出请求时，基站利用缓存内容响应用户，无需将请求转发给内容服务器，从而降低下载时延，缓解骨干网带宽压力。由于卫星缓存空间有限且星地链路丢包率高，本发明引入网络编码技术，减少内容的重传，最小化用户下载时延。
[0060]
星地缓存过程如图2所示。本发明将卫星编码缓存问题建模为多重背包问题，根据内容流行度、星地链路传输质量和卫星缓存空间计算出缓存的内容及其编码块数量。
[0061]
当用户u
j,k
向关联基站bj请求内容fi时，基站bj检查缓存中是否有v个原始块，若有，则直接将v个原始块发送给用户；否则，向相邻基站或内容服务器请求缺少的编码块，如图3所示。
[0062]
用户u
j,k
下载内容fi的时延t
k,i
为：
[0063][0064]
其中，r
bd
，r
bb
和r
sb
分别为基站到用户、基站到基站和基站到内容服务器的链路数据率；wi为内容fi的编码块大小，为基站从邻居基站bm获取的线性独立编码块个数，为邻居基站集合。基站从邻居基站可获得的最大编码块数量v
max
为：
[0065][0066]
其中，表示基站bj收到内容fi的编码块数。则，需要从内容服务器获取的编码块数量vs为，
[0067][0068]
其中，n为从邻居基站获得的线性独立编码块数量。
[0069]
s3、定义基站从邻居基站获取编码块的概率。
[0070]
基站从邻居基站得到个编码块的概率g
′n为
[0071][0072]
基站从邻居基站得到n个编码块的概率gn为：
[0073][0074]
此时，公式(4)修改为：
[0075][0076]
则，基站bj关联用户的平均下载时延tj为
[0077][0078]
其中，p
i,j
表示基站bj对内容fi的请求概率。
[0079]
s4、设计目标函数，将缓存问题建模为多重背包问题。
[0080]
优化目标z为最小化基站组中b个基站的用户请求时延的平均值，即
[0081][0082]
s.t.x
*
·wt
≤c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11a)
[0083]
0≤xi≤x
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11b)
[0084]
公式(11a)表示选择缓存的内容不能超过卫星分配给基站组的缓存空间，公式(11b)表示卫星缓存每个内容的编码块数量不能超过最大编码块数。
[0085]
将缓存决策抽象为一个多重背包问题，并利用狮群算法进行求解。将多重背包的目标函数定义为最大化总体用户请求时延减少量，多重背包中的物品价值定义为由缓存带来的时延减少量，物品重量定义为编码块大小，背包容量定义为基站缓存空间。
[0086]
当系统无缓存时，用户u
j,k
下载内容fi的时延s
k,i
为：
[0087][0088]
其中，r
bd
,r
sb
分别为基站到用户和基站到内容服务器的链路数据率；wi为内容fi的编码块大小，v为解码所需线性无关的编码块数量。无缓存时，用户基站bj关联用户的平均下载时延sj为：
[0089][0090]
其中，p
i,j
表示内容fi在基站bj中的流行度。
[0091]
此时，多重背包目标函数为：
[0092][0093]
其中，公式(11a)表示背包中物品的重量不得超过背包容量，公式(11b)表示第i种物品最多有x
max
件可用。
[0094]
综上所述，本发明提出了基于网络编码的星地缓存与内容分发机制的构建方法，针对卫星传输丢包率高、卫星缓存空间有限等问题，研究一种基于网络编码的星地缓存与内容分发机制，以降低星地传输丢包率高带来的影响，降低用户下载时延。将卫星缓存问题转化为多重背包问题，然后用狮群算法求解。首先，根据星地链路情况，设计最大编码块数量；然后根据内容流行度决策缓存哪些内容及每个内容缓存的编码块数量，将缓存决策建模为多重背包问题，利用狮群算法进行求解，最后提出一种请求缺失编码块请求策略。
[0095]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域技术人员可以理解：在不脱离本
发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。