一种基于编码预存的相邻用户合作场景下的编码缓存方法

本发明涉及车联网通信，尤其是涉及一种基于编码预存的相邻用户合作场景下的编码缓存方法。

背景技术：

1、缓存是一种通过预先放置部分内容在靠近用户处以降低网络高峰期时的峰值速率的技术，将网络高峰期时需要传输的部分内容转移到非高峰期时进行，从而在降低高峰期网络负载的同时提高非高峰期的网络资源利用率。而编码缓存则是通过对放置和发送的信息进行编码来进一步降低峰值速率。一般编码缓存的模型包括一个中心服务器，一条多播共享链路和若干个用户。

2、现有技术中，一个经典的编码缓存模型，其中包括一个存有所有n个大小均为f比特的文件的中心服务器、一条连接服务器与所有用户的无噪多播共享链路和k个配备有缓存的用户，且每个用户的缓存大小相等，均为mf比特，并且假设上述n个文件被请求的概率一致，则这样的编码缓存系统称为均匀系统。编码缓存系统的运行分为两个阶段，首先是放置阶段，发生在网络的非高峰期，在这个阶段用户预先缓存一部分文件内容到自己的缓存空间中，根据这一阶段缓存文件的策略将编码缓存系统分为两种类型，一种是中心化系统，即由中心服务器决定用户预先缓存的内容；另一种是去中心化系统，由用户独立且随机地选择预先缓存的内容。在放置阶段结束后，系统进入服务阶段，发生在网络的高峰期，在这个阶段，用户向服务器提出文件请求，服务器根据所有用户的请求向用户发送信息，用户根据接收到的信息和在放置阶段预先缓存的内容得到其请求的文件。

3、m.a.maddah-ali和ursniesen结合网络编码与索引编码，首次提出了均匀编码缓存模型并给出了一种编码缓存方案(称为man方案)。令t＝mk/n,考虑m∈{0,n/k,2n/k,…,n}，即保证t为整数的情况。在放置阶段，将每个文件分为均匀不重复的份，即其中[k]＝{1,2,…,k}，对于任意一个用户k，若k∈t，则缓存子文件wn,t，即子文件的下标表示了缓存有这份子文件的用户编号。证明这种放置方式恰好填满用户的缓存。下表给出了在k＝6,n＝6,m＝2时的一个文件的放置结果，每列代表一个用户的缓存,其中t＝mk/n＝2,n＝1,2,…,n。

4、在服务阶段，设用户k请求文件对每一个集合|s|＝t+1发送则s中的每一个用户都从中得到其需要的一份子文件，因为对于一个特定的用户s∈s，其缓存中存在所有wn,s\{k},k≠s,n∈[n]。例如对于表格1中的用户2，其请求则对于s＝{1,2,3}，发送由于其缓存中存在和其从中解出对所有可能的s完成传输后，所有用户均完整得到其请求的文件：对于用户k，所有k∈t存在其缓存中，而所有则从服务器向集合s＝t∪{k}发送的信息中得到。

5、由此，在服务阶段，服务器总共需要发送条信息，每条信息的大小等于一个子文件的大小，即因此得到该方案的速率为

6、称r(m)为存储-速率折中(rate-memorytradeoff)，即在固定用户数量和文件数量时，系统共享链路上的速率与用户缓存大小的关系。r(m)是评估编码缓存系统的一个重要指标。在对均匀中心化编码缓存系统的研究中，一般给每一个文件分配相等的缓存空间，因此得到的速率一般对于所有可能的用户请求成立，而在去中心化系统，或是非均匀文件流行度等系统的研究中，一般需要考虑期望速率与峰值速率，即对所有可能的用户请求取期望，和最坏情况下的系统速率。

7、2.多接入编码缓存系统

8、多接入编码缓存系统(multi-accesscodedcaching,macc)是一种允许用户访问多个缓存空间的编码缓存系统。在macc系统中，用户i访问缓存i,<i+1>,…,<i+l-1>共l个缓存空间，其中

9、

10、macc系统是一种均匀的系统，其中每个用户事实上都是等价的，而将要提出的系统认为是一种特殊的macc系统，但其中用户的地位会有所不同，由于此种不对称性，现有的针对macc系统提出的各类方法将不能直接应用于其中，因此重新设计了其放置阶段和服务阶段。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于编码预存的相邻用户合作场景下的编码缓存方法，在编码缓存系统的两个阶段，针对所提出的系统模型的特点进行了相应的优化，降低了存储-速率折中r(m)，得到了更优的系统性能。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于编码预存的相邻用户合作场景下的编码缓存方法，包括以下步骤：

3、s1、在放置阶段，采用两种编码预存方案技术解决缓存冗余问题，分别适用于用户缓存空间较小和较大的情况；

4、s2、在服务阶段，采用基于贪婪受限染色的合作集合并方法解决用户间交互带来的传输效率降低问题。

5、优选的，在放置阶段的第一种编码预存方案包括：

6、s111、第一步，t>2时，则对于每一个用户i，删除子文件

7、wn,{i-2,i,i+1{∪x和wn.{i-2,i-1,i}∪x，

8、放置子文件

9、

10、其中，t≤2时，则这一步跳过；

11、式中，k：用户总量；n：文件总量；m：用户缓存空间大小，对文件大小归一化，即m＝1时，表示用户的缓存空间的大小等于1个文件的大小，wn：第n个文件，n∈1,2,…,n；wn,t：文件wn的一份子文件，其中t是一个用户集合，表示这份子文件在man方案中将会且仅会被放置到t中的所有用户的缓存中；[k]：[k]＝{1,2,…,k}；t：t＝mk/n；

12、其中[k]＝{1,2,…,k}，对于任意一个用户k，若k∈t，则缓存子文件wn,t，即子文件的下标表示了缓存有这份子文件的用户编号；

13、s112、第二步，对于每一个用户i，删除子文件

14、wn,{i,i+1}∪x和wn,{i-2,i}∪x，

15、放置子文件

16、

17、其中

18、在步骤s111中，删除了个子文件，然后放置了个子文件，在步骤s112中，删除了个子文件，然后放置了个子文件，即最终节省出个子文件的空间，由此得到等效的系统参数

19、

20、而还需要在传输阶段向两个边缘用户发送大小为的信息，因此最终得到的速率为

21、

22、其中，m'＝t'an/k，此处rgcc(m)为下文服务阶段得到的速率。

23、优选的，在放置阶段的第二种编码预存方案：首先将每个文件等分为两份，即并分别按照man方式放置到用户的缓存中，然后分为两步：

24、s121、第一步，对于每一个编号为偶数的用户ie且ie≠k，删去子文件

25、

26、然后放置子文件

27、

28、其中，当k为偶数时，删去用户k的缓存中的子文件其中

29、s122、第二步，对于每一个编号为奇数的用户io且io≠1,k，删去子文件

30、

31、然后放置子文件

32、

33、其中，对于用户1，删去其缓存中的子文件其中当k为奇数时，删去用户k的缓存中的子文件其中

34、步骤s121是步骤s122的操作的重复，但目标对象为编号为奇数的用户和这部分文件，结合步骤s121和步骤s122，对于每个用户都删去了个子文件，由此得到相应的等效系统参数

35、

36、以及相应的速率

37、rb(m′)＝rgcc(m),

38、其中，m'＝t'bn/k，此处rgcc(m)为下文服务阶段得到的速率。

39、优选的，在服务阶段，采用优化中的合作集、合并方法以及合并条件使其适用于该模型，包括以下步骤：

40、s21、根据步骤s1得到的用户合作集s中的用户的相邻关系对所有的用户合作集进行分类；

41、s22、根据合并条件建立冲突图；

42、s23、建立冲突图后，采用贪婪受限染色法对其中的顶点进行染色，使尽可能多的不直接相连的顶点染上相同的颜色，对于所有染上相同颜色的顶点，合并传输其生成的信息；

43、s24、在经过合并后，所有用户均仍能从接收到的信息和能够访问的缓存中恢复其所需要的文件。

44、优选的，在步骤s21中，分类如下：

45、当集合中不存在相邻用户时，针对该合作集生成的信息对其中的每个用户都是有用的，因此仍然按照man方案中的方式进行传输；

46、当集合中所有用户都存在相邻用户时，针对该合作集生成的信息对其中的所有用户都是无用的，不传输这条信息；

47、当集合中同时存在相邻用户和不相邻用户时，此时针对该合作集生成的信息对于其中相邻的用户是无用的，而对于不存在相邻用户的用户是有用的，对于这类合作集，通过染色法在其中进一步寻找多播机会。

48、优选的，在步骤s22中，将每一个这样的合作集s建模为图中的一个顶点，每个顶点包含三个属性：合作集编号，合作集中的目标用户，不与其他用户相邻的用户，合作集中的非目标用户，合作集中的相邻用户，记为

49、通过以下的合并条件来决定两个合作集si,sj间是否存在多播机会，合并条件为：

50、

51、其中，表示用户u能够访问的缓存编号，即

52、

53、式中，表示合作集的目标用户；表示合作集的非目标用户；

54、表示空集；

55、该条件保证了在合并传输后每个合作集的目标用户仍从接收到的信息中解出自己需要的子文件；对于图中的每两个顶点，若其表示的合作集之间不满足上述合并条件、则这两个顶点间存在边，每个顶点代表一个用户合作集，顶点之间的边按照上述合并条件建立。

56、优选的，在步骤s23中，在建立冲突图后，采用贪婪受限染色法对其中的顶点进行染色，使尽可能多的不直接相连的顶点染上相同的颜色；

57、对于所有染上相同颜色的顶点，通过以下方式合并传输其生成的信息：并向其中所有合作集的所有目标用户发送，对于其中一个合作集si中的一个目标用户k，由于其为其他合作集的非目标用户，其缓存中拥有所有子文件wn,s\{k},s≠si，因此其仍从这条信息中得到其需要的子文件；

58、令染色得到的色数为则需要的传输速率为

59、

60、式中，用户k请求文件对每一个集合|s|＝t+1发送则s中的每一个用户都从中得到其需要的一份子文件，因为对于一个特定的用户s∈s，其缓存中存在所有wn,s\{k},k≠s,n∈[n]；表示通过贪婪受限染色法得到的色数；表示步骤s22中得到的冲突图。

61、优选的，在步骤s24中，注意到合并条件

62、

63、由两个对称的子条件构成，其表示若一个合作集中的目标用户能够访问的缓存与另一个合作集中的非目标用户的缓存的交集不为空，并且反之亦然的话，这两个合作集被合并，也就是合作集中的目标用户访问到中的非目标用户的缓存，从而能够解码出合并后传输的信息，对于一个合作集以及其中的一个用户假设即被合并到了新的合作集σ中，则其收到的信息写为：

64、

65、

66、

67、其中为用户k所需要的子文件，为合作集中其他目标用户所需要的子文件，而则为σ中其他合作集中的目标用户所需要的子文件，根据合并条件，这些子文件一定被缓存在中的至少一个用户中，因为

68、

69、因此用户k从信息中解码出其所需要的子文件。

70、因此，本发明采用上述一种基于编码预存的相邻用户合作场景下的编码缓存方法，其技术效果如下：

71、(1)针对车联网等场景考虑了用户间通信的情况，并且考虑到基站的服务范围，引入了边缘用户的异构，使其与实际应用场景更相符。

72、(2)在服务阶段，为了解决引入用户间通信导致的传输效率降低的问题，使用了基于染色法的合作机合并技术，降低了需要的传输速率；在放置阶段，为了解决缓存冗余问题，使用了编码预存技术，并提出了两种方案，降低了用户缓存相同文件所需要的空间，从而降低了用户拥有相同大小空间时的需要的传输速率。

73、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。