【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线通信，涉及一种一种分层协作内容缓存方法。
技术介绍
1、近年来，移动设备和多媒体应用的发展产生了大量互联网业务数据，这导致网络流量异常增长并对回程网络造成了重大负荷。根据思科的一项调查，从2017年到2022年，全球移动数据流量预计将增长七倍。为了满足用户需求并管理庞大的流量，密集部署基站成为移动边缘网络中的基本技术。然而，基站的密集部署并没有解决回程负荷问题，因为大量回程流量是对流行内容的重复下载。因此，移动边缘缓存作为一项突出技术出现，它利用边缘节点作为缓存节点，将内容靠近用户，从而减轻核心网络的负担并提高用户体验质量。在移动边缘缓存中，边缘节点处理大量重复的内容请求，降低了服务延迟和内容传输距离。因此，移动边缘缓存是针对延迟敏感的移动应用，在移动边缘计算框架中的一项有前途的技术。基站处有限的缓存大小限制了移动边缘缓存在实际中的性能。通过基于用户偏好和内容流行度设计有效的内容放置机制，可以提升缓存性能。现有工作通过考虑已知的内容流行度或可预测的内容流行度，提出了主动缓存方案。预测需考虑用户关联和偏好，这些可能在不同的上下文中有所不同，如个人信息、拓扑结构和位置。实际上，内容流行度随时间动态变化，因此上述先验已知的假设是与实际场景不相符的。未来可能无法获取内容流行度信息以做出缓存决策。
2、同时，现有的边缘缓存方法大部分只考虑了单一节点的缓存策略，而缺乏同一区域内不同边缘节点之间协作。事实上,同一区域内的边缘节点之间也可以获取彼此缓存的数据，相比于从云端获取数据，同样可以达到降低延迟、减少流量消耗
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种分层协作内容缓存方法。
2、为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种分层协作内容缓存方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
4、s1：构建一个分层协作的、支持缓存的异构网络模型；
5、s2：根据用户容忍时延约束和缓存容量限制，构建面向系统内容交付成本最小化的边缘缓存优化问题；
6、s3：建立一个部分可观察的马尔可夫决策过程模型，用于描述和解决缓存决策问题；
7、s4：提出通过采用集中训练与分布执行的协作缓存框架；
8、s5：设计一种基于长短期记忆网络和多智能体深度确定性策略梯度的协作缓存算法，以更好的应对动态环境变化的时变特性，更新不同时隙的缓存决策；
9、进一步，在s1中，构建一个分层协作的、支持缓存的异构网络模型，具体包括以下步骤：
10、s11：考虑一个云边协同的两层异构网络，网络由一个mbs和多个sbs组成，为众多ue提供内容分发服务。使用表示ue索引集合，所有ue都分布在sbs和mbs覆盖范围内，使用m表示mbs索引，表示sbs索引集合，sbs专门为其覆盖范围内ue提供服务。内容目录集合表示为内容大小假设为k bits。用户请求内容f允许的最大容忍时延为dlf，每个时隙表示为t，总共t个时隙。
11、s12：使用用户偏好模型来模拟用户的内容请求分布。假设网络中内容共有e个主题的内容属性特征，使用ε＝{1,2,...,e,...,e}表示内容主题集合，令α(f,e)表为内容主题指示变量，α(f,e)＝1表示内容f具有主题e的属性特征，反之α(f,e)＝0表示不具有。每个用户具有不同的主题偏好，时隙t用户u对主题e的请求偏好可表示为
12、
13、其中，表示用户u在时隙t前的历史内容请求，x(e)表示所有内容中具有主题e的内容的随机变量，p(x(e))表示所有内容中具有主题e的内容的概率，表示用户u历史请求中具有主题e的内容的概率。综上所述，用户u对内容f的请求偏好概率可表示为
14、
15、其中，当α(f,e)和β(t,u,e)在特征空间越接近时，则用户u对内容f越偏好。为方便计算，对用户偏好进行归一化处理，即
16、s13：建立不同设备间的内容交付成本模型。sbs和mbs的内容缓存矩阵分别表示为和其中时隙t内容f被缓存在相应的设备i中，则否则bs缓存设备
17、从sbs到ue交付内容的时延表示为邻接sbs和mbs到本地sbs交付内容的成本分别表示为和mbs直连的ue交付内容成本表示为而从云服务器到mbs交付内容的成本表示为
18、s14：为了保证所有内容均可分发至用户设备，建立用户关联模型。mbs和sbs的缓存能力分别表示为cmbits和csbits。具体来说，mbs可以通过回传链路与sbs连接，邻接的sbs可以通过容量有限的光纤将内容传输给本地sbs。用户可根据sbs和mbs的缓存状态和设备间的位置关系连接对应的缓存设备，以获取其请求的内容。此时，将系统用户分为sbs用户和mbs用户。
19、s15：针对sbs用户，交付内容f的成本计算为
20、
21、其中，表示用户获取内容服务的来源，j∈s∪{m}∪{cc}，当时隙t设备j与用户u建立连接时，则否则且满足dcs,u,f(j)表示sbs s覆盖下用户u从设备j获取内容f的成本，分别表示为
22、
23、sbs用户设备的平均交付成本可计算为
24、
25、其中，为sbs s关联的用户集合。
26、s16：同样地，针对mbs用户，交付内容f的成本计算为
27、
28、mbs用户设备的平均交付成本可计算为
29、
30、进一步，s2中，根据用户容忍时延约束和缓存容量限制，构建面向系统内容交付成本最小化的边缘缓存优化问题，具体包括以下步骤：
31、p1:
32、s.t.c1:
33、c2:
34、c3:
35、c4:其中，c1表示bs缓存内容的数量不超过其缓存容量；c2表示bs中不存在重复内容；c3表示用户容忍时延；c4表示bs缓存决策二元变量。
36、进一步，s3中，建立一个部分可观察的马尔可夫决策过程模型，用于描述和解决缓存决策问题，具体包括以下步骤：
37、s31：将马尔科夫决策过程的观测和状态空间、动作空间和奖励函数被定义为：
38、观测和状态空间：设state是系统状态空间的集合，其中在时隙t，bs i的状态包含缓存状态yit，表示为内容流行度状态表示为其中
39、动作空间：设a是动作空间的集合。每个bs确定保留或者替换内容，如果某些用户请求在相应的bs和邻近bs中未响应，则通过从云服务器获取适当内容来替换缺失的内容。否则，当所有用户请求都未响应，bs将从内容服务器获得的新内容替换内容。在接收到内容请求后，bs计算每个内容的优先级，并根据优先级确定保留本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种分层协作内容缓存方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种分层协作内容缓存方法，其特征在于：所述S1中，构建一个分层协作的、支持缓存的异构网络模型，具体包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种分层协作内容缓存方法，其特征在于：所述S2中，根据用户容忍时延约束和缓存容量限制，构建面向系统内容交付成本最小化的边缘缓存优化问题：
4.根据权利要求3所述的一种分层协作内容缓存方法，其特征在于：所述S3中，建立一个部分可观察的马尔可夫决策过程模型，用于描述和解决缓存决策问题，具体包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种分层协作内容缓存方法，其特征在于：所述S4中，提出通过采用集中训练与分布执行的协作缓存框架，具体包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种分层协作内容缓存方法，其特征在于：所述S5中，设计一种基于长短期记忆网络和多智能体深度确定性策略梯度的协作缓存算法，以更好的应对动态环境变化的时变特性，更新不同时隙的缓存决策，具体步骤包括：
【技术特征摘要】
1.一种分层协作内容缓存方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种分层协作内容缓存方法，其特征在于：所述s1中，构建一个分层协作的、支持缓存的异构网络模型，具体包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种分层协作内容缓存方法，其特征在于：所述s2中，根据用户容忍时延约束和缓存容量限制，构建面向系统内容交付成本最小化的边缘缓存优化问题：
4.根据权利要求3所述的一种分层协作内容缓存方法，其特征在于：所述s3中，...
【专利技术属性】
技术研发人员：周小力，唐桐，祝志远，吴大鹏，王汝言，彭海英，张鸿，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：
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