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申请/专利权人：重庆大学

摘要：本发明涉及一种基于最大化吞吐量的基站内容缓存与协作内容预取方法，属于高铁通信技术领域。该方法包括：S1：构建联合考虑多普勒效应和自由空间损耗的高铁通信模型，包括HSR系统模型、基于文件流行分布缓存模型和系统运动模型；S2：构建缓存放置优化问题，即构建目标函数：以最小化用户请求延时为优化目标；S3：将优化问题拆分为基站缓存优化和用户缓存优化两部分，即将目标函数拆分为最大化基站实际可提供网络吞吐量和基站缓存约束下最大化用户缓存两个子函数，并对两个子函数分别求解。本发明能有效降低系统平均延时提高文件命中率、基站实际吞吐量，并且能显著节约缓存空间。

主权项：1.一种基于最大化吞吐量的基站内容缓存与协作内容预取方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：S1：构建联合考虑多普勒效应和自由空间损耗的高铁通信模型，包括高速铁路high-speedrailway,HSR系统模型、基于文件流行分布缓存模型和系统运动模型；步骤S1中，构建的HSR系统模型是指高铁运行途中，基站通过内容缓存、内容预取响应用户请求的系统，由1个宏基站、b个轨道基站及列车组成；为了减缓通信信号穿透损耗问题，在列车顶端部署一个移动中继MR用来收集K个用户请求，并将其转发给轨道基站；宏基站包含所有用户所请求文件F＝{1,…,f,…,F}，假设文件大小相同，均为Qbit，请求概率服从zipf分布，利用MDS编码将文件f均分为N段；基站、用户均具有一定的缓存能力，缓存空间分别表示为SS1＝{S1,…,Si,…,Sb}、SS2＝{S1,…,Sk,…,SK}，其中Si表示第i个轨道基站的缓存空间，Sk表示第k个用户的缓存空间；基站之间，用户之间缓存相互独立，用户缓存在基站之后，不与基站缓存相同文件段；构建的基于文件流行分布缓存模型，包括：用户请求内容时：首先，查找自身缓存库，已缓存内容直接响应；否则用户将请求兴趣包聚合到MR，由MR转发用户请求到轨道基站；轨道基站接收用户请求兴趣包后，检查本地缓存；如果兴趣包对应内容已存在本地，轨道基站直接将用户请求内容回馈给MR，由MR转发给对应用户；否则，轨道基站转发请求兴趣包给宏基站M，轨道基站通过回程链路下载用户请求内容交给MR；构建的系统运动模型，具体包括：给定列车移动速度v和时间t，列车行驶距离为st＝v*t，给定基站与列车轨道距离为d，第i个基站覆盖范围为Di，则基站i与列车连接范围为t时刻列车在基站i覆盖区域相对行驶距离为列车与基站的距离为列车相对基站高速移动，产生多普勒频移fDt： 其中，f'表示基站工作频率，c表示光速；表示列车运行方向与基站之间的夹角，则基站实际工作频率为fi't＝f'-fDt；轨道基站给用户提供的速率Rit为：Rit＝Blog1+SNRit5其中，B是信道带宽，SNRit表示t时刻用户信噪比；S2：构建缓存放置优化问题，即构建目标函数：以最小化用户请求延时为优化目标，具体包括：首先构建基于系统延时最小化的缓存放置问题：定义为轨道基站缓存策略C1的一个元素；如果则表示文件f的第n段在轨道基站i的缓存库中，否则，轨道基站i中未缓存该段；同理，用户缓存策略C2的元素表示用户k对文件f第n段缓存情况；当则表示文件f的第n段已缓存在用户k本地，否则，用户k中未缓存文件该段；初始缓存下，用户、轨道基站在各自缓存空间约束下，独立按照文件zipf分布进行内容缓存；当用户请求文件f时，一旦轨道基站中有关文件f的所有资源全部传输给用户后，用户仍然处于当前基站覆盖区域，轨道基站需向宏基站请求相关内容；整个过程中如果无线链路速率Ri大于回程链路速率Rm，则文件实际传输速率会从Ri降低到Rm，否则，用户全程以速率Ri接收文件；利用轨道基站能提供速率平均值求解缓存： 轨道基站i可为文件f提供实际网络吞吐量表示为： 其中，表示轨道基站i预取与缓存数据总和，RiΔT表示轨道基站最大可提供网络吞吐量；表示用户在轨道基站i覆盖区域逗留时间；表示轨道基站i缓存文件f的数据大小；定义用户请求服务速率为rq，宏基站提供服务速率Rm；则整个系统总时延即优化问题表示为： 其中，A1表示请求文件f在基站上造成的总时延，A2表示用户通过缓存f文件段弥补的时延；则请求文件f的时延表示为tf＝A2-A1；qf表示用户请求文件f的概率；S3：将优化问题拆分为基站缓存优化和用户缓存优化两部分，即将目标函数拆分为最大化基站实际可提供网络吞吐量和基站缓存约束下最大化用户缓存两个子函数，并对两个子函数分别求解；基站缓存优化部分：通过优化基站缓存策略让轨道基站为其覆盖范围内连接的终端用户提供最大网络吞吐量，具体通过以下OP1函数优化： 约束条件为： 其中，st1是轨道基站缓存空间约束，st2是轨道基站缓存放置二进制选择，st3表示轨道基站i缓存文件f的数据大小；用户缓存优化部分：让用户在不重复缓存轨道基站已缓存文件段的前提下最大化用户缓存数据，使用户缓存补偿时延最大，具体通过以下OP2函数优化： 约束条件为： 其中，st1是用户缓存空间约束，st2是文件多样性下轨道基站缓存约束，st3表示用户k对文件f第n段的布尔缓存决策，st4表示用户k对文件f缓存数据。

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百度查询： 重庆大学 基于最大化吞吐量的基站内容缓存与协作内容预取方法