非等局部域的可修复喷泉码设计方法技术

本发明专利技术公开一种非等局部域的可修复喷泉码设计方法，适用于分层异构D2D网络的设备缓存下载与数据修复，基于宏基站BS、微型基站MBS和移动设备构建分层异构D2D分布式存储网络模型；通过该模型，推导数据下载和数据修复的能量开销公式，并设计适用于分层异构存储网络的非等局部性可修复喷泉码及其数据修复策略；在检测到有存储节点离开本区域时，基于能量开销公式及非等局部性可修复喷泉码，对离开的存储节点内的数据进行修复并存储到本区域中新的存储节点上，从而保证其他设备的数据下载请求和系统可用性。本发明专利技术可以降低数据下载和修复的通信开销，解决现有的D2D分布式存储网络带来通信开销不均衡及能耗浪费的问题。

【技术实现步骤摘要】
非等局部域的可修复喷泉码设计方法
本专利技术涉及通信
，尤其涉及一种非等局部域的可修复喷泉码设计方法。
技术介绍
随着全球移动数据量的迅猛增长，移动通信的频谱资源以及基站的负载面临着极大的压力和挑战。终端直通技术(Device-to-devicecommunication，D2D)允许用户终端复用蜂窝系统的频谱资源，移动设备不需要经过基站的转发而直接进行相互通信，缓解了基站的负载并提高了蜂窝系统的频谱效率。与此同时，针对海量数据的可靠存储问题，利用现有移动设备强大的存储、计算以及相互通信的能力，将文件内容分散缓存到多个移动设备中，可以满足网络内节点对数据的频繁下载，实现了用户快速获取重要业务数据的目标，提升了数据传输效率。在D2D网络中，当存储数据的移动设备离开或者不可用时，需要及时对丢失的数据进行修复和更新，以保证存储系统的可用性和稳定性。因此，分布式存储系统的冗余容错技术在D2D存储网络中具有潜在的实用价值。传统冗余容错技术，例如复制策略、纠删码策略、再生码策略等，虽然在一定程度上保证了系统的可靠性，但仍然无法避免存储资源浪费、带宽开销过大和修复局部性(帮助节点数目)较大的问题。此外，异构D2D网络已成为未来5G通信网络的必然发展趋势，由于实际应用中不同区域的微型基站或者移动设备的传输能力迥异，将给D2D分布式存储网络带来通信开销不均衡以及能源浪费等问题，亟待解决。
技术实现思路
本专利技术针对上述D2D分布式存储网络中数据容错技术的应用问题以及未来基站小型化的特点，提供一种非等局部域的可修复喷泉码设计方法，以降低数据下载和修复的通信开销，解决现有的D2D分布式存储网络带来通信开销不均衡以及能耗浪费的问题。为实现上述目的，本专利技术提供的一种非等局部域的可修复喷泉码设计方法，适用于分层异构D2D网络的设备缓存下载和数据修复，所述方法包括以下步骤：基于宏基站BS、微型基站MBS和移动设备构建分层异构D2D分布式存储网络模型；通过所述分层异构D2D分布式存储网络模型，推导在有一定的修复间隔的情况的数据下载和修复的能量开销公式，并设计适用于分层异构分布式系统存储网络的非等局部性可修复喷泉码及其修复策略；在检测到D2D分布式系统覆盖区域中有存储节点离开本区域时，基于推导的所述数据下载和修复的能量开销公式，以及设计的所述非等局部性可修复喷泉码及其修复策略，对离开的存储节点内的数据进行修复并存储到本区域中新的存储节点上，以保证其他设备的数据下载请求和系统可用性。其中，所述方法还包括：在D2D分布式系统覆盖区域中，在不同区域使用不同参数的非等局部性可修复喷泉码进行数据编码处理。其中，所述在D2D分布式系统覆盖区域中，在不同区域使用不同参数的非等局部性可修复喷泉码进行数据编码处理的步骤包括：将k个输入符号以一定的比例分成数目为kr和kg的两组，u1到表示第一组输入符号，u′1到表示第二组输入符号；对两组输入符号分别使用参数为(nr，kr，d(kr))和(ng，kg，d(kg))的可修复喷泉码进行编码，并将生成的编码符号分别存储到第一区域内的节点和第二区域内的节点，其中，编码符号个数n，输入符号个数k，修复连接节点个数d(k)；由u1到生成第一组的nr个编码符号，包含系统符号v1到以及度为d(kr)的校验符号；第二组编码符号的生成和第一组类似，由u′1到生成的ng个编码符号，包含系统符号v′1到以及度数为d(kg)的校验符号；假设第一区域中的节点数目小于nr的概率、第二区域中节点数目小于ng的概率都忽略不计，在编码时不用生成全局校验符号，URL-RFC的编码生成矩阵G[Ik|Pr|Pg]由三部分组成，其中，Ik为两组系统符号对应的单位矩阵、Pr对应第一组校验符号以及Pg对应第二组校验符号，编码过程用公式表示为：v＝uG[Ik|Pr|Pg]式中v表示编码符号向量，u表示输入符号向量。考虑均匀分配，每个存储节点需要存储比特数据，任意编码符号vj表示为：vj＝uG(j)＝∑ωijui其中，G(j)表示生成矩阵G[Ik|Pr|Pg]的第j列。其中，所述基于宏基站BS、微型基站MBS和移动设备构建分层异构D2D分布式存储网络模型的步骤包括：构建分层异构D2D分布式系统，该系统包含一个可覆盖整个系统区域的宏基站，并包容移动设备、服务需求的多样性，将系统覆盖区域划分成M个相同大小的子区域，采用M个微型基站，相邻两个子区域利用一个微型基站进行覆盖，形成分层的网络结构，该网络结构包括：D2D链路、BS链路和MBS链路；其中，每个子区域中的N个移动设备作为存储节点可自由的进出系统，且移动设备的进出均服从泊松过程；同一子区域内的移动设备使用D2D链路进行通信。其中，所述对离开的存储节点进行数据修复的修复过程包括：D2D链路修复和BS链路修复。其中，所述在检测到D2D分布式系统覆盖区域中有存储节点离开本区域时，基于推导的修复开销的性能公式，以及设计的所述非等局部性喷泉码及其修复策略，对离开的存储节点进行数据修复的步骤包括：在检测到D2D分布式系统覆盖区域中有存储节点离开本区域时，在修复时刻，判断离开的存储节点所在区域中存储节点数是否达到预设阈值；若是，则通过D2D链路进行数据修复，否则通过BS链路进行修复。其中，响应其他存储节点的数据下载请求进行数据下载的步骤包括：在检测到D2D分布式系统覆盖区域中有存储节点请求下载文件时，判断当前请求下载文件的存储节点所在区域中存储节点数是否达到预设阈值；若是，则采用D2D链路与微型基站联合下载；否则，采用宏基站与微型基站联合下载。本专利技术的有益效果为：本专利技术针对上述D2D分布式存储网络中数据容错技术的应用问题以及未来基站小型化的特点，以降低数据下载和修复的通信开销为目标，将可修复喷泉码(RepairableFountainCodes，RFC)技术引入D2D分布式存储网络，并提出了具有非等局部性的可修复喷泉码(UnequalRepairlocalityBasedonRFC，URL-RFC)。具体提出了由宏基站、微型基站(MBS)和移动设备构成的分层异构D2D存储网络模型，通过对该模型工作过程的假设与分析，推导了在有一定的修复间隔的情况的数据下载和修复的能量开销公式，并设计了分层异构网络模型下的非等局部性喷泉码及其修复策略。本专利技术可以降低数据下载和修复的通信能量开销，解决现有的D2D分布式存储网络带来通信开销不均衡以及能耗浪费的问题。通过比较URL-RFC方案与其他编码方案的通信开销，仿真结果表明，URL-RFC方案在具有移动设备异构性、MBS异构性的系统模型中，其通信开销始终优于MDS码，大部分情况优于三倍复制方案以及接近瞬时修复的情况下优于传统的可修复喷泉码方案。附图说明图1是本专利技术非等局部域的可修复喷泉码设计方法的流程示意图；图2是本专利技术三层异构D2D分布式存储系统模型示意图；图3是本专利技术三层异构网络中的URL-RFC编码方案示意图；图4是本专利技术改变节点离开速率，通信开销的对比示意图；图5是本专利技术改变节点文件请求速率时，通信开销的变化示意图；图6是本专利技术仿真分析中各个区域节点速率不同，通信开销的对比示意图；图7是本专利技术仿真分析中各个区域移动设备能量开销不同，通信开销的对比示意图；图8是本专利技术小基站本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非等局部域的可修复喷泉码设计方法，其特征在于，适用于分层异构D2D网络的设备缓存下载和数据修复，所述方法包括以下步骤：基于宏基站BS、微型基站MBS和移动设备构建分层异构D2D分布式存储网络模型；通过所述分层异构D2D分布式存储网络模型，推导在有一定的修复间隔的情况的数据下载和修复的能量开销公式，并设计适用于分层异构分布式系统存储网络的非等局部性可修复喷泉码及其修复策略；在检测到D2D分布式系统覆盖区域中有存储节点离开本区域时，基于推导的所述数据下载和修复的能量开销公式，以及设计的所述非等局部性可修复喷泉码及其修复策略，对离开的存储节点内的数据进行修复并存储到本区域中新的存储节点上，以保证其他设备的数据下载请求和系统可用性。

【技术特征摘要】
1.一种非等局部域的可修复喷泉码设计方法，其特征在于，适用于分层异构D2D网络的设备缓存下载和数据修复，所述方法包括以下步骤：基于宏基站BS、微型基站MBS和移动设备构建分层异构D2D分布式存储网络模型；通过所述分层异构D2D分布式存储网络模型，推导在有一定的修复间隔的情况的数据下载和修复的能量开销公式，并设计适用于分层异构分布式系统存储网络的非等局部性可修复喷泉码及其修复策略；在检测到D2D分布式系统覆盖区域中有存储节点离开本区域时，基于推导的所述数据下载和修复的能量开销公式，以及设计的所述非等局部性可修复喷泉码及其修复策略，对离开的存储节点内的数据进行修复并存储到本区域中新的存储节点上，以保证其他设备的数据下载请求和系统可用性。2.根据权利要求1所述的非等局部域的可修复喷泉码设计方法，其特征在于，所述方法还包括：在D2D分布式系统覆盖区域中，在不同区域使用不同参数的非等局部性可修复喷泉码进行数据编码处理。3.根据权利要求2所述的非等局部域的可修复喷泉码设计方法，其特征在于，所述在D2D分布式系统覆盖区域中，在不同区域使用不同参数的非等局部性可修复喷泉码进行数据编码处理的步骤包括：将k个输入符号以一定的比例分成数目为kr和kg的两组，u1到表示第一组输入符号，u′1到表示第二组输入符号；对两组输入符号分别使用参数为(nr，kr，d(kr))和(ng，kg，d(kg))的可修复喷泉码进行编码，并将生成的编码符号分别存储到第一区域内的节点和第二区域内的节点，其中，编码符号个数n，输入符号个数k，修复连接节点个数d(k)；由u1到生成第一组的nr个编码符号，包含系统符号v1到以及度为d(kr)的校验符号；第二组编码符号的生成和第一组类似，由u′1到生成的ng个编码符号，包含系统符号v′1到以及度数为d(kg)的校验符号；假设第一区域中的节点数目小于nr的概率、第二区域中节点数目小于ng的概率都忽略不计，在编码时不用生成全局校验符号，URL-RFC的编码生成矩阵G[Ik|Pr|Pg]由三部分组成，其中，Ik为两组系统符号对应的单位矩阵、Pr对应第一组...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾术实，李柯，王野，王念念，李月，张钦宇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：广东,44