[發明專利]一種Fog-RAN網絡緩存放置問題的建模和決策方法

有效

• 申請號: 202011632389.3
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112822726B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 姚英彪;侯笠力;徐欣;姜顯揚;許曉榮;馮維
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: H04W28/14
• 分類號: H04W28/14;H04L67/568;H04L67/5682;H04L67/1097
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 朱月芬

1.一種Fog-RAN網絡緩存放置問題的建模和決策方法，其特征在于包括兩個階段：

階段一：對Fog-RAN網絡的緩存內容放置問題進行建模，且建模時考慮霧節點之間的協作：即當某個霧節點未緩存其服務用戶所需內容時，先從與其協作的霧節點集合中尋找是否存在某個協作霧節點緩存了所需的內容，若存在協作霧節點緩存了該內容，則先由該協作霧節點傳輸給當前霧節點，再由當前霧節點傳輸給用戶，從而降低用戶的平均下載時延；

階段二：采用基于廣度優先的分布式決策方法緩存內容放置進行決策；首先找到Fog-RAN網絡的霧節點連通子圖，然后從每個子圖最小編號的霧節點出發，采用受擬陣約束的單調子模優化方法解決它的緩存放置問題，再然后根據廣度優先策略找到與其協作的協作霧節點，解決它們的緩存放置問題，一直往下尋找，直到將Fog-RAN網絡中所有的霧節點的緩存內容放置都完成決策；

階段一所述的建模包括以下幾個步驟：

步驟1：考慮一個包含M個霧節點和K個用戶的霧無線接入網系統，定義N＝{n₁，...，n_M}為霧節點集合的表達式，U＝{u₁，...，u_K}為用戶集合的表達式；每個用戶只能被一個霧節點所服務，而一個霧節點可以服務多個處于其覆蓋范圍內的移動用戶；每個霧節點都具備存儲能力且存儲容量有限，定義霧節點n_m的存儲容量為Q_m；相鄰霧節點之間可以單跳通信，用于進行消息傳遞和緩存內容傳輸，即可以互相協作；

步驟2：將霧節點與用戶的服務關系定義為一個M×K的矩陣L；其中，矩陣中的元素l_mk指示霧節點n_m和用戶u_k之間的服務關系：l_mk＝1表示霧節點n_m服務于用戶u_k；l_mk＝0表示霧節點n_m不服務用戶u_k；定義霧節點n_m服務的用戶的集合為U_m＝{u_k∈U|l_mk＝1}；

步驟3：將霧節點之間的協作關系定義為一個M×M的矩陣C；其中，矩陣中的元素c_mm′指示了霧節點n_m和霧節點n_m′之間的協作關系，其中，霧節點n_m和霧節點n_m′為兩個不同的霧節點；c_mm′＝1表示霧節點n_m和霧節點n_m′之間能進行協作；c_mm′＝0表示霧節點n_m和霧節點n_m′之間不能進行協作；定義能夠與霧節點n_m進行協作的霧節點集合為C_m＝{n_m′∈N|c_mm′＝1}；

步驟4：假設整個網絡總共存在Q種內容，每種內容的大小固定，定義所有內容的集合為F＝{f₁，...，f_Q}，這些內容全部存儲于云數據中心的內容服務器中，并且根據需求霧節點可以從這些內容服務器中下載內容并緩存在自己的存儲設備中；內容的流行度是根據全體用戶的喜好來定的，定義內容喜好列表為[f_k1，...，f_kQ]，其中，f_ki定義為用戶u_k對于內容的喜好程度，值越大代表用戶的喜好程度越高，被訪問的概率也越高；定義p_kq為用戶u_k訪問內容f_q的概率；

步驟5：將霧節點與內容的存儲關系定義為一個M×Q的緩存決策矩陣X；其中，矩陣中的元素x_mq指示了霧節點n_m和內容f_q的緩存關系：x_mq＝1表示霧節點n_m緩存了內容f_q；x_mq＝0表示霧節點n_m沒有緩存內容f_q；由于協作霧節點之間可以進行內容的傳輸，當霧節點n_m所服務的用戶u_k請求的內容沒有緩存在霧節點n_m中時，霧節點n_m可以從與其協作的霧節點集合中尋找一個緩存了該內容的霧節點，并向它請求該內容；若存在多個協作霧節點緩存了該內容，則選擇距離最近的協作霧節點向它發起請求；若存在霧節點n_m′緩存了該內容，則霧節點n_m′將內容傳輸給霧節點n_m，再由霧節點n_m傳輸給用戶；若其協作霧節點也沒有緩存該內容，則霧節點n_m從云數據中心的內容服務器下載該內容；

步驟6：整個Fog-RAN網絡以用戶下載時延最小化為目標，則所有霧節點的緩存放置問題可以建模為：

其中，為全體用戶的平均下載延遲；D_kq(·)為用戶u_k從其接入霧節點n_m下載內容f_q的下載延遲；|f_q|為內容f_q的大小；R_mk為霧節點n_m到用戶u_k的傳輸速率；D_nm為霧節點n_n與協作霧節點n_m之間的傳輸時延；I(·)為標志函數，當用戶u_k的接入霧節點n_m的協作霧節點中緩存了內容f_q時為1，否則為0；D_C為云數據中心的內容服務器將內容傳輸給霧節點n_m的傳輸時延。