一种基于簇内智能共享的边缘主动缓存方法技术

本发明专利技术公开了一种基于簇内智能共享的边缘主动缓存方法，根据资源互补规则将可以有效通信的边缘节点组建成簇，利用簇内资源共享的技术手段，从而提高资源利用率，降低用户请求时延，改善用户体验质量。在一个由移动客户端、移动通信蜂窝网以及内容供应网共同组成的系统中实现；在蜂窝网控制下，移动客户端发出内容请求，当该请求内容缓存在所述移动客户端的关联节点中时，可以直接从关联节点中下载该内容的数据包；与已有的一对多的基站

【技术实现步骤摘要】
一种基于簇内智能共享的边缘主动缓存方法


[0001]本专利技术涉及无线通信
，特别是涉及一种基于簇内智能共享的边缘主动缓存方案。

技术介绍

[0002]移动通信技术的发展和移动智能终端设备的普及，极大的推动了社会的发展，同时对人们的生活方法产生了深刻的影响。用户需求的增多带动了新型无线通信业务的发展，但同时也导致了移动通信流量的爆炸式增长，给现有的内容交付网络带来了巨大的挑战。为了满足不断增长的移动数据流量的需求，传统的解决方案是提升网络带宽、提高频谱效率或者增大基站部署密度，但这些方法提供的网络吞吐量依然有限，而且实现成本较高。边缘主动缓存应运而生。
[0003]边缘主动缓存可以利用网络边缘节点的各种端设备，包括基站、移动终端等进行内容的缓存。边缘主动缓存之所以能够引起学术界的广泛关注，一方面是由于近年来缓存服务器价格的不断降低，缓存能力不断提升，另一方面是由于移动边缘计算技术的飞速发展，使得云计算和存储能力扩大到无线网络的边缘，能够有效地降低服务延时，减少基站的峰值速率，缓解基站的卸载延迟问题。
[0004]针对无线通信网络中的缓存问题，可以利用5G网络的预测技术和边缘设备的主动缓存能力。在网络节点处部署缓存服务器，根据用户的历史请求进行内容的流行度预测，将预测排名较高的内容缓存在服务器中，并周期性更新缓存，能够提高用户请求命中率，降低用户获取内容的时延，从而提高用户体验质量。
[0005]因此，如何综合利用以上技术手段，提供一种能够提高缓存命中率、缓解互联网带宽和负载压力的主动缓存方案是当前通信面临的重要问题。为了了解现有缓存方案的研究状况，对相关论文和专利进行了检索、对比和分析，筛选出与本专利技术相关度较高的技术信息如下。
[0006]已有技术方案1：发表于IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS,，编号为VOL.19,NO.1的《Trace
‑
Driven QoE
‑
Aware Proactive Caching for Mobile Video Streaming in Metropolis》论文，属于通信
，提出一种追踪驱动的主动缓存策略，根据用户偏好对内容进行智能缓存，提高系统端频谱效率和用户端的体验质量。基站和用户以通信距离最短为标准建立一对多的关联，即当用户发送内容请求时，系统自动将该用户与附件的某基站建立关联，该基站根据请求内容将数据包返回给用户，并利用服务用户的历史请求进行流行度预测，将预测内容周期性更新至内容服务器。然而，一对多的服务体系忽略了边缘节点之间的资源共享，不仅造成了缓存资源的浪费，并且由于单一基站的缓存空间有限，导致用户请求命中率不高，用户体验质量效果提升不显著。
[0007]已有技术方案2：专利号为CN110784881A的《一种物联终端多级边缘节点主动缓存方法、设备及介质》专利，属于物联网领域，尤其涉及一种多级边缘节点主动缓存方法。利用一阶马尔可夫模型预测节点的移动概率，计算移动概率的熵值来衡量移动性预测的不确定
性，从而判断内容在网络中预取和缓存的位置，并根据判断的节点下一跳位置，提前缓存内容至节点。该方案是建立在未来网络构架——信息中心网络(ICN)上的，ICN中缓存节点不固定，缓存的拓扑结构具有任意性，因此缓存系统呈现出更高的动态性，在增加缓存结构全面性的同时，也降低了系统的可拓展性，增加了方案实施的复杂度和系统协调调度的难度。
[0008]在已知边缘节点的缓存能力和预测算法的情况下，设计出一种能够提升缓存命中率、降低网络延时、提高缓存资源利用率、提高用户体验质量的缓存方案至关重要。因此，建立缓存资源共享的边缘节点簇，探索一种簇内智能共享的边缘主动缓存方案，是提高缓存资源利用率、提升用户请求命中率的一种可行的技术途径。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是提出一种适用于边缘节点移动的通信场景的簇内智能共享的边缘主动缓存方案，根据资源互补规则将可以有效通信的边缘节点组建成簇，利用簇内资源共享的技术手段，从而提高资源利用率，降低用户请求时延，改善用户体验质量。
[0010]本专利技术的特点在于，是在一个由移动客户端、移动通信蜂窝网以及内容供应网共同组成的系统中依次按照以下步骤实现的：
[0011]步骤(1)，系统构建：
[0012]移动通信蜂窝网，简称蜂窝网，设立在支持节点协作缓存服务的通信模型中，内部设置有：基站和缓存服务器，其中：
[0013]基站又称节点，有多个，根据在网络中的地位和功能性差异，又可以划分为中心节点和边缘节点两种，每个边缘节点都设有为移动客户端提供内容服务的传输信道以及节点间共享缓存内容的协作链路，由所述蜂窝网为各节点统一配置，边缘缓存节点的数量为N，N＝1，2，3，...，N，每个边缘节点的存储容量为S，每个边缘节点都对应一个向量表示Bif＝{b
i1
，b
i2
，
…
，b
iF
}。其中，b
ij
∈{0，1}，i＝1，2，...，N，j＝1，2，...，F，b
ij
＝1表示边缘节点i中缓存文件f
j
；b
ij
＝0表示没有缓存该内容。每个缓存节点存储的内容总大小不能超过存储容量S，即本专利技术中所述的中心节点与星型拓扑结构中的中央节点不尽相同，主要体现在：中心节点不需要控制边缘节点和移动客户端之间的通信链路，主要负责根据边缘节点的资源利用率、请求相似度、通信距离三个特点，决定是否建立边缘节点之间的协作链路，将若干个满足条件的边缘节点组建节点簇，节点簇随链路拥塞程度、下载码率变化动态形成和消失；
[0014]缓存服务器，受控于其所属节点的主控制器，存储有：本地用户上一个周期的历史请求数据的流行度预测内容，以便在本周期内供移动客户端下载使用；还存储有：与所述节点共同组成节点簇的其他节点的名称和网址。所述节点簇是指根据边缘节点的资源利用率、请求相似度、通信距离三个特点与所述节点建立协作缓存关系的那些节点，彼此之间建立协作链路，可以实现内容共享；
[0015]内容供应网中设有一个内容服务器，以中心辐射的形式控制所有的内容提供商，并通过中心节点分别与蜂窝网中各边缘节点通信，存储有系统中移动客户端所需的所有内容，共有F个文件，文件目录为C＝{f1，f2，...，fF}，每个内容大小相同，均为d；
[0016]移动客户端，在移动中实现请求的快速响应，系统中有K个移动客户端，K＝1，
2，...，K；
[0017]步骤(2)系统初始化：步骤(2.1)，在蜂窝网控制下，各边缘节点一致服从以下要求：
[0018]各边缘节点周期性地对其关联用户的请求数据集进行分析和处理，数据集中主要包括内容类别、内容名称、播放量、评论零、用户IP、服务节点IP，所述内容类别分为政治、娱乐、文艺、体育、军事、搞笑、时尚、科技、运动等大类，利用这些数据进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于簇内智能共享的边缘主动缓存方法，其特征在于：该方法在一个由移动客户端、移动通信蜂窝网以及内容供应网共同组成的系统中依次按照以下步骤实现的：步骤1，系统构建：移动通信蜂窝网，简称蜂窝网，设立在支持节点协作缓存服务的通信模型中，内部设置有：基站和缓存服务器，其中：基站又称节点有多个，根据在网络中的地位和功能性差异，划分为中心节点和边缘节点两种，每个边缘节点都设有为移动客户端提供内容服务的传输信道以及节点间共享缓存内容的协作链路，由所述蜂窝网为各节点统一配置，边缘缓存节点的数量为N，N＝1，2，3，
…
，N，每个边缘节点的存储容量为S，每个边缘节点都对应一个向量表示Bif＝{b
i1
，b
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，
…
,b
iF
}。其中，b
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∈{0，1}，i＝1，2，
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，N，j＝1，2，
…
，F，b
ij
＝1表示边缘节点i中缓存文件f
j
；b
ij
＝0表示没有缓存该内容。每个缓存节点存储的内容总大小不能超过存储容量S，即所述的中心节点与星型拓扑结构中的中央节点不尽相同，体现在：中心节点不需要控制边缘节点和移动客户端之间的通信链路，根据边缘节点的资源利用率、请求相似度、通信距离三个特点，决定是否建立边缘节点之间的协作链路，将若干个满足条件的边缘节点组建节点簇，节点簇随链路拥塞程度、下载码率变化动态形成和消失；缓存服务器，受控于其所属节点的主控制器，存储有：本地用户上一个周期的历史请求数据的流行度预测内容，以便在本周期内供移动客户端下载使用；还存储有：与所述节点共同组成节点簇的其他节点的名称和网址。所述节点簇是指根据边缘节点的资源利用率、请求相似度、通信距离三个特点与所述节点建立协作缓存关系的那些节点，彼此之间建立协作链路实现内容共享；内容供应网中设有一个内容服务器，以中心辐射的形式控制所有的内容提供商，并通过中心节点分别与蜂窝网中各边缘节点通信，存储有系统中移动客户端所需的所有内容，共有F个文件，文件目录为C＝{f1，f2，
…
，fF}，每个内容大小相同，均为d；移动客户端，在移动中实现请求的快速响应，系统中有K个移动客户端，K＝1，2，
…
，K；步骤2系统初始化：步骤2.1，在蜂窝网控制下，各边缘节点一致服从以下要求：各边缘节点周期性地对其关联用户的请求数据集进行分析和处理，数据集中主要包括内容类别、内容名称、播放量、评论零、用户IP、服务节点IP，所述内容类别分为政治、娱乐、文艺、体育、军事、搞笑、时尚、科技、运动等大类，利用这些数据进行内容流行度预测，并根据预测结果对缓存内容进行周期性更新，从而使得每个节点中存储有下一个周期最容易被用户请求的内容；其中，每个移动客户端由距离最近的边缘节点所...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖蔼玲，吴胜，赵迎雪，王兴辰，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：