一种分层网络体系结构中的协作缓存方法技术

本发明专利技术公开了一种分层网络体系结构中的协作缓存方法，包括：构建核心服务器、宏基站以及各车辆之间的网络边缘缓存模型；将边缘层中的节点按区域划分为多个集群，每个集群节点数不超过阈值β；将一组流行文件集通过拉链分布建模，寻找不同的用户对不同车辆节点中最流行的文件；通过使用编码缓存，把内容分割为分离的编码包，构建内容放置矩阵m；以最小化总能耗为优化目标，进一步优化内容放置矩阵m的具体值，制定内容放置策略。本发明专利技术旨在最小化能耗的情况下，选择内容缓存节点，并对内容进行协作放置，具有更高的内容传递效率。具有更高的内容传递效率。具有更高的内容传递效率。

【技术实现步骤摘要】
一种分层网络体系结构中的协作缓存方法


[0001]本专利技术涉及车辆交通
，具体而言涉及一种车联网环境下分层网络体系结构中的协作缓存方法。

技术介绍

[0002]智能交通系统在当今社会发挥着至关重要的作用，大多数自动驾驶汽车用户的兴趣更加关注娱乐服务。用户在互联网上的请求出现了前所未有的增长，通常包括在不同的平台上观看和分享视频、音频和图像。为了获得更好的服务质量，无缝的内容交付显得至关重要。然而，在高度动态的环境下，很难实现长期的车对车(V2V)和车对基础设施(V2I)的连接。此外，路侧单元(RSU)和基站(BS)等基础设施组件的短传输范围将为V2I通信提供低效的解决方案。由于范围有限和高移动性，频繁的连接丢失和连接重建将带来大量的网络流量开销和内容检索延迟。
[0003]在物联网中，设备将连接到网络，并将收集到的数据共享到云服务器。在云服务器上进行数据分析和处理后，用户经常会请求有用的信息。不同的用户可以在同一时间段内请求相同的内容，从而导致相同的数据内容的重复传输。这促使运营商重新考虑他们当前的网络架构，并寻求更先进的技术，以低延迟和节能的方式使内容更接近最终用户。移动边缘计算/缓存在宏基站(MBS)覆盖范围内的设备，通过分层异构网络架构，使内容缓存降低能耗。
[0004]然而，由于边缘设备内存有限，以及车辆的高移动速度，在异构车辆网络中多层边缘缓存服务器(例如MBS和RSU)的交错覆盖范围内，不同服务器之间的跨层协作可以提供无缝连接，以方便内容下载。
[0005]专利号为CN112839082A的专利技术中提及一种异构边缘缓存分配方法、系统、介质及应用，在考虑内容缓存分配的同时也将功率分配问题考虑在内，为不同的内容分配不同的传输功率，以达到用户体验的最优化。但该专利不涉及编码缓存的问题。
[0006]专利号为CN113543071A的专利技术中提及一种车联网环境下异构节点协作边缘缓存方法，旨在最小化车辆获取总内容所需延迟、成本以及高命中率的情况下，对内容进行协作放置。但该专利技术采用的是喷泉码。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种车联网环境下分层网络体系结构中的协作缓存方法，旨在最小化能耗的情况下，选择内容缓存节点，并对内容进行协作放置，具有更高的内容传递效率。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]本专利技术实施例提出了一种分层网络体系结构中的协作缓存方法，所述协作缓存方法包括以下步骤：
[0010]S1，构建核心服务器、宏基站以及各车辆之间的网络边缘缓存模型，该网络边缘缓
存模型设置在一个宏基站覆盖范围内，包含核心层和边缘层的两层典型的分层网络体系结构；其中，将该宏基站和其所包含的每个车辆均视为其中一个缓存节点，边缘层中的节点协作执行内容缓存；包括宏基站在内的核心层支持大带宽和快速的数据包传输的同时，缓存边缘层未缓存部分；
[0011]S2，将边缘层中的节点按区域划分为多个集群，每个集群节点数不超过阈值β；属于一个特定集群的所有节点通过将缓存信息更新到其集群头来协同执行缓存，节点阈值β与集群节点内的通信开销相关；
[0012]S3，将一组流行文件集通过拉链分布建模，寻找不同的用户对不同车辆节点中最流行的文件；
[0013]S4，通过使用编码缓存，把内容分割为分离的编码包，将第n个文件划分成l
n
个文件段，且每个文件大小相等；同时将流行文件集中的文件按照受欢迎程度由高到低的顺序依次进行缓存，构建内容放置矩阵m；当用户u1请求第n个文件时，其中m
kn
个文件段从本地关联的簇中第k个车辆节点获得，剩余的l
n
‑
m
kn
个文件段将通过宏基站的编码多播传输获得；
[0014]S5，以最小化总能耗为优化目标，进一步优化内容放置矩阵m的具体值，制定内容放置策略。
[0015]进一步地，步骤S1中，边缘层中的节点协作执行内容缓存是指，只允许选定的车辆缓存其他车辆缓存事件的信息。
[0016]进一步地，步骤S2中，将边缘层中的节点按区域划分为多个集群的过程包括以下步骤：
[0017]将整个边缘网络进行划分，同一片区域里的车辆节点分为一组，且每个集群节点数不超过阈值β，每组对应一个边缘簇，每个簇进一步分为各种节点类型：集群头节点、网关节点和集群成员；属于一个特定集群的所有节点通过将缓存信息更新到其集群头节点来协同执行缓存，集群成员之间不存在直接通信。
[0018]进一步地，集群头节点的选择过程包括以下步骤：
[0019]采用下述公式计算集群内每个节点的优先级评估值：
[0020][0021]式中，w是不同参数对应的权重因子，w1+w2+w3+w4+w5＝1；d
k
是节点k范围内的节点数，是所有网络节点的节点度的平均逆；T
k
是节点k与其范围内的节点的传输时间，是所有网络节点的平均传输时间，H
k
是节点k与其范围内所有节点距离的加权和，是所有系统宽跳的平均加权和，p
k
是节点k的传输功率，是所有网络节点的平均功率利用率，c
k
是节点k的高速缓存利用率，是所有网络节点的平均缓存空间利用率。
[0022]进一步地，步骤S3中，将一组流行文件集通过拉链分布建模，寻找不同的用户对不同车辆节点中最流行的文件的过程包括以下步骤：
[0023]S31，根据下述公式计算一个用户请求第k个节点中的第n个文件的概率：
[0024][0025]式中，q
kn
表示第k个SBS的用户请求第n个文件的概率；α
k
是压缩指数，用于描述请求模式中的偏态，α
k
越大意味着内容请求更集中在高排名的内容文件上；γ
kn
是第k个节点中第n个文件的排名顺序；
[0026]S32，在每个传输周期t中，第k个车辆节点将平均接收来自其覆盖区域内所有相关用户的U
k
请求；在第k个节点的覆盖范围内，第n个文件的平均请求数定义为ω
kn
，用ω
kn
＝U
k
q
kn
表示；
[0027]S33，在多播周期t内，在第k个节点覆盖范围内的所有用户请求文件共j次的概率为：
[0028][0029]进一步地，步骤S4中，所述内容放置矩阵m为：
[0030][0031]式中，m
kn
表示每个簇内第k个车辆节点缓存第n个文件的文件段的数量；m的值满足以下约束条件：
[0032][0033]式中，M
k
表示每个车辆节点可以缓存的最大容量，M表示总文件的大小。
[0034]进一步地，步骤S5中，优化内容放置矩阵的建模为：
[0035][0036][0037][0038]式中，限制条件C1和C本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分层网络体系结构中的协作缓存方法，其特征在于，所述协作缓存方法包括以下步骤：S1，构建核心服务器、宏基站以及各车辆之间的网络边缘缓存模型，该网络边缘缓存模型设置在一个宏基站覆盖范围内，包含核心层和边缘层的两层典型的分层网络体系结构；其中，将该宏基站和其所包含的每个车辆均视为其中一个缓存节点，边缘层中的节点协作执行内容缓存；包括宏基站在内的核心层支持大带宽和快速的数据包传输的同时，缓存边缘层未缓存部分；S2，将边缘层中的节点按区域划分为多个集群，每个集群节点数不超过阈值β；属于一个特定集群的所有节点通过将缓存信息更新到其集群头来协同执行缓存，节点阈值β与集群节点内的通信开销相关；S3，将一组流行文件集通过拉链分布建模，寻找不同的用户对不同车辆节点中最流行的文件；S4，通过使用编码缓存，把内容分割为分离的编码包，将第n个文件划分成l
n
个文件段，且每个文件大小相等；同时将流行文件集中的文件按照受欢迎程度由高到低的顺序依次进行缓存，构建内容放置矩阵m；当用户u1请求第n个文件时，其中m
kn
个文件段从本地关联的簇中第k个车辆节点获得，剩余的l
n
‑
m
kn
个文件段将通过宏基站的编码多播传输获得；S5，以最小化总能耗为优化目标，进一步优化内容放置矩阵m的具体值，制定内容放置策略。2.根据权利要求1所述的分层网络体系结构中的协作缓存方法，其特征在于，步骤S1中，边缘层中的节点协作执行内容缓存是指，只允许选定的车辆缓存其他车辆缓存事件的信息。3.根据权利要求1所述的分层网络体系结构中的协作缓存方法，其特征在于，步骤S2中，将边缘层中的节点按区域划分为多个集群的过程包括以下步骤：将整个边缘网络进行划分，同一片区域里的车辆节点分为一组，且每个集群节点数不超过阈值β，每组对应一个边缘簇，每个簇进一步分为各种节点类型：集群头节点、网关节点和集群成员；属于一个特定集群的所有节点通过将缓存信息更新到其集群头节点来协同执行缓存，集群成员之间不存在直接通信。4.根据权利要求3所述的分层网络体系结构中的协作缓存方法，其特征在于，集群头节点的选择过程包括以下步骤：采用下述公式计算集群内每个节点的优先级评估值：式中，w是不同参数对应的权重因子，w1+w2+w3+w4+w5＝1；d
k
是节点k范围内的节点数，是所有网络节点的节点度的平均逆；T
k
是节点k与其范围内的节点的传输时...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵海涛，赵越，夏文超，倪艺洋，王琴，朱洪波，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：