本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，具體涉及蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中基于社交關(guān)系的移動節(jié)點文件緩存方法。

背景技術(shù)：

過去數(shù)年時間，隨著智能手機等手持設(shè)備的大量普及，各種無線應(yīng)用的數(shù)量也在飛速增長，伴隨而來的是數(shù)據(jù)量的爆炸性增長，這給蜂窩網(wǎng)絡(luò)造成了極大的負擔(dān)，從而導(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量變差。如何在有限的帶寬資源上滿足人們?nèi)找嬖鲩L的數(shù)據(jù)服務(wù)需求，是無線通信領(lǐng)域所要面對的巨大挑戰(zhàn)。

近些年來，一些傳統(tǒng)的方法，如增大頻譜帶寬、微蜂窩等，已漸漸逼近極限。人們開始將目光聚焦在流量本地化技術(shù)以降低網(wǎng)絡(luò)負載。與此同時，終端直通技術(shù)提供了一種相較于蜂窩通信有著更低傳輸代價的通信方式。研究表明，在蜂窩系統(tǒng)中將文件緩存在移動節(jié)點中，移動節(jié)點(用戶)間通過終端直通通信分享緩存文件，可大大減小無線傳輸代價，緩解蜂窩系統(tǒng)的流量負載。

在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，移動節(jié)點通常直接從服務(wù)器下載所需的文件，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時，用戶體驗將奇差。移動節(jié)點可將文件主動緩存在本地中，當(dāng)鄰近的節(jié)點需要該文件時，可通過終端直通通信分享該文件，如此可避免該節(jié)點直接從服務(wù)器下載，從而達到流量卸載的目的。目前已有工作對此進行了研究，R.Lan和W.Wang在其論文“Device-to-device offloading with proactive caching in mobile cellular networks”中設(shè)計了一種分布式的移動節(jié)點緩存方案，該方案通過節(jié)點相遇后的緩存文件調(diào)整來達到系統(tǒng)優(yōu)化的緩存狀態(tài)，從而最大限度地進行蜂窩流量卸載。

但是蜂窩網(wǎng)絡(luò)中一些移動節(jié)點出于安全和收益等考量，無法實現(xiàn)與其他任意節(jié)點間的文件分享。這使得一些節(jié)點無法獲得緩存關(guān)系較為疏遠的節(jié)點(多跳社交鄰居節(jié)點)上的文件。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了讓移動節(jié)點在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中通過終端直通通信的方式獲得緩存在多跳社交鄰居節(jié)點上的文件，本發(fā)明提出了一種蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于社交關(guān)系的分布式移動節(jié)點文件緩存方法。

一種蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于社交關(guān)系的分布式移動節(jié)點文件緩存方法，步驟如下：

1)基于社交關(guān)系，蜂窩系統(tǒng)中移動節(jié)點i只與其朋友節(jié)點通過終端直通通信進行文件共享，其中為節(jié)點i的朋友節(jié)點集合，朋友節(jié)點即一跳社交鄰居節(jié)點；

2)移動節(jié)點i與其朋友節(jié)點j相遇時，針對雙方所緩存的所有文件計算緩存這些文件能獲得的效益，所述的效益包括直接效益和間接效益，然后基于所述的效益來確定在節(jié)點i和j上的文件緩存方案x_i＝(x_i，1，x_i，2，…，x_i，d，…x_i，M)與x_j＝(x_j，1，x_j，2，…，x_j，d，…x_j，M)，x_i，d∈{0，1}，x_i，d＝1表示節(jié)點緩存文件d，x_i，d＝0表示節(jié)點不緩存文件d，x_j，d定義類似，M為文件總數(shù)目；節(jié)點i緩存文件d可以獲得效益其中直接效益為節(jié)點i緩存文件d給自身和其朋友節(jié)點帶來的流量卸載量，間接效益的目的是增加其他節(jié)點的直接效益，由于間接效益的存在，緩存在節(jié)點i的多跳社交鄰居節(jié)點l中的文件d有更大機會通過i與l間的中間節(jié)點的緩存而最終讓節(jié)點l獲得，此過程通過終端直通通信方式而非蜂窩通信方式進行，從而減小通信代價；

3)蜂窩系統(tǒng)中移動節(jié)點與其朋友節(jié)點每一次相遇時，經(jīng)過步驟1、2，最終得到系統(tǒng)的優(yōu)化文件緩存方案。

所述的步驟2)中間接效益的定義如下：

其中s_d為文件d的大小，x_k，d為節(jié)點k是否緩存d的文件緩存狀態(tài)，f_k，d為節(jié)點k在可獲得文件d時決定緩存的概率，r_k，d為其他節(jié)點對文件d的需求反映到節(jié)點k上的部分，是一個指示變量，指示節(jié)點k是否需要節(jié)點i幫忙緩存文件d，表示為

所述的f_k，d的確定過程如下：

節(jié)點k每次與其他節(jié)點的相遇中，節(jié)點k決定緩存d時，即x_k，d＝1時，增大f_k，d的值；否則減小f_k，d的值，具體步驟描述如下：

①節(jié)點k與其朋友節(jié)點l相遇后，節(jié)點k獲得新的緩存方案其中為節(jié)點k和l所擁有的文件集合；

②節(jié)點k更新緩存效益并進行歸一化，即從而得到

③對于節(jié)點k把f_k，d更新為其中b∈(0，1)，為步長調(diào)節(jié)參數(shù)。

所述的r_k，d的確定過程如下：

以節(jié)點k為中心，社交鄰居節(jié)點一跳一跳向外擴展，直至覆蓋所有相關(guān)節(jié)點，H_k為能擴展的最大跳數(shù)，節(jié)點k的一跳社交鄰居節(jié)點對文件d的需求反映到節(jié)點k上的部分為：

是節(jié)點k的一跳社交鄰居節(jié)點無法滿足對文件d的請求的情況下向節(jié)點k請求的概率和，其中q_l，d為節(jié)點l對文件d的需求程度，p_kl(T)為節(jié)點k和l在請求等待時間T內(nèi)相遇的概率，m_l\k(T)為節(jié)點l無法在時間T內(nèi)從節(jié)點k以外的其他節(jié)點獲得文件d的概率，節(jié)點k的兩跳社交鄰居節(jié)點對文件d的需求反映到節(jié)點k上的部分為：

節(jié)點k的一跳社交鄰居節(jié)點l作為中間節(jié)點向節(jié)點k反映節(jié)點l的一跳社交鄰居節(jié)點對文件d的需求依此類推，節(jié)點k的h跳社交鄰居節(jié)點對文件d的需求反映到節(jié)點k上的部分為：

因此其他節(jié)點對文件d的需求反映到節(jié)點k上的部分表示為：

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明針對蜂窩網(wǎng)絡(luò)中移動節(jié)點緩存問題提出了間接效益的概念，并給出了相應(yīng)的定義和計算方法，基于社交關(guān)系設(shè)計出一種分布式節(jié)點文件緩存方法，盡量避免了移動節(jié)點直接從服務(wù)器下載文件，讓系統(tǒng)以較小的通信代價達到優(yōu)化的緩存狀態(tài)。

附圖說明

圖1是蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于社交關(guān)系的分布式移動節(jié)點文件緩存方法的系統(tǒng)模型；

圖2是隨著節(jié)點間相遇次數(shù)的增加，使用本發(fā)明方法、無間接效益方法、隨機調(diào)整策略和LFU策略下流量卸載比率的變化情況；

圖3是在不同的容忍時間T的情況下，使用本發(fā)明方法、無短期效益方法、隨機調(diào)整策略和LFU(最低使用頻率替換)策略達到系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)過程中流量卸載比率的比較；

圖4是在不同的平均緩存空間的情況下，使用本發(fā)明方法、無間接效益方法、隨機調(diào)整策略和LFU策略達到系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)過程中流量卸載比率的比較。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實例進一步說明本發(fā)明。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)中移動節(jié)點間存在社交關(guān)系的系統(tǒng)模型如圖1所示。上層實線表示兩節(jié)點為朋友關(guān)系，下層虛線表示兩節(jié)點相互處于通信范圍之內(nèi)。每個節(jié)點有一定的緩存空間，其緩存的文件可以通過終端直通通信的方式與其朋友節(jié)點共享。此系統(tǒng)存在一個最優(yōu)的移動節(jié)點文件緩存方案，使得系統(tǒng)能夠最大化地進行流量卸載，即最小化通過蜂窩通信進行下載的文件量。我們希望通過移動節(jié)點相遇后的緩存調(diào)整來分布式地以最小通信代價達到系統(tǒng)最優(yōu)緩存狀態(tài)。然而由于移動節(jié)點間存在社交關(guān)系的特性，節(jié)點只愿意與朋友節(jié)點共享文件，這使得節(jié)點從多跳社交鄰居節(jié)點獲得其緩存的文件的機會比較小。如圖1所示，節(jié)點7緩存有節(jié)點1所需要的文件，如果節(jié)點5和6并沒有意愿緩存該文件，則節(jié)點1將沒有機會接觸到該文件；如果節(jié)點1的需求能夠反映到而節(jié)點5和6上，則節(jié)點1有機會通過中間節(jié)點的中轉(zhuǎn)以終端直通通信的方式獲得節(jié)點7上的文件。節(jié)點1也可以直接從服務(wù)器下載所需文件，但蜂窩通信的代價遠大于終端直通通信的代價。因此我們希望能通過終端直通通信的方式讓系統(tǒng)達到盡可能優(yōu)化的緩存狀態(tài)，從而讓節(jié)點盡可能地通過終端直通通信的方式滿足其他節(jié)點的請求，使系統(tǒng)最大化流量卸載量。

假定網(wǎng)絡(luò)中有20個移動節(jié)點和20個文件，分別用集合和表示。所有節(jié)點分布在被一個基站覆蓋的400m×400m的區(qū)域內(nèi)，每個節(jié)點的運動獨立地服從隨機位點移動模型，其運動速度在[0，20]m/s的區(qū)間內(nèi)隨機產(chǎn)生。每個節(jié)點的朋友節(jié)點集合是固定的，對各文件的需求程度獨立地服從參數(shù)為1的Zipf分布，各文件的大小在{1，2，3}MB上均勻分布。初始狀態(tài)下，每個節(jié)點隨機緩存有兩個文件。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于社交關(guān)系的分布式移動節(jié)點文件緩存方法具體描述如下：

1)移動節(jié)點i與其基于社交關(guān)系的朋友節(jié)點j相遇時，針對雙方所緩存的所有文件計算緩存這些文件能獲得的效益，所述的效益包括直接效益和間接效益。節(jié)點i緩存文件d可以獲得的直接收益為節(jié)點i緩存文件d給自身和其朋友節(jié)點帶來的流量卸載量，其具體形式可選擇R.Lan和W.Wang的論文“Device-to-device offloading with proactive caching in mobile cellular networks”中的形式。間接效益的目的是令其他節(jié)點有更大機會通過終端直通通信的方式獲得緩存在多跳社交鄰居節(jié)點上的文件，從而增加其他節(jié)點的直接效益，間接效益的設(shè)計需要滿足兩個條件：①能夠反映多跳社交鄰居節(jié)點的文件需求；

②長期上將衰減為0。條件①為間接效益定義要求，條件②則是由于長期上系統(tǒng)緩存狀態(tài)將趨于穩(wěn)定，節(jié)點能否在一定的時間T內(nèi)獲得所需文件僅取決于自身和其朋友節(jié)點的緩存狀態(tài)，與其他節(jié)點的緩存狀態(tài)無關(guān)。根據(jù)以上原則，本發(fā)明給出了其具體形式：

其中s_d為文件d的大小，x_k，d為節(jié)點k是否緩存d的文件緩存狀態(tài)，f_k，d為節(jié)點k在可獲得文件d時決定緩存的概率，是一個指示變量，指示節(jié)點k是否需要節(jié)點i幫忙緩存文件d，表示為

r_k，d為其他節(jié)點對文件d的需求反映到節(jié)點k上的部分，為簡化分析，本具體實施方案采用兩跳社交鄰居節(jié)點的需求反映，r_k，d表示為

其中q_l，d為節(jié)點l對文件d的需求程度。本具體實施方案中采用相遇過程符合泊松過程的模型，λ_kl是表征節(jié)點k和節(jié)點l相遇頻率的參數(shù)，具體參數(shù)值可由隨機位點移動模型推導(dǎo)得出，基于此泊松過程模型，可得到：其中因此r_k，d的具體表達式為：

表達式中的f_k，d可利用如下算法得到，具體步驟描述為：

①節(jié)點k與其朋友節(jié)點l相遇后，節(jié)點k獲得新的緩存方案其中為節(jié)點k和l所擁有的文件集合；

②節(jié)點k更新緩存效益并進行歸一化，即從而得到

③對于節(jié)點k把f_k，d更新為其中b∈(0，1)，為步長調(diào)節(jié)參數(shù)。

同樣地，節(jié)點j得到緩存文件d的直接效益和間接效益

2)節(jié)點i和j將相應(yīng)的直接效益與間接效益相加即得到節(jié)點i和j緩存文件d的效益u_i，d和u_j，d，即節(jié)點i和j基于獲得的文件緩存效益u_i，d和u_j，d，采用R.Lan和W.Wang的論文“Device-to-device offloading with proactive caching in mobile cellular networks”中的Algorithm 1來確定i和j的文件緩存分布方案x_i＝(x_i，1，x_i，2，…，x_i，d，…x_i，M)與x_j＝(x_j，1，x_j，2，…，x_j，d，…x_j，M)，x_i，d∈{0，1}，x_i，d＝1表示節(jié)點緩存文件d，x_i，d＝0表示節(jié)點不緩存文件d，x_j，d定義類似，M為文件總數(shù)目。

3)經(jīng)過移動節(jié)點與其朋友節(jié)點每一次相遇時的文件緩存調(diào)整后，最終得到系統(tǒng)的優(yōu)化文件緩存方案。

通過計算機仿真表明，從圖2可以看出，在經(jīng)過大約200次節(jié)點相遇時的緩存調(diào)整過程后，使用本發(fā)明方法能使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，且本發(fā)明方法的性能明顯好于隨機調(diào)整策略以及LFU策略；在系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)后，本發(fā)明方法與無間接效益方法性能非常接近，這是因為間接效益在長期上衰減為0，同時節(jié)點可利用從服務(wù)器下載的文件進行緩存調(diào)整。從圖3可以看出，隨著容忍時間T的增大，本發(fā)明方法、無間接效益方法、隨機調(diào)整方法以及LFU方法的流量卸載比率都有明顯提升，且性能差距在逐漸擴大，說明在等待時間較長的情況下本發(fā)明方法較有優(yōu)勢；本發(fā)明方法相對無間接效益方法有性能優(yōu)勢，體現(xiàn)本發(fā)明方法的性能體現(xiàn)在達到系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的過程中。從圖4可以看出，隨著平均緩存空間的增大，本發(fā)明方法、無間接效益方法、隨機調(diào)整方法以及LFU方法的流量卸載比率也都有明顯提升，與此同時，四種方法的性能差距在逐漸縮小，這說明在緩存空間不足的情況下，本發(fā)明方法更具優(yōu)勢；圖4也同樣說明，在達到系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的過程中本發(fā)明方法相較無間接效益方法有性能優(yōu)勢。

綜合以上性能比較，我們不難發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的方法在性能上超過其他的傳統(tǒng)方法，且在緩存空間不足以及等待時間比較長的情況下優(yōu)勢更加明顯，在達到系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的過程中本發(fā)明方法相較無間接效益方法有性能優(yōu)勢。