CN106851741B - 蜂窝网络中基于社交关系的分布式移动节点文件缓存方法 - Google Patents
蜂窝网络中基于社交关系的分布式移动节点文件缓存方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106851741B CN106851741B CN201611134495.2A CN201611134495A CN106851741B CN 106851741 B CN106851741 B CN 106851741B CN 201611134495 A CN201611134495 A CN 201611134495A CN 106851741 B CN106851741 B CN 106851741B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- node
- file
- nodes
- benefits
- hop
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 63
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 title claims abstract description 26
- 230000008901 benefit Effects 0.000 claims abstract description 44
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 23
- 230000010267 cellular communication Effects 0.000 claims description 5
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims 3
- 235000008694 Humulus lupulus Nutrition 0.000 claims 1
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000035755 proliferation Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W28/00—Network traffic management; Network resource management
- H04W28/02—Traffic management, e.g. flow control or congestion control
- H04W28/10—Flow control between communication endpoints
- H04W28/14—Flow control between communication endpoints using intermediate storage
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
Abstract
本发明公开了一种蜂窝网络中基于社交关系的分布式移动节点文件缓存方法,属于无线通信领域。移动节点与其基于社交关系的朋友节点(一跳社交邻居节点)相遇后,相互传输双方所需要的文件,并针对双方所缓存的所有文件计算缓存这些文件能获得的直接效益和间接效益来重新分配两个节点的缓存方案,其中直接效益是两个节点满足各自朋友节点的需求带来的***收益,间接效益的目的是使多跳社交邻居节点有更大机会通过终端直通通信的方式获得所需文件,从而增加其他节点的直接效益。本发明考虑了多跳社交邻居节点的需求,使***获得最大的总体直接效益。本发明可用于移动节点具有缓存功能且相互之间具有社交关系的移动蜂窝***中的节点文件缓存方法。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域,具体涉及蜂窝网络***中基于社交关系的移动节点文件缓存方法。
背景技术
过去数年时间,随着智能手机等手持设备的大量普及,各种无线应用的数量也在飞速增长,伴随而来的是数据量的***性增长,这给蜂窝网络造成了极大的负担,从而导致服务质量变差。如何在有限的带宽资源上满足人们日益增长的数据服务需求,是无线通信领域所要面对的巨大挑战。
近些年来,一些传统的方法,如增大频谱带宽、微蜂窝等,已渐渐逼近极限。人们开始将目光聚焦在流量本地化技术以降低网络负载。与此同时,终端直通技术提供了一种相较于蜂窝通信有着更低传输代价的通信方式。研究表明,在蜂窝***中将文件缓存在移动节点中,移动节点(用户)间通过终端直通通信分享缓存文件,可大大减小无线传输代价,缓解蜂窝***的流量负载。
在蜂窝网络中,移动节点通常直接从服务器下载所需的文件,网络发生拥塞时,用户体验将奇差。移动节点可将文件主动缓存在本地中,当邻近的节点需要该文件时,可通过终端直通通信分享该文件,如此可避免该节点直接从服务器下载,从而达到流量卸载的目的。目前已有工作对此进行了研究,R.Lan和W.Wang在其论文“Device-to-deviceoffloading with proactive caching in mobile cellular networks”中设计了一种分布式的移动节点缓存方案,该方案通过节点相遇后的缓存文件调整来达到***优化的缓存状态,从而最大限度地进行蜂窝流量卸载。
但是蜂窝网络中一些移动节点出于安全和收益等考量,无法实现与其他任意节点间的文件分享。这使得一些节点无法获得缓存关系较为疏远的节点(多跳社交邻居节点)上的文件。
发明内容
为了让移动节点在蜂窝网络中通过终端直通通信的方式获得缓存在多跳社交邻居节点上的文件,本发明提出了一种蜂窝网络中基于社交关系的分布式移动节点文件缓存方法。
一种蜂窝网络中基于社交关系的分布式移动节点文件缓存方法,步骤如下:
2)移动节点i与其朋友节点j相遇时,针对双方所缓存的所有文件计算缓存这些文件能获得的效益,所述的效益包括直接效益和间接效益,然后基于所述的效益来确定在节点i和j上的文件缓存方案xi=(xi,1,xi,2,…,xi,d,…xi,M)与xj=(xj,1,xj,2,…,xj,d,…xj,M),xi,d∈{0,1},xi,d=1表示节点缓存文件d,xi,d=0表示节点不缓存文件d,xj,d定义类似,M为文件总数目;节点i缓存文件d可以获得效益其中直接效益为节点i缓存文件d给自身和其朋友节点带来的流量卸载量,间接效益的目的是增加其他节点的直接效益,由于间接效益的存在,缓存在节点i的多跳社交邻居节点l中的文件d有更大机会通过i与l间的中间节点的缓存而最终让节点l获得,此过程通过终端直通通信方式而非蜂窝通信方式进行,从而减小通信代价;
3)蜂窝***中移动节点与其朋友节点每一次相遇时,经过步骤1、2,最终得到***的优化文件缓存方案。
其中sd为文件d的大小,xk,d为节点k是否缓存d的文件缓存状态,fk,d为节点k在可获得文件d时决定缓存的概率,rk,d为其他节点对文件d的需求反映到节点k上的部分,是一个指示变量,指示节点k是否需要节点i帮忙缓存文件d,表示为
所述的fk,d的确定过程如下:
节点k每次与其他节点的相遇中,节点k决定缓存d时,即xk,d=1时,增大fk,d的值;否则减小fk,d的值,具体步骤描述如下:
所述的rk,d的确定过程如下:
以节点k为中心,社交邻居节点一跳一跳向外扩展,直至覆盖所有相关节点,Hk为能扩展的最大跳数,节点k的一跳社交邻居节点对文件d的需求反映到节点k上的部分为:
是节点k的一跳社交邻居节点无法满足对文件d的请求的情况下向节点k请求的概率和,其中ql,d为节点l对文件d的需求程度,pkl(T)为节点k和l在请求等待时间T内相遇的概率,ml\k(T)为节点l无法在时间T内从节点k以外的其他节点获得文件d的概率,节点k的两跳社交邻居节点对文件d的需求反映到节点k上的部分为:
因此其他节点对文件d的需求反映到节点k上的部分表示为:
本发明的有益效果:
本发明针对蜂窝网络中移动节点缓存问题提出了间接效益的概念,并给出了相应的定义和计算方法,基于社交关系设计出一种分布式节点文件缓存方法,尽量避免了移动节点直接从服务器下载文件,让***以较小的通信代价达到优化的缓存状态。
附图说明
图1是蜂窝网络中基于社交关系的分布式移动节点文件缓存方法的***模型;
图2是随着节点间相遇次数的增加,使用本发明方法、无间接效益方法、随机调整策略和LFU策略下流量卸载比率的变化情况;
图3是在不同的容忍时间T的情况下,使用本发明方法、无短期效益方法、随机调整策略和LFU(最低使用频率替换)策略达到***稳定状态过程中流量卸载比率的比较;
图4是在不同的平均缓存空间的情况下,使用本发明方法、无间接效益方法、随机调整策略和LFU策略达到***稳定状态过程中流量卸载比率的比较。
具体实施方式
以下结合附图和具体实例进一步说明本发明。
蜂窝网络中移动节点间存在社交关系的***模型如图1所示。上层实线表示两节点为朋友关系,下层虚线表示两节点相互处于通信范围之内。每个节点有一定的缓存空间,其缓存的文件可以通过终端直通通信的方式与其朋友节点共享。此***存在一个最优的移动节点文件缓存方案,使得***能够最大化地进行流量卸载,即最小化通过蜂窝通信进行下载的文件量。我们希望通过移动节点相遇后的缓存调整来分布式地以最小通信代价达到***最优缓存状态。然而由于移动节点间存在社交关系的特性,节点只愿意与朋友节点共享文件,这使得节点从多跳社交邻居节点获得其缓存的文件的机会比较小。如图1所示,节点7缓存有节点1所需要的文件,如果节点5和6并没有意愿缓存该文件,则节点1将没有机会接触到该文件;如果节点1的需求能够反映到而节点5和6上,则节点1有机会通过中间节点的中转以终端直通通信的方式获得节点7上的文件。节点1也可以直接从服务器下载所需文件,但蜂窝通信的代价远大于终端直通通信的代价。因此我们希望能通过终端直通通信的方式让***达到尽可能优化的缓存状态,从而让节点尽可能地通过终端直通通信的方式满足其他节点的请求,使***最大化流量卸载量。
假定网络中有20个移动节点和20个文件,分别用集合和表示。所有节点分布在被一个基站覆盖的400m×400m的区域内,每个节点的运动独立地服从随机位点移动模型,其运动速度在[0,20]m/s的区间内随机产生。每个节点的朋友节点集合是固定的,对各文件的需求程度独立地服从参数为1的Zipf分布,各文件的大小在{1,2,3}MB上均匀分布。初始状态下,每个节点随机缓存有两个文件。
蜂窝网络中基于社交关系的分布式移动节点文件缓存方法具体描述如下:
1)移动节点i与其基于社交关系的朋友节点j相遇时,针对双方所缓存的所有文件计算缓存这些文件能获得的效益,所述的效益包括直接效益和间接效益。节点i缓存文件d可以获得的直接收益为节点i缓存文件d给自身和其朋友节点带来的流量卸载量,其具体形式可选择R.Lan和W.Wang的论文“Device-to-device offloading withproactive caching in mobile cellular networks”中的形式。间接效益的目的是令其他节点有更大机会通过终端直通通信的方式获得缓存在多跳社交邻居节点上的文件,从而增加其他节点的直接效益,间接效益的设计需要满足两个条件:①能够反映多跳社交邻居节点的文件需求;
②长期上将衰减为0。条件①为间接效益定义要求,条件②则是由于长期上***缓存状态将趋于稳定,节点能否在一定的时间T内获得所需文件仅取决于自身和其朋友节点的缓存状态,与其他节点的缓存状态无关。根据以上原则,本发明给出了其具体形式:
其中sd为文件d的大小,xk,d为节点k是否缓存d的文件缓存状态,fk,d为节点k在可获得文件d时决定缓存的概率,是一个指示变量,指示节点k是否需要节点i帮忙缓存文件d,表示为
rk,d为其他节点对文件d的需求反映到节点k上的部分,为简化分析,本具体实施方案采用两跳社交邻居节点的需求反映,rk,d表示为
其中ql,d为节点l对文件d的需求程度。本具体实施方案中采用相遇过程符合泊松过程的模型,λkl是表征节点k和节点l相遇频率的参数,具体参数值可由随机位点移动模型推导得出,基于此泊松过程模型,可得到: 其中因此rk,d的具体表达式为:
③对于节点k把fk,d更新为其中b∈(0,1),为步长调节参数。
2)节点i和j将相应的直接效益与间接效益相加即得到节点i和j缓存文件d的效益ui,d和uj,d,即节点i和j基于获得的文件缓存效益ui,d和uj,d,采用R.Lan和W.Wang的论文“Device-to-device offloading with proactivecaching in mobile cellular networks”中的Algorithm 1来确定i和j的文件缓存分布方案xi=(xi,1,xi,2,…,xi,d,…xi,M)与xj=(xj,1,xj,2,…,xj,d,…xj,M),xi,d∈{0,1},xi,d=1表示节点缓存文件d,xi,d=0表示节点不缓存文件d,xj,d定义类似,M为文件总数目。
3)经过移动节点与其朋友节点每一次相遇时的文件缓存调整后,最终得到***的优化文件缓存方案。
通过计算机仿真表明,从图2可以看出,在经过大约200次节点相遇时的缓存调整过程后,使用本发明方法能使***达到稳定状态,且本发明方法的性能明显好于随机调整策略以及LFU策略;在***达到稳定状态后,本发明方法与无间接效益方法性能非常接近,这是因为间接效益在长期上衰减为0,同时节点可利用从服务器下载的文件进行缓存调整。从图3可以看出,随着容忍时间T的增大,本发明方法、无间接效益方法、随机调整方法以及LFU方法的流量卸载比率都有明显提升,且性能差距在逐渐扩大,说明在等待时间较长的情况下本发明方法较有优势;本发明方法相对无间接效益方法有性能优势,体现本发明方法的性能体现在达到***稳定状态的过程中。从图4可以看出,随着平均缓存空间的增大,本发明方法、无间接效益方法、随机调整方法以及LFU方法的流量卸载比率也都有明显提升,与此同时,四种方法的性能差距在逐渐缩小,这说明在缓存空间不足的情况下,本发明方法更具优势;图4也同样说明,在达到***稳定状态的过程中本发明方法相较无间接效益方法有性能优势。
综合以上性能比较,我们不难发现本发明的方法在性能上超过其他的传统方法,且在缓存空间不足以及等待时间比较长的情况下优势更加明显,在达到***稳定状态的过程中本发明方法相较无间接效益方法有性能优势。
Claims (4)
1.一种蜂窝网络中基于社交关系的分布式移动节点文件缓存方法,其特征在于,步骤如下:
2)移动节点i与其朋友节点j相遇时,针对双方所缓存的所有文件计算缓存这些文件能获得的效益,所述的效益包括直接效益和间接效益,然后基于所述的效益来确定在节点i和j上的文件缓存方案xi=(xi,1,xi,2,...,xi,d,...xi,M)与xj=(xj,1,xj,2,...,xj,d,...xj,M),xi,d∈{0,1},xi,d=1表示节点缓存文件d,xi,d=0表示节点不缓存文件d,xj,d定义类似,M为文件总数目;节点i缓存文件d可以获得效益其中直接效益为节点i缓存文件d给自身和其朋友节点带来的流量卸载量,间接效益的目的是增加其他节点的直接效益,由于间接效益的存在,缓存在节点i的多跳社交邻居节点l中的文件d有更大机会通过i与l间的中间节点的缓存而最终让节点l获得,此过程通过终端直通通信方式而非蜂窝通信方式进行,从而减小通信代价;
3)蜂窝***中移动节点与其朋友节点每一次相遇时,经过步骤1)、2),最终得到***的优化文件缓存方案。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述的rk,d的确定过程如下:
以节点k为中心,社交邻居节点一跳一跳向外扩展,直至覆盖所有相关节点,Hk为能扩展的最大跳数,节点k的一跳社交邻居节点对文件d的需求反映到节点k上的部分为:
是节点k的一跳社交邻居节点无法满足对文件d的请求的情况下向节点k请求的概率和,其中ql,d为节点l对文件d的需求程度,pkl(T)为节点k和l在请求等待时间T内相遇的概率,ml\k,d(T)为节点l无法在时间T内从节点k以外的其他节点获得文件d的概率,节点k的两跳社交邻居节点对文件d的需求反映到节点k上的部分为:
节点k的一跳社交邻居节点l作为中间节点向节点k反映节点l的一跳社交邻居节点对文件d的需求依此类推,节点k的h跳社交邻居节点对文件d的需求反映到节点k上的部分为:
因此其他节点对文件d的需求反映到节点k上的部分表示为:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201611134495.2A CN106851741B (zh) | 2016-12-10 | 2016-12-10 | 蜂窝网络中基于社交关系的分布式移动节点文件缓存方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201611134495.2A CN106851741B (zh) | 2016-12-10 | 2016-12-10 | 蜂窝网络中基于社交关系的分布式移动节点文件缓存方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN106851741A CN106851741A (zh) | 2017-06-13 |
CN106851741B true CN106851741B (zh) | 2020-02-28 |
Family
ID=59139882
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201611134495.2A Active CN106851741B (zh) | 2016-12-10 | 2016-12-10 | 蜂窝网络中基于社交关系的分布式移动节点文件缓存方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN106851741B (zh) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108282528B (zh) * | 2018-01-23 | 2021-07-30 | 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 | 一种数据缓存方法及装置 |
CN108595475B (zh) * | 2018-03-12 | 2022-03-04 | 电子科技大学 | 一种移动社会网络中的缓存节点选择方法 |
CN108616845B (zh) * | 2018-03-30 | 2021-10-26 | 佛山市顺德区中山大学研究院 | 基于社交内容的d2d分组多目标缓存方法及其***、装置 |
CN108494632B (zh) * | 2018-04-04 | 2020-12-01 | 武汉大学 | 一种基于强化学习的移动数据流量卸载方法 |
CN110493300B (zh) * | 2018-09-27 | 2021-11-23 | 北京白山耘科技有限公司 | 一种分布式数据***及分布式数据同步方法 |
CN109803245B (zh) * | 2019-03-12 | 2022-01-28 | 南京邮电大学 | 一种基于d2d通信的缓存节点选择方法 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103036942A (zh) * | 2011-10-08 | 2013-04-10 | 美国博通公司 | 先进的内容托管 |
CN104410684A (zh) * | 2009-04-02 | 2015-03-11 | 高通股份有限公司 | 用于通过文件传送来建立社交网络的方法和设备 |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20090144380A1 (en) * | 2007-11-21 | 2009-06-04 | Kallman William R | Peer-to-peer email |
US8624758B2 (en) * | 2010-03-23 | 2014-01-07 | Mavizon, Llc | Communication system including telemetric device for a vehicle connected to a cloud service |
-
2016
- 2016-12-10 CN CN201611134495.2A patent/CN106851741B/zh active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104410684A (zh) * | 2009-04-02 | 2015-03-11 | 高通股份有限公司 | 用于通过文件传送来建立社交网络的方法和设备 |
CN103036942A (zh) * | 2011-10-08 | 2013-04-10 | 美国博通公司 | 先进的内容托管 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
基于社交网络的D2D通信技术研究;高露露;《万方数据知识服务平台》;20160831;35-51 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN106851741A (zh) | 2017-06-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN106851741B (zh) | 蜂窝网络中基于社交关系的分布式移动节点文件缓存方法 | |
Pantisano et al. | Cache-aware user association in backhaul-constrained small cell networks | |
CN109194763B (zh) | 一种超密集网络中基于小型基站自组织协作的缓存方法 | |
CN106851731B (zh) | 一种最大化卸载概率的d2d缓存分配方法 | |
CN108834080B (zh) | 异构网络中基于多播技术的分布式缓存和用户关联方法 | |
CN108600998B (zh) | 超密度蜂窝与d2d异构融合网络缓存优化决策方法 | |
CN108093435B (zh) | 基于缓存流行内容的蜂窝下行链路网络能效优化***及方法 | |
CN106303927A (zh) | 一种用于d2d无线缓存网络中的缓存分配方法 | |
Chen et al. | Energy costs for traffic offloading by cache-enabled D2D communications | |
Jiang et al. | Efficient D2D content caching using multi-agent reinforcement learning | |
Tran et al. | Mobee: Mobility-aware energy-efficient coded caching in cloud radio access networks | |
Chow et al. | Group-based cooperative cache management for mobile clients in a mobile environment | |
Fan et al. | The capacity of device-to-device communication underlaying cellular networks with relay links | |
CN110138836A (zh) | 一种基于优化能量效率的线上协作缓存方法 | |
CN109348454B (zh) | 一种d2d缓存通信内容共享方法 | |
CN107623720A (zh) | 一种基于合作缓存的数据选择性缓存方法 | |
CN110972227B (zh) | 通过机会移动网络卸载蜂窝流量的种子节点选择方法 | |
CN109068356A (zh) | 一种用于认知无线电网络中的无线缓存分配方法 | |
CN108566636A (zh) | 面向不同用户偏好的d2d随机缓存布设方法 | |
CN109495865A (zh) | 一种基于d2d辅助的自适应缓存内容放置方法及*** | |
CN110139125B (zh) | 无线移动网络下基于需求感知与资源缓存的视频共享方法 | |
Jaafar et al. | Joint caching and resource allocation in D2D-assisted heterogeneous networks | |
Fang et al. | Distributed caching popular services by using deep Q-learning in converged networks | |
Wang et al. | Collaborative D2D Cache System Based on SDN Network | |
CN109982389B (zh) | 一种基于多目标多臂***在线学习的无线缓存方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |