[發明專利]一種物聯網暫態數據的緩存替換方法及系統

有效

• 申請號: 201811370683.4
• 申請日: 2018-11-17
• 公開（公告）號: CN109660598B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 曹洋;褚磊;竺浩;江濤
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H04L29/08
• 分類號: H04L29/08
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智;曹葆青

本發明公開了一種物聯網暫態數據的緩存替換方法及系統，使用深度增強學習方法學習暫態數據的緩存策略，從邊緣緩存節點的數據請求歷史中挖掘數據的熱度趨勢，結合暫態數據信息，作為深度增強學習的輸入，即時獎勵設為綜合通信成本的相反數，利用評論家網絡學習價值函數、行動者網絡學習策略函數，通過不斷地進行緩存替換操作，自適應地學習緩存策略，解決了存儲資源受限條件下邊緣緩存節點中暫態數據緩存效率不高的問題；將物聯網數據的數據新鮮度和通信資源的消耗納入綜合通信成本，最小化獲取物聯網數據的長期綜合成本，能夠卸載網絡流量到網絡邊緣，降低時延，一定程度上解決了物聯網海量暫態數據傳輸中存在的時延大、通信資源消耗大的問題。

技術領域

本發明屬于無線通信領域，更具體地，涉及一種物聯網暫態數據的緩存替換方法及系統。

背景技術

隨著物聯網(IoT)在智能交通、智能電網、智能家居以及工業自動化等領域的迅速發展和廣泛應用，海量的物聯網數據流量給現今的通信網絡帶來了巨大的壓力和挑戰。為了解決上述問題，一種常見的思路是在物聯網中加入邊緣緩存機制，利用網絡邊緣緩存節點空閑的存儲資源，緩存熱點數據，請求端可以直接從相應的邊緣緩存節點獲取數據，而無需從數據源處獲取，從而避免了大量不必要的端到端通信。物聯網系統中的邊緣緩存可以卸載網絡流量，降低網絡時延，提供更好的服務質量和用戶體驗。由于邊緣緩存節點的存儲容量一般比較有限，一個高效的緩存替換策略能夠提高緩存擊中率，從而更高效的利用緩存空間，卸載更多的網絡流量。物聯網系統中大量應用還對數據的時效性有要求，只有在一定時效內的數據才是可用的數據，因而緩存數據的新鮮度也是緩存替換時一個重要的考量標準。因而，物聯網系統中邊緣緩存替換策略，需要同時考慮緩存數據的熱度和新鮮度信息，從而更好的滿足物聯網場景下的緩存需求。

傳統的緩存替換方法，如先進先出方法，最近最少使用方法，最不經常使用等，由于未考慮內容的熱度趨勢和用戶請求分布，緩存效率較低。現有的邊緣緩存的緩存替換策略包括：E.Bastug等人提出的利用用戶-數據的相關性，通過協同過濾預測數據的熱度，緩存策略在開始時貪婪地緩存熱點數據，直到邊緣緩存節點緩存耗盡，然后根據預測出來的熱度信息，進行緩存替換；P.Blasco等人提出的通過背包方法(Knapsack)解決小型基站中數據放置的問題，其中，數據熱度是根據數據接收到的請求速率估算的；J.Song等人提出的引入多臂賭博機(multi-armed bandit,MAB)方法，將數據熱度與數據緩存過程結合起來考慮；S.Tanzil等人提出的通過構建神經網絡估計數據的熱度，使用混合整數線性規劃方法計算緩存的放置位置和大小，但是該方法的熱度預測階段，需要利用視頻內容的關鍵字和分類信息，這對一般的IoT數據不適用。

上述方法主要集中于非暫態數據的邊緣緩存，邊緣緩存節點通過估計數據的熱度來決定是否緩存如何替換緩存。一方面，由于假設數據的熱度分布和用戶請求服從特定的分布(如泊松分布)，從而無法適應數據熱度和用戶請求分布快速變化的場景；另一方面，只專注于非暫態數據的緩存，沒有考慮暫態數據的時效性問題。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于解決現有技術物聯網海量暫態數據傳輸中存在的時延大、通信資源消耗大，存儲資源受限條件下邊緣緩存節點中暫態數據緩存效率不高的技術問題。

為實現上述目的，第一方面，本發明實施例提供了一種物聯網暫態數據的緩存替換方法，當前邊緣緩存節點的緩存空間已滿，該方法包括以下步驟：

S1.邊緣緩存節點接收到用戶發出的新的暫態數據項請求；

S2.判斷請求的暫態數據項內容是否在邊緣緩存節點的緩存中，若是，進入步驟S3，否則，進入步驟S6；

S3.判斷請求的暫態數據項是新鮮數據還是過期數據，若是新鮮數據，進入步驟S4，若是過期數據，進入步驟S5；

S4.直接從邊緣緩存節點的緩存區讀取該數據，將該數據轉發給用戶；