基于图论的雾无线接入网协作内容部署方法技术

本发明专利技术公开了一种基于图论的雾无线接入网协作内容部署方法，包括：(1)根据接入层的协作缓存簇集合，构建每一协作缓存簇的流行内容集合，以及每一非簇节点的流行内容集合；(2)根据雾无线节点间的距离和负载差，以及所属的协作缓存簇，构建接入层雾无线节点的连接边集合

【技术实现步骤摘要】
基于图论的雾无线接入网协作内容部署方法
本专利技术涉及内容部署方法，尤其涉及一种基于图论的雾无线接入网协作内容部署方法。
技术介绍
雾无线接入网(F-RAN，Fog-RadioAccessNetwork)作为5G通信系统的新型系统架构，以其缓解前传拥塞和降低通信时延等方面的巨大优势，得到了通信领域的广泛关注。F-RAN中的雾无线接入节点F-AP(Fog-AccessPoint)能够在非高峰时刻提前缓存流行内容，这是实现前传卸载的关键。但是F-AP的存储空间有限，而F-AP覆盖区域上的内容流行度分布较为分散，F-RAN的边缘缓存性能增益因而受到极大地制约。考虑邻近的协作节点，以协作的方式部署内容，提高内容多样性，消除缓存冗余，可使得本地获取的被请求内容增多，协作缓存可以为进一步提升5G系统性能增益带来巨大帮助。协作内容部署问题是一个NP-hard的问题，运用动态规划方法可以求得全局最优解，但是这种方法的时间复杂度是指数时间复杂度。以往提出的近似解法主要是将内容部署优化问题转化为受限于拟阵约束的单调子模函数优化问题，然后提出贪婪算法求解转化后的问题。应用这类方法时，需要复杂的计算过程来评估目标函数的边际值，这类方法的时间复杂度为关于缓存节点个数和内容库尺寸的高阶多项式时间复杂度。由于内容库尺寸通常非常大，在雾无线接入网中，F-AP分布较为密集，因此，有必要提出更加高效的协作内容部署方法。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术针对现有技术存在的问题，提供一种基于图论的雾无线接入网协作内容部署方法，该方法集中式地确定雾无线接入网中给定区域的F-AP的缓存决策，计算复杂度低、前传卸载性能较高。技术方案：本专利技术所述的基于图论的雾无线接入网协作内容部署方法，包括：(1)根据接入层的协作缓存簇集合，构建每一协作缓存簇n的流行内容集合以及每一非簇雾无线接入节点i的流行内容集合n＝1,…,N，i＝1,…,I，N、I分别表示协作缓存簇和非簇雾无线接入节点的个数；(2)根据雾无线节点间的距离和负载差，以及雾无线节点所属的协作缓存簇，构建接入层雾无线节点的连接边集合εr；(3)根据所述连接边集合εr，构建接入层邻接表集合(4)根据接入层邻接表集合获取εr中每条边对应的冗余内容集合(5)根据冗余内容集合计算εr中每条边对应的冗余内容的缓存决策修正指示量；(6)根据步骤(5)更新后的协作缓存簇的流行内容集合，计算每个协作缓存簇n相应的缓存决策修正指示量；(7)根据步骤(5)得到的缓存决策修正指示量，计算每一非簇雾无线接入节点相应的缓存决策修正指示量；(8)根据步骤(5)-(7)得到的缓存决策修正指示量，计算最终的缓存决策。进一步的，步骤(1)具体包括：(1.1)将接入层雾无线接入点集合中的节点划分成N个协作缓存簇，未成簇的雾无线节点构成非簇雾无线节点集合(1.2)选定第n个协作缓存簇，计算内容库中每一内容对于协作缓存簇n的簇内请求概率pnf，并按照簇内请求概率pnf降序排序，将前SnKm个内容作为协作缓存簇n的流行内容集合其中，簇内请求概率pnf的计算式为：式中，代表协作缓存簇n中包括的雾无线接入节点的集合，pmf代表雾无线接入节点F-APm覆盖区域上内容f的请求概率，λm代表雾无线接入节点F-APm的请求到达率，Sn代表协作缓存簇n中雾无线接入节点的数量，Km代表雾无线接入节点F-APm所能缓存的内容数量；(1.3)对于其他协作缓存簇，按照(1.2)重复执行，直至得到每一个协作缓存簇的流行内容集合；(1.4)选定第i个非簇雾无线接入节点计算内容库中每一内容对于非簇雾无线接入节点F-APi的请求概率pif，并按照请求概率pif降序排序，将前Ki个最流行内容构成集合其中，Ki代表雾无线接入节点F-APi所能缓存的内容数量；(1.5)对于其他非簇雾无线接入节点，按照(1.4)重复执行，直至得到每个非簇雾无线接入节点的流行内容集合。进一步的，步骤(2)具体包括：(2.1)初始化连接边集合εr为空集；(2.2)选择接入层雾无线接入点集合中第m个节点F-APm，执行以下操作：获取第m'个节点F-APm'，m'＝m+1,...,M，M表示表示雾无线接入点的个数，判断是否满足以下条件：a、Dmm'≤γd，Lmm'≥γl；其中，Dmm′＝||dm-dm′||2，dm和dm′分别代表雾无线接入节点F-APm和F-APm'在欧式空间中的坐标，Lmm′＝||λm-λm′||2，λm和λm′分别代表雾无线接入节点F-APm和F-APm'覆盖区域上的请求到达率，γd代表雾无线接入节点之间距离的阈值，γl代表负载差的阈值，||·||2表示L2范数算子；b、节点F-APm和节点F-APm'不在同一个协作缓存簇内；若同时满足条件a和b，则将连接边(F-APm,F-APm')加入到集合εr中；(2.3)针对雾无线接入点集合中其他节点，按照步骤(2.2)重复执行，直至遍历完雾无线接入点集合中所有节点，得到最终连接边集合εr。进一步的，步骤(3)具体包括：(3.1)对接入层雾无线接入点集合中的第m个节点F-APm，构建其邻接表集合(3.2)对所有F-AP节点的邻接表集合，剔除元素个数为1的邻接表集合，将剩余的邻接表集合按照集合中元素个数降序排序，得到集合其中H为中元素个数。进一步的，步骤(4)具体包括：(4.1)对于邻接表集合中的第k个元素执行如下步骤：A、获取中的第j个元素F-APk,j与第一个元素F-APk,1的连接边e，根据如下准则获取连接边e对应的重复流行内容集合式中，表示协作缓存簇n中包括的雾无线接入节点的集合，表示非簇雾无线节点集合表示F-APk,j的流行内容集合，j＝2,…,Jk，Jk表示中元素个数；B、对于邻接表集合中的其他元素，重复执行(4.1)，从而得到每条连接边对应的重复流行内容集合(4.2)对于邻接表集合中的第k个元素执行如下步骤：对于中的第j个元素F-APk,j，初始化Kk,j＝Km＝K，其中，j＝1,…,Jk，Jk表示中元素个数，m代表雾无线接入节点F-APk,j在集合中的序号，m∈{1,...,M}，M表示雾无线接入节点的个数，Kk,j和Km均代表雾无线接入节点F-APk,j的可用存储空间尺寸，K表示雾无线接入节点的最大可用存储空间尺寸；(4.3)对于邻接表集合中的第k个元素执行如下步骤：A、累计计算中的第j个元素F-APk,j与第一个元素F-APk,1的连接边对应的重复流行内容集合的交集B、若则对于集合中的第j个元素F-APk,j与第一个元素F-APk,1的边e，从集合中随机选择Kk,1个内容构成边e对应的冗余内容集合并根据冗余内容集合更新Kk,j，更新相应的Km，并将序号为m的其他雾无线接入节点F-APk',j'(k'＞k,j'∈{1,...,Jk'})的可用存储空间Kk',j'的值更新为Km，以及更新连接F-APk,j的其他边e'≠e对应的重复流行内容集合其中，j＝2,…,Jk；C、若则对于集合中的第j个元素F-APk,j与第一个元素F-APk,1的边e，从集合中随机选择个内容，再连同集合中的所有内容构成边e对应的冗余内容集合并根据冗余内容集合更新Kk,j，更新相应的Km，并将序号为m的其他雾无线接入节点F-APk',j'(k'＞k本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于图论的雾无线接入网协作内容部署方法，其特征在于该方法包括：(1)根据接入层的协作缓存簇集合，构建每一协作缓存簇n的流行内容集合

【技术特征摘要】
1.一种基于图论的雾无线接入网协作内容部署方法，其特征在于该方法包括：(1)根据接入层的协作缓存簇集合，构建每一协作缓存簇n的流行内容集合以及每一非簇雾无线接入节点i的流行内容集合n＝1,…,N，i＝1,…,I，N、I分别表示协作缓存簇和非簇雾无线接入节点的个数；(2)根据雾无线节点间的距离和负载差，以及雾无线节点所属的协作缓存簇，构建接入层雾无线节点的连接边集合εr；(3)根据所述连接边集合εr，构建接入层邻接表集合(4)根据接入层邻接表集合获取εr中每条边对应的冗余内容集合(5)根据冗余内容集合计算εr中每条边对应的冗余内容的缓存决策修正指示量；(6)根据步骤(5)更新后的协作缓存簇的流行内容集合，计算每个协作缓存簇n相应的缓存决策修正指示量；(7)根据步骤(5)得到的缓存决策修正指示量，计算每一非簇雾无线接入节点相应的缓存决策修正指示量；(8)根据步骤(5)-(7)得到的缓存决策修正指示量，计算最终的缓存决策。2.根据权利要求1所述的基于图论的雾无线接入网协作内容部署方法，其特征在于：步骤(1)具体包括：(1.1)将接入层雾无线接入点集合中的节点划分成N个协作缓存簇，未成簇的雾无线节点构成非簇雾无线节点集合(1.2)选定第n个协作缓存簇，计算内容库中每一内容对于协作缓存簇n的簇内请求概率pnf，并按照簇内请求概率pnf降序排序，将前SnKm个内容作为协作缓存簇n的流行内容集合其中，簇内请求概率pnf的计算式为：式中，代表协作缓存簇n中包括的雾无线接入节点的集合，pmf代表雾无线接入节点F-APm覆盖区域上内容f的请求概率，λm代表雾无线接入节点F-APm的请求到达率，Sn代表协作缓存簇n中雾无线接入节点的数量，Km代表雾无线接入节点F-APm所能缓存的内容数量；(1.3)对于其他协作缓存簇，按照(1.2)重复执行，直至得到每一个协作缓存簇的流行内容集合；(1.4)选定第i个非簇雾无线接入节点计算内容库中每一内容对于非簇雾无线接入节点F-APi的请求概率pif，并按照请求概率pif降序排序，将前Ki个最流行内容构成集合其中，Ki代表雾无线接入节点F-APi所能缓存的内容数量；(1.5)对于其他非簇雾无线接入节点，按照(1.4)重复执行，直至得到每个非簇雾无线接入节点的流行内容集合。3.根据权利要求1所述的基于图论的雾无线接入网协作内容部署方法，其特征在于：步骤(2)具体包括：(2.1)初始化连接边集合εr为空集；(2.2)选择接入层雾无线接入点集合中第m个节点F-APm，执行以下操作：获取第m'个节点F-APm'，m'＝m+1,...,M，M表示表示雾无线接入点的个数，判断是否满足以下条件：a、Dmm'≤γd，Lmm'≥γl；其中，Dmm′＝||dm-dm′||2，dm和dm′分别代表雾无线接入节点F-APm和F-APm'在欧式空间中的坐标，Lmm′＝||λm-λm′||2，λm和λm′分别代表雾无线接入节点F-APm和F-APm'覆盖区域上的请求到达率，γd代表雾无线接入节点之间距离的阈值，γl代表负载差的阈值，||·||2表示L2范数算子；b、节点F-APm和节点F-APm'不在同一个协作缓存簇内；若同时满足条件a和b，则将连接边(F-APm,F-APm')加入到集合εr中；(2.3)针对雾无线接入点集合中其他节点，按照步骤(2.2)重复执行，直至遍历完雾无线接入点集合中所有节点，得到最终连接边集合εr。4.根据权利要求1所述的基于图论的雾无线接入网协作内容部署方法，其特征在于：步骤(3)具体包括：(3.1)对接入层雾无线接入点集合中的第m个节点F-APm，构建其邻接表集合(3.2)对所有F-AP节点的邻接表集合，剔除元素个数为1的邻接表集合，将剩余的邻接表集合按照集合中元素个数降序排序，得到集合其中H为中元素个数。5.根据权利要求1所述的基于图论的雾无线接入网协作内容部署方法，其特征在于：步骤(4)具体包括：(4.1)对于邻接表集合中的第k个元素执行如下步骤：A、获取中的第j个元素F-APk,j与第一个元素F-APk,1的连接边e，根据如下准则获取连接边e对应的重复流行内容集合式中，表示协作缓存簇n中包括的雾无线接入节点的集合，表示非簇雾无线节点集合表示F-APk,j的流行内容集合，j＝2,…,Jk，Jk表示中元素个数；B、对于邻接表集合中的其他元素，重复执行(4.1)，从而得到每条连接边对应的重复流行内容集合(4.2)对于邻接表集合中的第k个元素执行如下步骤：对于中的第j个元素F-APk,j，初始化Kk,j＝Km＝K，其中，j＝1,…,Jk，Jk表示中元素个数，m代表雾无线接入节点F-APk,j在集合中的序号，m∈{1,...,M}，M表示雾无线接入节点的个数，Kk,j和Km均代表雾无线接入节点F-APk,j的可用存储空间尺寸，K表示雾无线接入节点的最大可用存储空间尺寸；(4.3)对于邻接表集合中的第k个元素执行如下步骤：A、累计计算中的第j个元素F-APk,j与第一个元素F-APk,1的连接边对应的重复流行内容集合的交集B、若则对于集合中的第j个元素F-APk,j与第一个元素F-APk,1的边e，从集合中随机选择Kk,1个内容构成边e对应的冗余内容集合并根据冗余内容集合更新Kk,j，更新相应的Km，并将序号为m的其他雾无线接入节点F-APk',j'(k'＞k,j'∈{1,...,Jk'})的可用存储空间Kk',j'的值更新为Km，以及更新连接F-APk,j的其他边e'≠e对应的重复流行内容集合其中，j＝2,…,Jk；C、若则对于集合中的第j个元素F-APk,j与第一个元素F-APk,1的边e，从集合中随机选择个内容，再连同集合中的所有内容构成边e对应的冗余内容集合并根据冗余内容集合更新Kk,j，更新相应的Km，并将序号为m的其他雾无线接入节点F-APk',j'(k'＞k,j'∈{1,...,Jk'})的可用存储空间Kk',j'的值更新为Km，以及更新连接F-APk,j的其他边e'≠e对应的重复流行内容集合其中，j＝2,…,Jk；D、对于邻接表...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋雁翔，崔潇婷，郑福春，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32