車聯網下基於噴泉碼的異構節點協作緩存方法與流程
2023-06-09 11:10:31
本發明涉及車聯網環境下一種基於噴泉碼的異構節點之間的協作緩存方法，能夠降低延遲和網絡擁塞，提高系統吞吐量。
背景技術：
：隨著網際網路技術和信息與通信技術的不斷發展，車聯網(InternetofVehicles)技術在近兩年也迅速發展。車聯網是以車內網、車際網和車載移動網際網路為基礎，按照約定的通信協議和數據交互標準，在車-X(X：車、路、行人及網際網路等)之間，進行無線通訊和信息交換的大系統網絡，是能夠實現智能化交通管理、智能動態信息服務和車輛智能化控制的一體化網絡。隨著近幾年車聯網的快速發展，越來越多的車載終端(Vehiclesterminal)也能夠接入到網際網路中，因此給整個的移動網際網路帶來了極大的挑戰。尤其隨著行駛中的移動用戶對視頻等文件的大量需求，更是給網絡帶來了很大的數據延遲、網絡擁塞以及巨大的流量壓力。為了解決上述問題，傳統的方法有:增大帶寬，增建沿路基站以及微蜂窩的數量。雖然傳統的方法在一定程度上能夠降低網絡延遲，增大網絡流量，但由於頻譜資源的短缺，增建基站和微蜂窩帶來巨大的成本壓力，使得傳統方法達到了一定的極限。因此，可以採用緩存和編碼技術進行數據緩存並傳輸，尤其考慮到行駛中的移動用戶的位置的不斷改變的特性，採用噴泉碼與緩存相結合的技術，在沿途中的小基站、道路基礎設施(如路燈，站牌，指示牌等)進行存儲流行程度高的文件，行駛在高速路中的車輛，只要在沿途基礎設施中能夠接收到足夠多(即文件塊的數量只要大於分塊前初始文件的數量)經過噴泉碼編碼後的數據文件塊，移動用戶(車輛)就能夠恢復原文件，從而大大降低了網絡擁塞和網絡負載，急劇提升了系統容量。因此，將噴泉編碼結合緩存技術存儲到小基站和道路基礎設施上會有很大的發展前景。技術實現要素：本發明的目的是為了解決上述問題，降低網絡負載，提高車聯網的數據傳輸效率，提出車聯網下基於噴泉碼的異構節點協作緩存方法，在保證車輛在通信質量(QoS)的前提下，設計一種基於噴泉編碼的緩存，在異構節點之間的協作緩存方法，以一種低延遲、高吞吐量的通信方式，大大降低網絡擁塞，避免在受限的容量回程連接中出現瓶頸等問題。車聯網環境下一種基於噴泉編碼的異構節點之間的協作緩存方法，主要包括以下幾個步驟：步驟1：建立車聯網環境下車與基站、道路基礎設施之間的緩存模型；步驟2：基於Zipf算法，得到所有視頻文件的流行程度分布；步驟3：將每個受歡迎的視頻文件按照噴泉編碼的規則進行編碼分組，平均緩存到小基站和基礎設施中；步驟4：計算所有車輛用戶u從小基站和道路基礎設施中獲得所有的請求視頻文件的下載時間。本發明的優點在於：(1)車聯網是一個近兩年提出的新概念，能夠充分利用網際網路技術、計算機技術和通信技術。在車聯網方面研究緩存的分配，是一個新的領域的拓展；(2)傳統的編碼，是在標準文件傳輸協議編碼時把簡單的文件分成K個數據包，進行重複傳輸直到每個數據包都被無差錯的收到，同時採用反饋信道告知哪些數據包需要重新傳輸，佔據有限的頻譜鏈路資源。而噴泉編碼是一種與碼率無關的無需反饋信道的隨機編碼方式，是對文件的隨機編碼過程，可以產生半無限長編碼序列，只要接收端接收到任意N個(N稍微比K大一點)數據包，就能恢復源文件，對解決網絡擁塞及廣播通信「反饋破裂」問題和車聯網通信具有很大的應用前景；(3)現有的編碼緩存方法，需要接收者對發送者做出應答，佔用了有限的頻譜鏈路，而噴泉編碼無需做出應答，只要移動的車輛從小的基站或者基礎設施接收到一定數量的編碼分組，就能夠恢復源文件，保證了可靠的通信傳輸。附圖說明圖1是本發明的方法流程圖；圖2是本發明的是實施仿真場景。具體實施方式下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。本發明是在車聯網環境下一種基於噴泉編碼的異構節點之間的協作緩存方法，如圖1所示，包括以下幾個步驟：步驟1：車聯網環境下，移動車輛用戶，基站以及基礎設施的基本模型。如圖2所示，在車聯網環境下，一組移動車輛用戶U,任意一個移動用戶車輛u，其中u∈U＝{1,2,...,U}，一個宏基站BS(BaseStation)，一組小基站sbs(smallBaseStation),用集合表示,其中N表示小基站集合中的數量，沿途道路基礎設施，用集合表示，其中M表示基礎設施的數量，用戶隨機請求的一組視頻文件集合F＝{1,2,...F,，其中每個視頻文件f∈F都有相同的大小Sfbits。其中宏基站BS有足夠大的緩存容量來儲存所有的文件，每個小基站sBS和道路基礎設施緩存容量相同，能夠最多緩存Cbits的數據，每個移動車輛都能夠從BS或者小基站以及道路基礎設施中獲得服務，如果一個移動用戶車輛不能夠從服務他的小基站或者道路基礎設施中獲得想要的視頻內容，就會從宏基站BS獲得，這也是為了能夠使得移動車輛的請求總能夠獲得服務。顯然，從小基站或者道路基礎設施下載內容的時間會比從大基站BS下載的時間短很多，並能夠有效減小鏈路負載。步驟2：基於請求文件的分布服從齊普夫Zipf分布，按照流行程度由高到低進行排序，選取前50％的文件:移動用戶請求文件的流行程度符合Zipf分布，即：其中，1≤i≤F其中：fi是視頻文件受歡迎程度的概率，即在所有請求文件中所佔的概率，γ表示請求文件的相對流行程度的分布，γ越大，請求就越集中在流行程度高的文件中。根據請求視頻文件的流行程度分布，用集合Ω表示，Ω＝{f1,f2,...,fF}，選取視頻文件中前50％的流行程度高的文件ΩF/2＝{f1,f2,...,fF/2}進行編碼緩存。步驟3:利用噴泉碼，將選取受歡迎的視頻文件平均緩存到小基站和道路基礎設施中：噴泉編碼的編碼方式遵從如下法則：每個源文件等大小的分為K個碼元，即表示為s1,s2,…sK，經過噴泉碼編碼產生的碼元tn是從s1,s2,…sK中隨機dn個相互異或而得到，其中源文件進行異或的個數dn，稱之為度，而度服從一個概率分布ρ(d)，本發明採用理想情況下也是最常用的度概率分布：ρ(d)=1Kd=1;1d(d-1)d=2,3,...,K;]]>顯然，ρ的選擇依賴於源文件的碼元個數K，所有的選擇都是隨機的，其中dn表示參與編碼的sk的個數，輸出的碼元tn是有任意的dn個sk異或而得。度只是決定了編碼有幾個sk異或而成，但並沒有確定是哪幾個sk異或，而sk的選取也是由隨機的源文件s1,s2,…sK序列中隨機的選取兩個進行異或得到編碼分組tn。只要接收者，也就是文章中的移動用戶車輛收到任意K個以上的tn，就能夠恢復源文件。根據視頻文件的流行程度分布和步驟2中選取的文件集合，ΩF/2＝{f1,f2,...,fF/2}，將選出的受歡迎的每個視頻文件f分成K塊，按照噴泉碼的編碼規則，將根據度的分布，隨機選擇進行異或，編碼後每個視頻文件f都會得到L個編碼分組tn(f)，(tn(f)表示文件f經過編碼後得到的分組)，其中L是每個視頻文件編碼後得到的總的分組個數，根據小基站和道路基礎設施的數量，平均分配每個視頻文件的編碼分組：l=LM+N]]>其中：l表示平均緩存到每個小基站和基礎設施中編碼分組的數量，方便起見L是M+N的整數倍，M是小基站的數量，N是道路基礎設施的數量，注意，每個小基站和基礎設施中緩存的視頻數據大小不能超過其容量大小Cbits。步驟4：行駛中的移動車輛發出請求的文件後，沿路的小基站以及道路基礎設施首先查看本地緩存中有沒有緩存該請求的文件，若有，則緩存命中並將該數據發送給車輛，行駛中的車輛只要從沿途小基站和基礎設施接收到任意K個編碼後的文件即可恢復出源文件，否則，將該請求發送給宏基站，宏基站再將該請求的文件發送給請求的車輛。當前第1頁1 2 3