基于网络编码的星地缓存与内容分发机制的构建方法技术

本发明专利技术提出了一种基于网络编码的星地缓存与内容分发机制的构建方法，所述方法包括:S1、定义星地融合缓存与内容分发网络模型；S2、设计基于网络编码的星地主动缓存及内容请求过程；S3、定义基站从邻居基站获取编码块的概率；S4、设计目标函数，将缓存问题建模为多重背包问题。本发明专利技术提出一种星地融合场景下卫星缓存策略，以降低用户请求时延。将网络编码技术应用到卫星缓存中，以降低内容从卫星到地面传输的丢包率带来的影响。输的丢包率带来的影响。输的丢包率带来的影响。

【技术实现步骤摘要】
基于网络编码的星地缓存与内容分发机制的构建方法


[0001]本专利技术属于网络通信
，尤其涉及一种基于网络编码的星地缓存与内容分发机制的构建方法。

技术介绍

[0002]将热门内容缓存到离用户更近的位置，可以降低用户下载时延，但由于流量爆炸式增长给地面网络带来巨大压力，将卫星用于缓存是减轻地面网络压力的有效方法。卫星通信具有通信距离远、服务范围宽等优点，且不受地理条件限制，通过卫星将流行内容进行广播，可以有效缓解地面网络链路的压力。
[0003]星地融合网络场景下将卫星用作缓存的问题已经引起业界广泛的关注。例如，将卫星作为缓存中继，将流行内容传输到卫星中，卫星通过广播的形式将内容传输给用户，从而减轻地面网络压力；将多颗卫星连接构造卫星网络，在卫星获得地面传输的内容后成为移动服务节点，为不同地理位置的基站提供仅一跳的内容分发服务；将卫星用作地面网络的补充，在地面缓存设备中缓存最流行的内容，将流行度不高的内容缓存在卫星中，用户请求的文件在本地缓存中缺失的时可以向卫星请求地面缓存缺失的内容。现有的将卫星用作缓存的研究中，大都没考虑卫星传输因丢包而导致的重传问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于一种基于网络编码的星地缓存与内容分发机制的构建方法，在卫星缓存内容的多样性和缓存每个内容的编码块数量之间进行权衡，从而对卫星缓存内容进行优化。当基站缓存的编码块无法解码出原始内容时，向邻居基站或内容服务器请求缺失的编码。将卫星主动缓存问题建模为多重背包问题后，利用狮群算法求解最佳缓存方案，以实现减轻地面网络压力，使得用户请求内容时延最小。
[0005]为了达到上述目的，在本专利技术提供了基于网络编码的星地缓存与内容分发机制的构建方法，所述方法包括：
[0006]S1、定义星地融合缓存与内容分发网络模型；
[0007]S2、设计基于网络编码的星地主动缓存及内容请求过程；
[0008]S3、定义基站从邻居基站获取编码块的概率；
[0009]S4、设计目标函数，将缓存问题建模为多重背包问题。
[0010]进一步地，所述星地融合缓存与内容分发网络模型包括单颗卫星、一个基站组、多个用户和内容服务器。
[0011]进一步地，所述基站组中的基站表示为B＝{b1,b2,
…
b
j
…
b
BB
}，所述基站服务的用户表示为U
j
＝{u
j,1
,u
j,2
,...u
j,UU
}，文件库表示为F＝{f1,f2,
…
,f
FF
}，向量x＝[x1,x2,
…
,x
F
]表示卫星缓存状态，其中x
i
表示所述卫星的缓存内容f
i
的编码块数量，0≤x
i
≤x
max
，w＝(w1,w2,
……
w
F
)，w表示编码块大小，其中w
i
为内容f
i
的编码块大小，矩阵P
FF
×
BB
为流行度矩阵，矩阵元素p
i,j
表示内容f
i
在基站b
j
中的流行度，所述卫星通信采用Ka频段，Ka频段卫星多径衰
落的理论误码率上限R
be
和丢包率R
pe
分别为：
[0012][0013]R
pe
＝1
‑
(1
‑
R
be
)
L
，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0014]其中，σ2为平均多径功率，E
b
/N0为信噪比，L为数据包大小；
[0015]为提升编码块在星地链路传输成功率，消除传输过程中各种干扰因素对传输内容的影响，缓存的最大编码块数设计为x
max
，定义为：
[0016][0017]其中，V为原始块个数。
[0018]进一步地，当所述卫星经过所述内容服务器时，所述内容服务器将热门内容的编码块注入所述卫星中，所述卫星通过星地链路将内容预缓存到所述基站中，当所述用户发出请求时，所述基站利用缓存内容响应所述用户请求。
[0019]进一步地，当所述用户u
j,k
向基站b
j
请求内容f
i
时，所述基站b
j
检查缓存中是否有V个原始块，若有，则直接将V个原始块发送给用户；
[0020]否则，向相邻基站或内容服务器请求缺少的编码块；
[0021]所述用户u
j,k
的下载内容f
i
的时延T
k,i
为：
[0022][0023]其中，R
BD
，R
BB
和R
SB
分别为基站到用户、基站到基站和基站到内容服务器的链路数据率；w
i
为内容f
i
的编码块大小，为基站从邻居基站b
m
获取的线性独立编码块个数，为邻居基站集合，V
s
表示需要从内容服务器获取的编码块数量。
[0024]进一步地，所述基站从所述邻居基站可获得的最大编码块数量为：
[0025][0026]其中，表示基站b
j
收到内容f
i
的编码块数；
[0027]需要从内容服务器获取的编码块数量V
s
为：
[0028][0029]其中，n为从邻居基站获得的线性独立编码块数量。
[0030]进一步地，所述基站从所述邻居基站得到个编码块的概率g
′
n
为
[0031][0032]所以，所述基站从所述邻居基站得到n个编码块的概率g
n
为：
[0033][0034]进一步地，所述时延T
k,i
更新为：
[0035][0036]所述基站b
j
关联用户的平均下载时延T
j
为：
[0037][0038]其中，p
i,j
表示基站b
j
对内容f
i
的请求概率。
[0039]进一步地，所述多重背包问题利用狮群算法进行求解。
[0040]进一步地，将所述多重背包问题的目标函数定义为最大化总体用户请求时延减少量，多重背包中的物品价值定义为由缓存带来的时延减少量，物品重量定义为编码块大小，背包容量定义为基站缓存空间。
[0041]本专利技术的有益技术效果至少在于以下几点：
[0042](1)本专利技术将网络编码技术应用到卫星缓存中，以降低内容从卫星到地面传输的丢包率带来的影响；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于网络编码的星地缓存与内容分发机制的构建方法，其特征在于，所述方法包括：S1、定义星地融合缓存与内容分发网络模型；S2、设计基于网络编码的星地主动缓存及内容请求过程；S3、定义基站从邻居基站获取编码块的概率；S4、设计目标函数，将缓存问题建模为多重背包问题。2.根据权利要求1所述的基于网络编码的星地缓存与内容分发机制的构建方法，其特征在于，所述星地融合缓存与内容分发网络模型包括单颗卫星、一个基站组、多个用户和内容服务器。3.根据权利要求2所述的基于网络编码的星地缓存与内容分发机制的构建方法，其特征在于，所述基站组中的基站表示为B＝{b1，b2，...b
j
...b
BB
}，所述基站服务的用户表示为U
j
＝{u
j，1
，u
j，2
，...u
j，UU
}，文件库表示为F＝{f1，f2，...，f
FF
}，向量x＝[x1，x2，...，x
F
]表示卫星缓存状态，其中x
i
表示所述卫星的缓存内容f
i
的编码块数量，0≤x
i
≤x
max
，w＝(w1，w2，......w
F
)，w表示编码块大小，其中w
i
为内容f
i
的编码块大小，矩阵P
FF
×
BB
为流行度矩阵，矩阵元素p
i，j
表示内容f
i
在基站b
j
中的流行度，所述卫星通信采用Ka频段，Ka频段卫星多径衰落的理论误码率上限R
be
和丢包率R
pe
分别为：R
pe
＝1
‑
(1
‑
R
be
)
L
，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，σ2为平均多径功率，E
b
/N0为信噪比，L为数据包大小；为提升编码块在星地链路传输成功率，消除传输过程中各种干扰因素对传输内容的影响，缓存的最大编码块数设计为x
max
，定义为：其中，V为原始块个数。4.根据权利要求3所述的基于网络编码的星地缓存与内容分发机制的构建方法，其特征在于，当所述卫星经过所述内容服务器时，所述内容服务器将热门内容的编码块注入所述卫星中，所述卫星通过星地...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘燕，张芮，蔡君，
申请(专利权)人：广东技术师范大学，
类型：发明
国别省市：