一种多中继无线网络编码缓存与信道编码联合优化方法技术

本发明专利技术涉及一种多中继无线网络编码缓存与信道编码联合优化方法，包括以下步骤：步骤一、用户缓存文件数据：采用去中心化编码缓存，用户独立随机缓存文件的一部分数据，以改进的分组缓存方法，存储在用户终端，不缓存剩余部分文件，来获得传输阶段编码多播增益；步骤二、用户向中继服务器发送请求索引数据：用户将索引数据，经编码、调制等处理后，得到发送信号，经天线发送到中继服务器；然后，同一簇中的中继服务器协同检测接收信号，经解调、译码处理后，得到用户文件请求的索引，协作传输给用户；该发明专利技术方法将编码缓存用于多中继干扰应用，提高了信道吞吐量和传输效率，减少了链路负载，保证了系统误码率，可有效提高传输有效性和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种多中继无线网络编码缓存与信道编码联合优化方法
本专利技术属于数字通信
，具体涉及一种多中继无线网络下编码缓存与信道编码的联合优化方法。
技术介绍
近年来随着数据流量的迅速增长，给链路带来沉重压力，自2014年提出编码缓存技术后，编码缓存可获得全局缓存增益受到业界广泛关注。编码缓存分为放置阶段和交付阶段。在放置阶段，通常发生在链路空闲时间段(如凌晨)，每个用户将文件的一部分内容存储在自己的缓存空间中。在交付阶段，通常发生在链路繁忙阶段，每个用户独立随机访问一个文件，服务器接收到请求后根据用户缓存的内容发送编码多播文件，用户根据接收到的文件和自己缓存的内容得到请求的文件。通过联合设计放置阶段和交付阶段，使得在用户缓存空间有限的情况下最小化链路负载。与传统的缓存方式相比，编码缓存技术不仅可以获得本地缓存增益，而且可以获得全局缓存增益。当用户数量、缓存空间不确定时，服务器将不能对所有用户缓存进行整体规划，因此2015年Maddah-Ali等人提出去中心化编码缓存，可由用户独立文件内容放置；当文件流行度分布非均匀时，2017年Niesen等人提出基于分组的编码缓存，对文件整体进行分组，对各组分别处理。通过将编码缓存技术与多中继服务器结合，可大大降低源服务器的链路负载，将要传输的数据进行信道编码，可提高传输过程中的抗干扰能力，提高通信传输的有效性和可靠性。本专利技术方法涉及的一些
技术介绍
如下：1、基于分组的编码缓存编码缓存分为放置阶段和交付阶段。当内容流行度分布不均匀时，设所有文件流行度指数服从Zipf分布，文件k的流行度指数为pk，有在放置阶段之前，首先对所有文件进行分组，将文件流行度指数相近的文件划分到同一组中，每一组文件流行度分布指数最高和最低相差不超过2倍。在放置阶段，将每一组中的文件缓存在用户终端的存储设备中。对每组文件划分相同的缓存空间，即Ml＝M/L，Nl＝组中每个文件平均缓存大小为M/(NlL)。每个用户独立对每组中的文件随机存储。在交付阶段，同一组中的文件忽略流行度分布差异，按照去中心化编码缓存满足每一组中的缓存请求。链路负载为所有组链路负载之和。相比于HPF策略，基于分组的编码缓存可大大降低交付阶段的链路负载。具体见“NiesenU,Maddah-AliMA.CodedCachingWithNonuniformDemands[J].IEEETransactionsonInformationTheory,2017,63(2):1146-1158.”。2、去中心化编码缓存在放置阶段，每个用户对不同组中随机缓存相应文件库中每个文件的MlF/Nl比特，不同用户之间互不影响。在交付阶段，每个用户请求一个文件，服务器接收到请求后每次传输满足同一组中用户的请求，利用去中心化编码缓存，通过L次传输对所有用户请求的内容进行交付。具体见“Maddah-AliMA,NiesenU.DecentralizedCodedCachingAttainsOrder-OptimalMemory-RateTradeoff[J].IEEE/ACMTransactionsonNetworking,2015,23(4):1029-1040.”。3、信道编码、译码信道编码，也叫差错控制编码，就是在发送端对原数据添加冗余信息来提高传输过程中的抗干扰能力，有LDPC码，Polar码，Turbo码等。低密度校验码(LDPC码)是一种前向纠错码，早在20世纪60年代由Gallager在他的博士论文中提出。LDPC码，校验矩阵中的1要远小于0的数目，使得译码复杂度低，结构非常灵活。LDPC码的编码方式有基于校验矩阵H直接编码方案和基于生成矩阵G的编码方案。LDPC码的译码有比特翻转算法(BF)和置信传播算法(BP)。具体详见“GCancellieri.Low-densityparity-checkcodes[D].1963”。4、调制、解调调制是将数字基带信号控制载波的参数变化，将调制信号转换成适于信道传输的数字调制信号。解调是调制的反过程，根据已调波信号的参量编码恢复出原始信号。调制通常有调幅(AM)，调频(FM)和调相(PM)。解调通常有正弦波幅度解调、正弦波角度解调和共振解调。四相相移调制(QPSK)利用四种不同相位来表示输入数字信息。载波频率为fc，幅度为A时，当输入数字信息为‘11’时，已调载波为当输入数字信息为‘01’时，已调载波为当输入数字信息为‘00’时，已调载波为当输入数字信息为‘10’时，已调载波为QPSK的解调方式如下。接收机收到信号yi(t)将yi(t)用两个正交的载波信号实现相干解调，在两正交电路分别设立匹配滤波器，经电平判决和并/串变换后即可得到原始信息。详见“樊昌信，曹丽娜.通信原理(第7版)[M].国防工业出版社，2018”。基于分组的编码缓存对不同组进行缓存空间的划分时，前人采用的方法是对不同组划分相同的缓存空间，对流行度指数较低的文件和流行度指数较高的文件划分相同空间，流行度指数较低的文件划分较多的缓存空间将会导致浪费，导致链路负载提高。针对以上问题，故，有必要对其进行改进。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种多中继无线网络下编码缓存与信道编码的联合优化方法。本专利技术所采用的技术方案是：针对在非均匀流行度分布下均分缓存空间的编码缓存存在的缺点，本专利技术对不同组的缓存空间进行了重新分配。以文件流行度分布曲线中不同组积分的比值来缓存空间的划分，克服了对所有文件组划分相同缓存空间而忽略文件流行度分布和各组中文件数量的缺陷。将该方法应用到多中继干扰系统中，在发送前对文件进行信道编码，提高了传输过程中的可靠性和抗干扰能力。具体的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种多中继无线网络下编码缓存与信道编码的联合优化方法，具体经以下步骤实现：(1)用户缓存文件数据，按以下子步骤完成：步骤1.1，设系统存在一个服务器，采用无差错共享链路和K个用户连接。总共有N个文件，其中N为整数，用户的请求文件索引范围为1,2,...,N，每个文件F比特。设每个用户有MF比特的缓存空间，即每个用户可缓存M个文件。对所有文件分配访问指数p，0≤p≤1，表示为被访问的概率大小，即流行度指数，所有文件的流行度指数为{pn}n∈N，p1≥p2≥...≥pN＞0。所有文件的流行度指数分布服从Zipf分布，即有：s为Zipf分布参数，通常1/2≤s≤2，表示流行度指数的集中程度。步骤1.2，将流行度分布不同的文件，划分为不同组，将具有近似流行度文件(流行度相差不大的文件)划分为同一组中。将N个文件划分为L个组，N1,N2,...,NL，Nl表示Vl组中的文件数量，满足：根据步骤1.1得到的文件流行度指数分布{pn}n∈N，组V1中的文件为{1,2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多中继无线网络编码缓存与信道编码联合优化方法，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤1.1，将文件库中所有文件作为输入参数，执行用户缓存文件数据方法，每个用户得到缓存的部分文件；/n步骤1.2，用户向中继服务器发送请求文件的索引数据，即用户将该请求文件索引数据，经背景技术所述的编码、调制等处理后，经发射天线发到中继服务器；/n步骤1.3，中继服务器处理步骤1.2得到数据，按以下子步骤完成：/n步骤1.3.1，按中继服务器缓存的内容，将中继服务器划分为若干簇；相同簇中的中继服务器缓存相同的文件数据，同一簇中的中继服务器协同处理数据；/n步骤1.3.2，同一簇中的中继服务器协同检测已编码、调制的请求文件索引数据，经背景技术所述的译码、解调等处理后，得到用户请求文件的索引数据；/n步骤1.4，中继服务器或源服务器处理用户请求，按以下子步骤完成：/n步骤1.4.1，将步骤1.3得到的请求文件索引数据，不同簇中的中继服务器将其按请求概率分到不同文件组中；/n步骤1.4.2，在簇中任一中继服务器中检索该请求文件，若所有请求文件存在于本簇中，则同一簇中的中继服务器协作传输所有文件请求，依次对不同组中的请求文件执行背景技术所述的去中心化编码缓存，再将其经编码、调制等处理后发送给用户；否则，执行步骤1.4.3；/n步骤1.4.3，若步骤1.4.2中的中继服务器没有检索到所有用户的文件请求，则在源节点中执行1.4.1和1.4.2的操作，将用户请求的文件数据，经背景技术所述的编码、调制等处理后发给用户；/n步骤1.5，用户接处理步骤1.4发送的已编码、调制的文件数据，按以下子步骤完成：/n步骤1.5.1：用户接收到文件数据后，经背景技术所述的译码、解调等处理得到文件数据；/n步骤1.5.2：用户将该文件数据与自身缓存的子文件，经异或处理，得到请求文件的所有子文件，将其组合得到请求文件。/n...

【技术特征摘要】
1.一种多中继无线网络编码缓存与信道编码联合优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1.1，将文件库中所有文件作为输入参数，执行用户缓存文件数据方法，每个用户得到缓存的部分文件；
步骤1.2，用户向中继服务器发送请求文件的索引数据，即用户将该请求文件索引数据，经背景技术所述的编码、调制等处理后，经发射天线发到中继服务器；
步骤1.3，中继服务器处理步骤1.2得到数据，按以下子步骤完成：
步骤1.3.1，按中继服务器缓存的内容，将中继服务器划分为若干簇；相同簇中的中继服务器缓存相同的文件数据，同一簇中的中继服务器协同处理数据；
步骤1.3.2，同一簇中的中继服务器协同检测已编码、调制的请求文件索引数据，经背景技术所述的译码、解调等处理后，得到用户请求文件的索引数据；
步骤1.4，中继服务器或源服务器处理用户请求，按以下子步骤完成：
步骤1.4.1，将步骤1.3得到的请求文件索引数据，不同簇中的中继服务器将其按请求概率分到不同文件组中；
步骤1.4.2，在簇中任一中继服务器中检索该请求文件，若所有请求文件存在于本簇中，则同一簇中的中继服务器协作传输所有文件请求，依次对不同组中的请求文件执行背景技术所述的去中心化编码缓存，再将其经编码、调制等处理后发送给用户；否则，执行步骤1.4.3；
步骤1.4.3，若步骤1.4.2中的中继服务器没有检索到所有用户的文件请求，则在源节点中执行1.4.1和1.4.2的操作，将用户请求的文件数据，经背景技术所述的编码、调制等处理后发给用户；
步骤1.5，用户接处理步骤1.4发送的已编码、调制的文件数据，按以下子步骤完成：
步骤1.5.1：用户接收到文件数据后，经背景技术所述的译码、解调等处理得到文件数据；
步骤1.5.2：用户将该文件数据与自身缓存的子文件，经异或处理，得到请求文件的所有子文件，将其组合得到请求文件。


2.根据权利要求1所述的一种多中继无线网络编码缓存与信道编码联合优化方法，其特征在于：所述步骤1.1中，用户缓存文件数据方法，采用以下步骤完成：
步骤2.1，系统包括1个服务器，且与K个用户有连接关系；其中，K为自然数；另外，存在N个文件，且N为正整数；用户请求文件的索引范围为1,2,...,N，每个文件F比特，且F为整数；如每个用户有MF比特的缓存空间，其中，M为自然数，每个用户可缓存M个文件；
定义：流行度指数为对所有文件分配访问指数p，且p为实数，范围为：0≤p≤1，表示为被访问的概率；
第i个文件的流行度指数为：pi，则所有文件的流行度指数{pn}n∈N，且满足关系式：p1≥p2≥...≥pN＞0；其服从背景技术所述的Zipf分布，即有：



其中，s为Zipf分布参数，通常1/2≤s≤2，表示流行度指数的集中程度；
步骤2.2，将流行度分布不同的文件，划分为不同组；即将N个文件划分为L个组，V1,V2,...,VL，Vk表示第k组，Nl表示Vl组中的文件数量，满足：



根据步骤2.1得到的{pn}n∈N，组V1中的文件为{1,2,...,N1}，且其满足pN≥p1/2.5及pN+1＜p1/2.5；在同组中，文件流行度指数最高和最低通常相差不超过2.5倍；设n为组Vl中最小序号，则需满足：



因同组中文件的流行度相差t倍范围之内，且t为实数，取值范围为：2≤t≤3等，故总组数L范围，表示为：

...

【专利技术属性】
技术研发人员：包建荣，王璞，刘超，姜斌，吴俊，唐向宏，邱雨，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33