一种基于编码的无线异构网络视频缓存设施部署方法技术

本发明专利技术公开了一种基于编码的无线异构网络视频缓存设施部署方法，包括以下步骤：以下步骤：(1)构建网络拓扑、用户分组，计算用户分组权重；(2)构建流行视频文件集流行度分布模型；(3)建立最小化回程链路数据传输开销目标函数，构建最优化模型；(4)求解最优化问题，得出缓存设施部署方案以及文件放置方案；(5)定期更新缓存视频文件集，使用随机线性网络编码对文件进行编码，按照文件放置方案对文件分块放置。本发明专利技术提供了一种高效的在无线网络中进行视频缓存设施部署的方法，有效地降低了网络中回程链路的流量，提高了整个无线网络的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于编码的无线异构网络视频缓存设施部署方法
本专利技术属于网络
，具体涉及一种无线异构网络视频缓存设施部署方法。
技术介绍
近年来，移动网络流量呈现出爆发式增长的态势，其中视频流量又占据了主要的网络带宽。Cisco公司2016年发布的白皮书报告中称，未来几年的移动网络流量将呈指数增长态势，并于2021年突破49EB大关。其中，网络视频流量的占比也在不断扩大，到2021年，预计这部分移动流量会从当前的60％左右增长到78％左右。移动流量的爆发式增长给现有的移动运营商网络带来了巨大的压力，一个无线蜂窝基站需要处理的大量的数据传输请求。在这样的背景下，一种无线异构网络被提了出来。在已有的蜂窝网络中部署一些小基站，形成毫微微蜂窝网，将网络接入点向用户拉近，从而提高用户请求的响应速度。但是，这种无线异构网络的性能会被小基站与主机站之间的回程链路所限制。如图1所示，在一个无线异构网络场景中，一个主基站(MBS)形成一个大范围的蜂窝网络，在这个大范围的蜂窝网络下部署着一些覆盖范围更小的小基站(SBS)，这些小基站形成的小范围蜂窝网络被称为毫微微蜂窝网(Femto-Cell)，这些小基站与主基站之间具备一条回程链路(backhaullink)，用于双方进行通信。用户经由无线链路(wirelesslink)连接至小基站，用户向小基站请求内容时，小基站通过回程链路进行数据传输。这时将占用回程链路，形成数据竞争，进而影响整个网络的性能。为了解决上述的问题，一种在小基站上部署缓存设施并且缓存视频文件的想法被提了出来，如图2所示。视频数据流量中有很大的部分是重复的数据流量，因为人们往往会集中于看某些比较流行的视频。有研究表明，视频文件的流行度往往符合Zipf分布，绝大部分对视频的请求是集中在少数的视频上的。这样在小基站上主动缓存流行的视频文件集并且在用户请求量较少的时间段(如夜间)进行文件集的更新就有了意义。在小基站上部署视频缓存，用户向小基站进行视频请求时，若小基站提前缓存了视频内容，则直接对用户进行服务。这样做可以有效地减少回程链路中的流量以及用户请求视频文件的时延。目前关注在小基站缓存视频文件的一些工作主要集中在如何在已有的缓存架构下进行流行视频文件的缓存放置，而如何在现有的无线异构网络下进行缓存基础设施的部署则没有得到足够多的关注。
技术实现思路
专利技术目的：基于以上不足，本专利技术提出一种在一个固定的预算下提供一种合理高效的缓存设施部署方法以及与之对应的流行视频文件缓存放置方法，以减少用户日常针对视频的请求过程中小基站与主基站之间的回程链路上数据流量，从而提升整个网络的性能。技术方案：本专利技术所述的一种基于编码的无线异构网络视频缓存设施部署方法包括以下步骤：(1)构建网络拓扑、用户分组，计算用户分组权重。统计小基站覆盖范围内的用户分布情况，根据用户被小基站覆盖的情况，将被相同小基站集合覆盖的用户分为一个用户分组u∈U＝{1,2,…,|U|}。对于每个用户分组，记录他们能够访问的小基站集合Nu。同时，为每个用户分组分配一个权重wu，将同一用户分组内的所有用户数求和，除以所有用户分组总用户数之和，得到该用户分组的权重wu。(2)构建流行视频文件集流行度分布模型。使用Zipf分布模型来刻画视频文件流行度，Zipf分布的具体形式为：其中，f＝1,2,…,|F|，表示视频文件集F中文件的编号；pf表示视频文件f的流行度，即该文件被请求的概率。每天流行视频文件的流行度通过选取前|F|个观看量最靠前的视频文件，用每个文件的观看量除以这|F|个文件当天总的观看量来求得。使用该模型描述视频文件流行度分布时，主要关注指数γ。参数γ表示视频文件的流行度分布特性，其求取方式为：将上式两边同取对数后有如下形式：logpf＝-γlogf-C，其中C表示无关量，根据每天取得的f和pf数据，使用线性回归得到当天的γ值；对于长期时间段内，可以求取平均值作为最终的γ值。(3)建立最小化回程链路数据传输开销目标函数，构建最优化模型。构建目标函数为：其中，u∈U＝{1,2,…,|U|}表示用户分组，wu表示该用户分组u的权重；Nu表示用户分组u可见的小基站集合；f∈F＝{1,2,…,|F|}表示流行视频文件集，pf表示文件f的流行度；zu,f表示用户分组u针对视频文件f的一次请求可以从小基站上获得的数据量。最优化模型有如下表示：其中，h∈H＝{1,2,…,|H|}表示小基站集合；ρf,h表示视频文件f放在小基站h上的数据量，本专利技术采用随机线性网络编码对视频文件进行编码后放置在不同的小基站上，一次针对视频文件f的请求只需要取得该文件大于等于1的数据量即可完成解码；B表示缓存部署预算；Nu(i)表示一个用户分组可见的第i个小基站。约束(1)表示对于任意一个视频文件f，其被存储在任意一个小基站h上的数据量应该在0到1之间；约束(2)表示所有小基站上的视频数据存储量不应该超过缓存部署预算B；约束(3)表示一个用户可见一个视频文件的数据量不应该超过1；约束(4)表示一个用户可见一个视频文件的数据量不应该超过该文件存放在该用户可见的小基站集合上的数据总量。(4)求解最优化问题，得出缓存设施部署方案以及文件放置方案。先将优化模型转化成MATLAB标准形式：然后直接使用MATLAB优化工具箱中的linprog函数求解，得到ρf,h和zu,f。求解完成后，一个小基站上部署的缓存大小为文件放置则需要进行编码后再根据数据量放置比例进行放置。(5)定期更新缓存视频文件集，使用随机线性网络编码对文件进行编码，按照文件放置方案对文件分块放置。放置视频文件f的数据时，需要先将文件分块，然后使用随机线性网络编码技术进行编码，随后根据ρf,h,h＝1,2,…,|H|将编码后的数据块按比例放置在不同的小基站上。有益效果：本专利技术提出一种基于编码的无线异构网络视频缓存设施部署方法，提供了一种在固定预算下在小基站上布置缓存设施的方法，使用对视频文件进行编码的方式使得视频文件分块放置在不同的小基站上，并在此基础上综合考虑了各个小基站覆盖的用户请求权重、视频文件集流行度，合理分配缓存设施，使得视频文件的数据能够合理的分布在不同的小基站上，从而提高用户从小基站上直接获取视频数据的可能性，降低网络回程链路的数据传输量，提高整个网络的性能。附图说明图1是无线异构网络场景图；图2是部署缓存后的无线异构网络场景图；图3是本专利技术方法的总体流程图；图4是本专利技术的网络拓扑的二部图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步说明。本专利技术关注在有限的预算下如何在已有的无线异构网络中进行缓存设施的部署，联合考虑流行视频文件集的放置以及缓存设施的部署问题。有研究表明，流行视频文件集的流行度分布在一个较长的时间段内是相对稳定的。在这样的前提下，一个合理的缓存设施部署方案能够使得一个无线异构网络长期保持良好的性能。本专利技术提出一种将视频文件进行编码之后再进行放置的方案，然后将在这种放置方案下如何进行缓存设施部署的问题转化成一个最优化问题。该问题以最小化回程链路开销为目标，联合考虑了缓存设施部署预算、各个小基站覆盖的用户请求权重、视频文件集流行度等因素。通过高效的视频缓存设施部署，使得在较长一段时间的工作过程中网络中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于编码的无线异构网络视频缓存设施部署方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)构建网络拓扑、用户分组，计算用户分组的权重；(2)构建流行视频文件集流行度分布模型；(3)建立最小化回程链路数据传输开销目标函数，构建最优化模型；(4)求解最优化问题，得出缓存设施部署方案以及视频文件放置方案；(5)定期更新缓存视频文件集，使用随机线性网络编码对视频文件进行编码，按照视频文件放置方案对视频文件分块放置。

【技术特征摘要】
1.一种基于编码的无线异构网络视频缓存设施部署方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)构建网络拓扑、用户分组，计算用户分组的权重；(2)构建流行视频文件集流行度分布模型；(3)建立最小化回程链路数据传输开销目标函数，构建最优化模型；(4)求解最优化问题，得出缓存设施部署方案以及视频文件放置方案；(5)定期更新缓存视频文件集，使用随机线性网络编码对视频文件进行编码，按照视频文件放置方案对视频文件分块放置。2.根据权利要求1所述的基于编码的无线异构网络视频缓存设施部署方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：(11)统计小基站覆盖范围内的用户分布情况，根据用户被小基站覆盖的情况，将被相同小基站集合覆盖的用户分为一个用户分组u∈U＝{1,2,…,|U|}；(12)对于每个用户分组，记录他们能够访问的小基站集合Nu；(13)将同一用户分组内的所有用户数求和，除以所有用户分组总用户数之和，得到该用户分组的权重wu。3.根据权利要求2所述的基于编码的无线异构网络视频缓存设施部署方法，其特征在于，所述步骤(11)包括：将整个无线异构网络覆盖的区域分成很小的等块，统计一个时间段内每个等块内出现的用户数；然后基于各个等块的覆盖情况，被小基站覆盖情况相同的等块组成一个用户分组u∈U＝{1,2,…,|U|}；所述步骤(13)包括：将同一用户分组内的所有等块出现的用户数求和，除以所有用户分组总用户数之和，得到该用户分组的权重wu。4.根据权利要求1所述的基于编码的无线异构网络视频缓存设施部署方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：使用Zipf分布模型来描述小基站要缓存的流行视频文件集的流行度分布，其具体形式为：其中f＝1,2,…,|F|，表示视频文件集F中文件的编号，视频文件集中的文件按文件流行度降序排列；pf表示视频文件f的流行度，即视频文件被请求的概率；指数γ表示视频文件的流行度分布特性，其计算方法如下：将上式对两边同时取对数得到logpf＝-γlogf-C，其中C表示无关量，持续分析一段时间内网络中用户每天对视频文件的请求概率pf，基于每天取得的f和pf来求取γ，使用线性回归取得当天的γ值；对于长期时间段内，求取平均值作为最终的γ值，其中，每天视频文件的流行度通过统计的方式获得：分析当天用户对视频文件的请求，记录下文件ID以及被请求的次数，选取前|F|个观看量最靠前的视频文件，用每个文件的观看量除以这|F|个文件总的观看量求得视频文件在当天被请求的概率。5.根据权利要求1所述的基于编码的无线异构网络视频缓存设施部署方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：构建目标函数为：其中，u∈U＝{1,2,…,|U|}表示用户分组，wu表示该用户分组u的权重；Nu表示用户分组u可见的小基站集合；f∈F＝{1,2,…,|F|}表示流行视频文件集，pf表示文件f的流行度；zu,f表示用户分组u针对视频文件f的一次请求可以从小基站上获得的数据量；最优化模型有如下表示：

【专利技术属性】
技术研发人员：张驰，唐斌，叶保留，陆桑璐，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32