一种喷泉码驱动的多路侧单元协同的缓存方法
阅读说明：本技术 一种喷泉码驱动的多路侧单元协同的缓存方法 (Fountain code driven multi-path side unit cooperative caching method ) 是由 杜清河 李艳阳 于 2021-05-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种喷泉码驱动的多路侧单元协同的缓存方法,包括以下步骤：确定待缓存文件,将待缓存文件分割为若干数据包；将各数据包存放于不同的路侧单元中,任意两路侧单元中存放的数据包之间有重合；当路侧单元接收到车辆对待缓存文件的请求时,各路侧单元对其存储的数据包进行喷泉编码,编码时数据包的选择是不等概的,以形成编码包,然后对编码包进行发送；车辆对接收到路侧单元发送过来的编码包进行解码,以恢复出缓存文件,完成喷泉码驱动的多路侧单元协同的缓存,该方法能够缓解路侧单元的缓存压力,提高缓存内容的传输效率和文件恢复率。(The invention discloses a fountain code driven multi-channel side unit cooperative caching method, which comprises the following steps: determining a file to be cached, and dividing the file to be cached into a plurality of data packets; storing each data packet in different road side units, wherein the data packets stored in any two road side units are overlapped; when the roadside units receive a request of a vehicle for a file to be cached, each roadside unit performs fountain coding on a data packet stored by the roadside unit, the data packets are selected inequality during coding to form a coding packet, and then the coding packet is sent; the vehicle decodes the received encoding packet sent by the road side unit to recover the cache file, and completes the fountain code-driven multi-path side unit cooperative cache.)
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种喷泉码驱动的多路侧单元 协同的缓存方法。
背景技术
近年来，随着5G技术的日趋成熟和5G应用的进一步深入，车联网 技术受到了学术界和工业界的广泛关注。面对种类繁多、数据量庞大的 多媒体车载服务，高安全、高稳定性需求的自动驾驶应用等诸多挑战， 车载网络必须采用更加有效的通信技术来应对日益扩张的车载网络容量 需求，以满足较高的服务质量要求。研究表明，通过提前将用户所需文件部署到网络中的缓存技术能够有效缓解网络带宽压力，减少网络拥 塞，提高用户服务质量。通过将车联网云“下沉”至高度分布式的宏基 站、小基站，甚至是路侧单元处，为车载网络提供靠近用户侧的通信、 计算、存储、控制、管理等能力。
喷泉码作为一种无码率的编码方案，具有很强的灵活性，支持在车 联网系统中用户高速移动、路侧单元覆盖能力有限的场景下，实现可靠 的数据传输。因此，现有车联网中缓存方案广泛使用了喷泉码进行内容 编码。然而，针对车联网中基于喷泉码的编码缓存技术，现有研究主要 针对缓存位置、缓存内容进行策略性优化，通过指定的目标函数，如最小化用户获取内容的时延、最大化内容的卸载率等，来进行缓存内容的 分配，很少基于喷泉码特性进行编码设计，并未完全发挥出喷泉码编码 带来的缓存增益，即通过降低接收端解码开销，提高缓存内容的传输效 率和文件恢复率。针对上述问题研究一种喷泉码驱动的多路侧单元协同 缓存方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种喷泉码驱 动的多路侧单元协同的缓存方法，该方法能够缓解路侧单元的缓存压力， 提高缓存内容的传输效率和文件恢复率。
为达到上述目的，本发明所述的喷泉码驱动的多路侧单元协同的缓 存方法包括以下步骤：
确定待缓存文件，将待缓存文件分割为若干数据包；
将各数据包存放于不同的路侧单元中，各路侧单元中存放的部分数 据包相同，内容放置完成；
当路侧单元接收到车辆对待缓存文件的请求时，车辆的服务路侧单 元对其存储的数据包进行喷泉编码，以形成编码包，然后向车辆发送编 码包，内容分发完成；
车辆对接收到的路侧单元发送过来的编码包进行解码，以恢复出缓 存文件，完成喷泉码驱动的多路侧单元协同的缓存。
将待缓存文件f分割成长度相等的K个数据包。
设路侧单元簇，包含N个连续部署的路侧单元。路侧单元簇中的各 路侧单元存储的数据包之间具有相关性，即路侧单元簇中任意两路侧单 元中存储了若干相同的数据包，且数目相等。一个路侧单元上存储的所 有与其他路侧单元相同的数据包之间不具有特异性。将所述相同的数据 包记作重合部分数据包，将剩余的数据包记作非重合部分数据包。
对于非重合数据包，从首个为车辆提供服务的路侧单元开始，沿车 辆行驶方向依次为路侧单元分配knon个数据包，其中，各数据包之间相互 独立，重复N次，直至N个路侧单元上的非重合数据包放置完成为止。
对于重合数据包，将所有重合数据包分为份，其中，每份 包含keach_over个数据包，从N个路侧单元中随机选出两个路侧单元作为一 个路侧单元组合，为该路侧单元组合分配一组重合数据包，重复该选择 及分配过程次，直至所有重合数据包分配完毕为止。此时，每 个路侧单元上存储了N-1份重合部分数据包，重合数据包总数为kover＝(N-1)keach_over。
路侧单元在内容分发阶段，生成编码包时，选择各部分数据包的概 率是不同的。编码包的生成过程为：根据鲁棒孤子度分布函数，生成一 个编码包的度为d，编码包度d的物理意义为：该编码包由d个数据包 构成。从路侧单元的存储空间中选择d个不重复数据包并按位进行异或 操作。在选择第l个选择数据包时，当前路侧单元中剩余重合部分数据 包数目为剩余非重合部分数据包数目为重合部分中每一个数 据包被选择的概率为非重合部分中每个数据包被选中的 概率为按照给定概率选择一个数据包。若选中重合部分 中的数据包，若选中非重合部分中的数据包，则 其中表示首次选择数据包 时路侧单元中各部分数据包数目的情况；Pover，Pnon为初始选择概率，满足在当前这一个编码包生成的过程中，已被选中的数 据包不会再被选中。更新l＝l+1，重复数据包选择过程，直至d个数据包 选择完毕后。对d个数据包进行按位异或操作，并与编码信息组合形成 喷泉码编码包。
车辆接收到编码包后，通过置信传播算法对编码包进行解码。
当车辆恢复出缓存文件的所有原始数据包后，则向当前提供服务的 路侧单元发送反馈信号。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的喷泉码驱动的多路侧单元协同的缓存方法在具体操作 时，将缓存文件分割后存储于多个路侧单元中，通过喷泉码编码的内容 分发方式，以缓解路侧单元的缓存压力，同时避免用户丢包后造成的反 馈重传负担，解决车辆行驶过程中，路侧单元切换造成的传输间断问题。 与现有的喷泉码编码内容缓存方案相比，本发明中车辆能够在有限的时 间内，以更高的概率获取到所需文件，提高缓存收益。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理 解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发 明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的流程图；
图2为一个路侧单元簇中的路侧单元数目为3时，数据包的放置图；
图3为编码包在形成过程中，路侧单元中存储的数据包状态的马尔 科夫状态转移图；
图4为两种不同的方案接收端获取文件的性能仿真对比图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是， 在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细 说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域 的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了 描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
参考图1，本发明所述的喷泉码驱动的多路侧单元协同的缓存方法 包括以下步骤：
1)确定待缓存文件f，将待缓存文件f分割成长度相等的K个数据 包，考虑将这K个数据包分散存储于目标路侧单元中。
定义路侧单元簇，其中，一簇路侧单元中包含N个连续部署的路侧 单元，即路侧单元集合{1,2,K,N}，一个路侧单元簇中的各路侧单元存储 的数据包之间具有相关性，即路侧单元簇中任意两路侧单元中存储的数 据包部分相同，将该相同部分数据包称为重合数据包，各路侧单元存储 的数据包之间相关度相等，即任意两个路侧单元之间重合的数据包数目 相等，图3为N＝3时数据包的放置情况。
根据等式联合求解获得一个路侧单元簇中路侧单元数目N、路侧单元i上存储的 数据包数目路侧单元i上存储的非重合部分数据包数目路侧 单元i上与路侧单元j上之间重合的数据包数目其中，R为路侧单 元覆盖范围，v为车辆行驶速度，D为归一化后单位时间内路侧单元的 下行编码包数目。各路侧单元不具有特异性，则有将一个路侧单元上 存储的与其他路侧单元上存储的相同数据包统称为重合部分数据包。此 时一个路侧单元上重合部分数据包总数为kover＝(N-1)keach_over，非重合部 分包含的数据数目为knon。
2)为提高用户恢复文件的概率，对待缓存文件f在路侧单元簇上的 放置过程进行设计，完成待缓存文件f在两簇路侧单元上的放置过程。
其中，以一簇路侧单元上内容的放置过程为：
21)非重合数据包的放置
从首个为车辆提供服务的路侧单元开始，沿车辆行驶方向依次为路 侧单元分配knon个数据包，其中，各数据包之间相互独立，重复N次， 直至N个路侧单元上的非重合数据包放置完成为止。
22)重合数据包放置
将所有重合数据包分为份，其中，每份包含keach_over个数据包， 当分配过程中存在数量不足时，则从已分配的非重合数据包中随机选择 进行补充，从N个路侧单元中随机选出两个路侧单元作为一个路侧单元 组合，再为该路侧单元组合分配一组重叠数目包组，重复该选择及分配 过程次，其中，所选路侧单元组合不能与已分配的路侧单元组 合重合，直至所有重合数据包分配完毕为止，此时路侧单元簇中各路侧 单元上均存储了(N-1)keach_over个重合数据包以及knon个非重合数据包。
3)基于喷泉码编码的内容分发能够有效应对信道丢包，车辆无需进 行丢包信息反馈，当路侧单元接收到车辆对待缓存文件f的请求时，路 侧单元对其存储的数据包进行喷泉码编码，以形成编码包，然后再进行 发送，生成编码包时，选择各部分数据包的概率是不同的；
编码包生成过程为：根据鲁棒孤子度分布函数，生成一个编码包的 度为d，编码包度d的物理意义为：该编码包由d个数据包构成。从路 侧单元的存储空间中选择d个不重复数据包并按位进行异或操作。在选 择第l个选择数据包时，当前路侧单元中剩余重合部分数据包数目为剩余非重合部分数据包数目为重合部分中每一个数据包被选 择的概率为非重合部分中每个数据包被选中的概率为 按照给定概率选择一个数据包。若选中重合部分中的数 据包，若选中非重合部分中的数据包，则 其中表示首次选择数据包时路侧单元 中各部分数据包数目的情况；Pover，Pnon为数据包初始选择概率，满足在当前这一个编码包生成的过程中，已被选中的数据 包不会再被选中。更新l＝l+1，重复数据包选择过程，直至d个数据包选 择完毕后。对d个数据包进行按位异或操作，并与编码信息组合形成喷 泉码编码包。
路侧单元在内容分发阶段，将编码包源源不断地发送给目的用户， 直至用户驶离其覆盖范围或收到用户恢复文件成功的反馈信息为止。
4)当内容请求车辆收到路侧单元的编码包时，则通过置信传播算法 进行解码，直至恢复出所需的文件，然后向提供服务的路侧单元发送反 馈信号。
下面以N＝3为例，对步骤3)中的数据包不等概选择算法进行说明：
将编码包的生成过程进行拆解，一次编码包生成时，路侧单元上存 储的每一个数据包只能被选择一次，设路侧单元1中存储个与路侧单 元2重合的数据包，记作重合部分1，路侧单元1中存储个与路侧单 元3重合的数据包，记作重合部分2，knon个独有的数据包，记作非重合 部分。由于任意两个路侧单元之间重合的数据包数目相同，因此，各重合部分之间等价，将各重合部分数据包看作一个整体，重新记作重合部 分，重合部分数据包总数为kover，满足对重合部分中 各个数据包的选取是完全等概率的。在一个编码包生成过程中，首次选 择数据包时，重合部分中每一个数据包被选中的概率为Pover，其中每一 个数据包被选中的概率为Pnon。数据包的状态变化过程就可以建模成二元 马尔可夫过程。通过二元组(nα,nβ)描述数据包的状态，其中，nα、nβ分 别表示在选取i(0≤i≤d)个数据包后，重合部分中已被选取的数据包 数目，非重合部分中已被选取的数据包分组数，同时满足 nα≤kover,nβ≤knon,nα+nβ＝i。类似的，设(nα+1,nβ)表示下一次选取数据包 时选到一个重合数据包，(nα,nβ+1)表示选到了一个非重合数据包。
数据包的状态由(nα,nβ)转移到(nα+1,nβ)的概率为 (kover-nα)Pover/[(kover-nα)Pover+(knon-nβ)Pnon]，转移到(nα,nβ+1)的概率为 (knon-nβ)Pnon/[(kover-nα)Pover+(knon-nβ)Pnon]。
根据上述分析，可以写出该马尔可夫过程的一步状态转移概率矩阵 P，计算该矩阵P的d次幂，以获得其d步转移概率矩阵Pd。
设该马尔可夫链共有M个状态，状态序列为{1,2,K,M}，其一步状 态转移概率矩阵表示为：
其中，第i行j列的元素表示从状态i经过一步转移到状态j的概 率。通过一步状态转移概率矩阵，计算d步状态转移矩阵Pd，Pd中的第 i行j列元素表示从状态i经过d步转移到状态j的概率。
另外，本发明仅关注矩阵Pd中第一行中最后的几个元素，即从路侧 单元存储的数据包中选择d个数据包的所有可能组合的概率。当生成一 个编码包时，数据包状态由(0,0)转移到(n,,d-n)，其中， n∈[max{0,d-knon},min{d,kover}]。因此，当已知数据包状态为(n,d-n)时， 重合部分数据包中某数据包被选择的概率均为非重合部分中某 数据包被选到的概率为
得到度为d时路侧单元中存储的重合部分数据包中一个数据包被选 中的概率为：
同理，当编码包的度为d时，路侧单元中存储的非重合部分数据包 中一个数据包被选中的概率为：
喷泉码编码过程中使用的度分布函数为μ(d)，因此，在喷泉码生成 过程中，一个路侧单元中存储的重合部分数据包被选中的平均概率为：
同理，非重合部分数据包被选中的平均概率为：
由于重合部分的数据包均被缓存了两次，则需要使得一个路侧单元 中存储的非重合数据包在接收端出现的概率2倍于重合数据包在接收端 出现的概率，使得原始各数据包在接收端出现的概率相等，从而保证解 码的有效性和高效性。
因此得到如下方程组：
通过蒙特卡洛仿真法，获得近似满足上述方程组的Pover和Pnon解，将 这一概率求解结果代入到步骤3中进行数据包选择。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非 对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域 的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改 或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换， 其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。