一种基于车载网络的内容缓存方法及装置与流程

1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于车载网络的内容缓 存方法及装置。


背景技术：

2.目前，无线通信系统已经从局限于提供低数据速率(如语音电话 和文本消息)，转变为提供可靠的高数据速率服务，特别是视频内容。 现如今车辆数目的增加以及车联网技术的发展，未来车辆对海量数据 的需求只会增加，而视频内容尺寸大，车辆直接从基站进行下载热点 视频(如路况高清地图等)会导致回程链路的压力增大，导致网络拥 塞。
3.分布式缓存已被应用在车联网场景中，即通过将流行的内容缓存 到车辆用户中，车辆用户可以直接从附近的车辆用户检索内容，避免 车辆用户重复向基站申请所需内容而导致回程链路压力增加，这可以 显著减少回程流量并提高网络性能。具体来说，将热点内容首先缓存 在车辆用户处，当车辆想要请求某一个内容时，首先向周围的车辆用 户进行请求通过交通工具到交通工具(v2v链路)实现内容共享。
4.为进一步减小车辆缓存内容的尺寸，并提高内容传输的鲁棒性， 可引入编码缓存技术，如(n,k)最大距离可分码(maximum distance separable，mds)编码技术。具体地，首先将内容通过编码得到n片 带有冗余的内容分片，并存储到不同的车辆用户处，以此减小了每个 车辆用户对于一个内容的缓存尺寸，同时，请求车辆只需获得这n片 内容分片中的任意k片即可通过解码获取到原有的内容。
5.当前，尚未涉及针对如何选择内容缓存车辆(ccv)，以使内容 请求车辆(crv)能够成功解码所需的内容，进而制定适当的分布式 缓存策略的记载。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的技术需求，本发明提供一种基于车载网络的 内容缓存方法及装置。
7.一方面，本发明提供一种基于车载网络的内容缓存方法，包括： 接收车载网络中内容请求车辆crv对目标内容的加载请求；以构建 数据分发优化模型；对所述数据分发优化模型进行求解，以确定所述 车载网络中各内容缓存车辆ccv对所述内容分片的缓存策略、crv 向各ccv请求内容分片的传输策略以及通过解码获取目标内容所需 的内容分片数目；运行所述缓存策略，以将所述目标内容编码成n片 内容分片，并将所有的内容分片缓存至各ccv中；运行所述传输策 略，以由所述crv从各ccv加载相应的内容分片，并解码生成所述 目标内容；加载相应的内容分片的总数量为所述内容分片数目。
8.另一方面，本发明还提供一种基于车载网络的内容缓存装置，包 括：信号接收单元，用于接收车载网络中内容请求车辆crv对目标 内容的加载请求；模型构建单元，用于构建数据分发优化模型；逻辑 运算单元，用于对所述数据分发优化模型进行求解，以确定所述车载 网络中各内容缓存车辆ccv对所述内容分片的缓存策略、crv向各 ccv请求内容分片的传输策略以及通过解码获取目标内容所需的内 容分片数目；缓存分发单元，用于运行
所述缓存策略，以将所述目标 内容编码成n片内容分片，并将所有的内容分片缓存至各ccv中； 数据传输单元，用于运行所述传输策略，以由所述crv从各ccv加 载相应的内容分片，并解码生成所述目标内容；加载相应的内容分片 的总数量为所述内容分片数目。
9.另一方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及 存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行 所述程序时实现如上述任一种所述基于车载网络的内容缓存方法的 步骤。
10.另一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上 存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种 所述基于车载网络的内容缓存方法的步骤。
11.本发明提供的基于车载网络的内容缓存方法及装置，考虑对于 crv，选择一定数目的ccv发送内容分片，以使crv能够成功解码 所需的目标内容，同时基于数据分发优化模型选择新的ccv以及协 助ccv恢复受损内容分片的ccv，能最小化内容共享过程中的传输 成本。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见 地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术 人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其他的附图。
13.图1是本发明提供的基于车载网络的内容缓存方法的流程示意 图；
14.图2是本发明提供的全双工中继辅助下的内容分片共享的示意 图；
15.图3是本发明提供的基于匹配理论的内容分片部署的方案示意 图；
16.图4是本发明提供的文件与ccv之间匹配示意图；
17.图5是本发明提供的内容分片传输方案的示意图；
18.图6是本发明提供的ccv恢复内容分片传输决策示意图；
19.图7是ccv与crv传输决策示意图；
20.图8是本发明提供的内容分片恢复传输方案的示意图；
21.图9是本发明提供的基于匹配算法的内容部署与内容传输方案 的示意图；
22.图10是本发明提供的基于车载网络的内容缓存装置的结构示意 图；
23.图11是所有请求用户总传输成本随缓存用户缓存空间的变化示 意图；
24.图12是算法应用不同匹配理论的运行时间随缓存用户缓存空间 的变化示意图；
25.图13为场景中所有请求用户总的传输成本随请求用户数目的变 化示意图；
26.图14为场景中所有请求用户频谱效率随自干扰消除能力的变化 示意图；
27.图15为场景中所有请求用户频谱效率随自干扰消除能力的变化 示意图；
28.图16为采用推导结果与蒙特卡洛方法进行对比的示意图；
29.图17为场景中所有请求用户平均命中率随自干扰消除能力的变 化示意图；
30.图18为相同情况下所有请求用户传输成本随自干扰消除能力的 变化示意图；
31.图19是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
32.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发 明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提 下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.下面结合图1
‑
图19描述本发明实施例所提供的基于车载网络的 内容缓存方法和装置。
34.图1是本发明提供的基于车载网络的内容缓存方法的流程示意 图，如图1所示，包括但不限于以下步骤：步骤101：基站接收车载 网络中内容请求车辆crv对目标内容的加载请求；步骤102：以最 小化传输成本为目标构建数据分发优化模型；所述传输成本为crv 接收到所述目标内容相关的所有内容分片所需要的传输成本；步骤 103：对所述数据分发优化模型进行求解，以确定所述车载网络中各 内容缓存车辆ccv对所述内容分片的缓存策略、crv向各ccv请 求内容分片的传输策略以及通过解码获取目标内容所需的内容分片 数目；步骤104：基站运行所述缓存策略，以将所述目标内容编码成 n片内容分片，并将所有的内容分片缓存至各ccv中；步骤105：基 站运行所述传输策略，以由所述crv从各ccv加载相应的内容分片， 并解码生成所述目标内容；加载相应的内容分片的总数量为所述内容 分片数目。
35.本发明提供的基于车载网络的内容缓存方法，主要用于解决在车 联网场景中，利用编码缓存技术对内容进行传输的过程，对内容缓存 部署与传输进行联合优化的问题。
36.具体来说，运行在车载网络中的任一内容请求车辆crv(以下 简称目标crv)需要加载目标内容时，首先向其所属的基站发送对 目标内容的加载请求。
37.通过引入编码缓存技术，如(n,k)mds编码技术，对需要加载的 目标内容经过纠删码编码后，生成n片内容分片，目标crv作为一 个请求节点，只需要从同一车载网络中的其它内容缓存车辆ccv中 获取到n片内容分片中的其中k片，即可恢复完整的内容。内容缓存 车辆ccv是指用于分布式缓存内容分片的车辆。本发明通过采用编 码缓存技术，采用冗余编码的方式在保证了内容传输鲁棒性的同时提 升了缓存节点的存储空间利用效率。
38.在步骤102中，基站在接收到目标crv发送的对目标内容的加 载请求之后，以最小化所有crv成功收到所有目标内容的内容分片 所需传输成本为目标，对车载网络中的数据分发情况进行建模，构建 数据分发优化模型。
39.在步骤103中，通过数据分发优化模型的约束对其进行求解，获 取到车载网络中各内容缓存车辆ccv对所述内容分片的缓存策略、 crv向各ccv请求内容分片的传输策略以及通过解码获取目标内容 所需的内容分片数目。
40.在步骤104中，则根据传输策略将目标crv所需要下载的目标 内容编码成n片内容分片，并将编码的n片内容分片实时缓存至车载 网络中的crv周围的各ccv中。
41.在步骤105中，目标crv从周围的ccv加载相应的内容分片， 并解码生成所述目标内容。由于采用了编码缓存技术其加载的内容分 片的数量仅仅是所有n片内容分片中的k片即可。
42.本发明提供的基于车载网络的内容缓存方法，考虑对于crv， 选择一定数目的ccv发送内容分片，以使crv能够成功解码所需的 目标内容，同时基于数据分发优化模型选择
新的ccv以及协助ccv 恢复受损内容分片的ccv，能最小化内容共享过程中的传输成本。
43.基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，步骤102中所述 的构建数据分发优化模型，包括：
44.以最小化传输成本为目标构建所述数据分发优化模型；所述传输 成本为crv接收到所述目标内容相关的所有内容分片所需要的传输 成本；所述数据分发优化模型的约束条件包括：目标内容被缓存的内 容分片数量、每个ccv最多能缓存内容分片的数量、crv从ccv 处接收内容分片时的信噪比、指向crv的ccv数量、ccv在修复 受损的内容分片时从其他ccv处获取内容分片的方式、在修复内容 分片时所需要的内容分片的数量、crv从基站处接收完整内容时的 信噪比、crv获得目标内容的方式。
45.为充分的说明本发明提供的基于车载网络的内容缓存方法，本发 明以以下场景为例进行说明：
46.一)、关于场景的设置：
47.假设场景中存在n辆内容请求车辆crv(即需要进行目标内容 下载的车辆)，m辆内容ccv(即用于分布式存储内容分片的车辆)。 假设路边单元存有场景中crv所需的目标内容，并且将目标内容分 成k片，然后通过纠删编码技术对每个内容进行冗余编码得到n片内 容分片。路边单元会将内容分片下发至各ccv处，当crv请求目标 内容时，周围的ccv处会将各自所拥有的相关内容分片分享给该 crv。若crv收到相关内容的内容分片k片，则可以恢复成所需要 的目标内容。
48.作为一种可选地实施例，在crv请求目标内容时，并接收周围 的ccv所提供的k片内容分片后，若其中的至少一个内容分片出现 数据丢失或者损坏，导致不能正常生成所述目标内容的情况下，基站 会将crv所请求的完整内容发送给请求车辆。
49.特别地，由于车辆缓存空间有限，无法存储所有的流行内容的内 容分片，因而合理设计缓存策略十分关键。同时，若有某个内容分片 损坏或丢失，也可以通过获取一定数目的内容分片对损坏或丢失的内 容分片进行修复。当前的许多研究工作只考虑了缓存部署这一问题， 并未考虑内容分片失效或损坏时的情况。为此本发明立足于全双工中 继辅助下的车载缓存网络，将考虑内容分片损坏或者失效时，对内容 缓存部署与传输进行协同优化。
50.可选地，在本发明提供的基于车载网络的内容缓存方法中，ccv 均工作在全双工中继模式，当crv从ccv处获取内容分片时，可以 通过两跳链路进行传输，同时考虑ccv使用全双工技术，即其他ccv 可以充当全双工中继，将crv所需内容分片转发给crv。
51.图2是本发明提供的全双工中继辅助下的内容分片共享的示意 图，如图2所示，若是提前缓存了某个内容分片的ccv驶离此场景， 导致其缓存的内容分片丢失，则可以选择一个新的ccv继续提供这 一部分内容分片。当有d个缓存目标内容相关的内容分片的ccv将 相关内容分片发送给新的ccv，则新的ccv可以将丢失的内容分片 修复好并缓存在本身的内存中。
52.本发明提供的基于车载网络的内容缓存，充分考虑如何将目标内 容分片缓存在各ccv中：
53.假设目标内容被等分为n片内容分片，其中每个内容分片只能存 在一辆ccv中，一辆ccv最多可以存储s片内容分片，为了保证存 储内容的多样性，每辆ccv最多只能存储每
个目标内容的任意一片 内容分片。
54.若crv请求到相关内容的内容分片k片，则可以恢复成所需要 的内容，否则基站会将crv所请求的完整内容发送给crv。
55.其中，将所有ccv设置工作在全双工模式，当ccv发送内容分 片给crv时，可以选择通过v2v一跳链路发送，或者通过两跳链路 选择其他ccv作为中继将分片发送给目标车辆。
56.另外，假设场景中存在一个热点区域，热点区域中存在f个热点 文件，记为集合中的文件的流行度服从zipf分 布，且在集合中根据流行度降序排序，即第f个文件要比第f 1文件 更加流行，则第f个文件被crv请求的概率为：
[0057][0058]
其中，热点区域中存在f个热点文件，记为记为中的文件的流行度服从zipf分布，且根据流行度降序排序；∈为 zipf分布参数；i为中间参数。
[0059]
如图2所示，假设场景中存在一个热点区域，热点区域中存在f 个热点文件，记为集合中的文件的流行度服从 zipf分布，且在集合中根据流行度降序排序，即第f个文件要比第f 1 文件更加流行，则第f个文件被crv请求的概率为公式(1)所示。
[0060]
具体地，基站可以根据上述请求概率，在存在有多个crv进行 目标内容加载的情况下(即接收到多个加载请求时)，对目标内容的 缓存进行按照请求概率的大小进行排队处理。
[0061]
定义向量a
lf
＝{a
lf,v2v
,a
lf,v2i
}代表第l辆crv获得第f个内容的方式， 其中每一个元素均为一个二元变量，即：
[0062]
二元变量a
lf,v2v
∈{0,1}代表第l辆crv是否通过v2v方式从周围 ccv获取内容分片从而解码得到完整的第f个内容，若第l辆crv通 过v2v方式从周围ccv获取内容分片从而解码得到完整的第f个内 容，则a
lf,v2v
＝1，否则a
lf,v2v
＝0。此时，此crv需要从k辆ccv处获 取第f个内容的内容分片，以此才能成功解码获取到第f个内容。
[0063]
二元变量a
lf,v2i
∈{0,1}代表第l辆crv是否通过v2i方式从基站直 接获取第f个内容的完整内容，若第l辆crv通过v2i方式从基站直 接获取第f个内容的完整内容，则a
lf,v2i
＝1，否则a
lf,v2i
＝0，此时crv 从基站处获取的为第f个内容的完整内容，不需要解码。
[0064]
需要说明的是，a
lf,v2v
及a
lf,v2i
满足a
lf,v2v
a
lf,v2i
＝1，代表第l辆crv 只能通过一种方式获取第f个内容。将内容部署至ccv处后，当有 crv申请被部署在ccv上的内容时，此crv通过从周围ccv处获 取此内容，即a
lf,v2v
＝1，否则a
lf,v2v
＝0；若crv申请未被部署在ccv 上的内容时，此crv通过从基站直接获取完整内容，即a
lf,v2i
＝1，否 则a
lf,v2i
＝0。当a
lf,v2v
＝1即第l辆crv选择通过v2v方式从周围ccv 获取内容分片从而解码得到完整的第f个内容时，第l辆crv可以选 择以一跳通信或者两跳通信方式从周围ccv获取内容分片，定义向 量b
lm
＝{b
lm1
,b
lm2
}代表第l辆crv从第m辆ccv处获取内容分片的方式， 其中每一个元素均为一个二元变量，二元变量b
lm1
∈{0,1}代表第l辆 crv是否以一跳链路的通信方式从第m辆ccv处
获取内容分片，若 第l辆crv以一跳链路的通信方式从第m辆ccv处获取内容分片， 则b
lm1
＝1，否则b
lm1
＝0。
[0065]
二元变量b
lm2
∈{0,1}代表第l辆crv是否以两跳链路的通信方式从 第辆ccv处获取内容分片，若第l辆crv以两跳链路的通信方式从 第m辆ccv处获取内容分片，则b
lm2
＝1，否则b
lm2
＝0。
[0066]
需要说明的是b
lm
需满足b
lm1
b
lm2
＝1，即第l辆crv只能选择以一 跳或者两跳链路的通信方式从第m辆ccv处获取内容分片。
[0067]
其中，变量b
lm
＝{b
lm1
,b
lm2
}取值满足以下公式(2)：
[0068][0069]
其中，为第m辆ccv通过一跳传输向第l辆crv发送内容 分片时的遍历速率，r
th
为遍历速率的阈值。
[0070]
综上所述，crv获取完整的目标内容，可能存在两种情况：
[0071]
case 1：crv选择通过v2v通信模式获取内容分片，此种情况 中又分为一跳链路传输和两跳链路传输。
[0072]
具体来说，crv在ccv中选择k辆ccv传输请求内容分片， ccv将内容分片发送给crv可以采取直接发送的方式，也可以利用 全双工中继模式，选择一个中继ccv进行两跳传输。
[0073]
当某一内容缓存车辆的内容失效时，需要选择一个新的内容缓存 车辆，此新的内容缓存车辆需要向d辆其他的缓存了该内容分片的车 辆进行请求，从而修复丢失的内容分片。
[0074]
case 2：crv选择通过v2i通信模式获取完整内容，即crv无 法在ccv处获得所需k个内容分片，则crv从基站处获取完整的内 容。
[0075]
二)关于数据分发优化模型的建立：
[0076]
首先，定义α为路径损耗指数，d
ml
为第m辆ccv与第l辆crv 之间的距离，d
bl
为基站与第l辆crv之间的距离，δ
ml
为第m辆ccv 与第l辆crv之间通信链路的瑞利衰落信道系数，δ
bl
为基站与第l辆 crv之间通信链路的瑞利衰落信道系数。令h
ml
表示第m辆ccv与第 l辆crv之间通信链路的信道增益，h
bl
表示基站与第l辆crv之间通 信链路的信道功率增益，分别可由下式计算得到：
[0077]
h
ml
＝δ
ml
(d
ml
)
‑
α
ꢀꢀꢀ
(3a)
[0078]
h
bl
＝δ
bl
(d
bl
)
‑
α
ꢀꢀꢀ
(3b)
[0079]
记二元变量x
mf
∈{0,1}为ccv缓存内容分片的情况，若第m辆 ccv缓存了第f个内容的内容分片，则x
mf
＝1，否则，x
mf
＝0。由于 每辆ccv只能存储s片内容分片，所以x
mf
＝1，且满足足
[0080]
下面从v2v通信模式(包含一跳通信模式及两跳通信模式)及 v2i通信模式两种情况分析ccv及基站发送内容或者内容分片时所 需成本，其中本发明利用遍历速率对传输成本进行评估，代表求 期望，传输成本与发送内容的能耗和所使用的频谱带宽成正比，表示 为e＝p
·
t
·
w，其中p是发送功率，t是传输时长，w是频谱带宽：
[0081]
(1)在case1(v2v通信模式)的情况下：假设变量p
ml
表示第 m辆ccv给第l辆crv发送内容分片的发送功率，定义为 第m辆ccv给第l辆crv发送内容分片的接收信噪比， 为第m辆ccv给第l辆crv发送内容分片的 数据速率，其中w为带宽大小。假设每个内容的大小为c，则第m辆 ccv给第l辆crv通过一跳链路直接发送内容的传输时延为 则此时所需成本的计算公式为：
[0082][0083]
进一步地，在所有ccv均工作在全双工模式，第m辆ccv给第 l辆crv发送消息时，可以选择另一辆ccv作为中继，由于放大转 发全双工中继会将噪声和残留自干扰同样放大，所以本发明选择使用 解码全双工中继，则中继ccv从第m辆ccv处接收消息的信噪比与 第l辆crv从中继ccv处接收消息的信噪比分别为：
[0084][0085][0086]
其中i是全双工通信时产生的自干扰，则相关传输速率为：
[0087]
r
mr
＝wlog2(1 γ
mr
)
ꢀꢀꢀ
(6a)
[0088]
r
rl
＝wlog2(1 γ
rl
)
ꢀꢀꢀ
(6b)
[0089]
则通过中继传送消息所需要的传输成本为：
[0090][0091]
则通过全双工模式，第l辆crv接收到第m个ccv处的内容分 片的传输成本为：
[0092]
e
ml,case1
＝b
ml1
e
ml,case1(1)
b
ml2
e
ml,case1(2)
,
ꢀꢀꢀ
(8)
[0093]
当有某个ccv处存储的第f个内容的内容分片失效时，若要恢 复内容分片，需要考虑额外的传输成本。
[0094]
假设第m辆ccv处的内容分片为修复后的失效内容分片，则在 修复内容分片之前，此ccv需要d辆已经缓存了此内容的相关内容 分片的车辆的帮助以恢复失效的内容分片，则此ccv通过一跳方式 从其他内容缓存车辆(假设为第h辆ccv，m≠h)处获得内容分片 的时间为：
[0095][0096]
则此过程所需传输成本为：
[0097][0098]
相应地，若第m辆ccv通过两跳方式从第h辆ccv(m≠h)处 获得内容分片，则中继ccv从第h辆ccv处接收消息的信噪比与第 m辆ccv从中继ccv处接收消息的信噪比分别为：
[0099][0100][0101]
则，此时相关的传输速率为：
[0102]
r
hr
＝wlog2(1 γ
hr
)
ꢀꢀꢀ
(12a)
[0103]
r
rm
＝wlog2(1 γ
rm
)
ꢀꢀꢀ
(12b)
[0104]
则第m辆ccv通过两跳方式从第h辆ccv(m≠h)处获得内容 分片所需要的传输成本为：
[0105][0106]
定义向量c
mh
＝{c
mh1
,c
mh2
}代表第m辆ccv从第h辆ccv处获取内 容分片的方式，其中每一个元素均为一个二元变量，二元变量 c
mh1
∈{0,1}代表第m辆ccv是否以一跳链路的通信方式从第h辆ccv 处获取内容分片，若第m辆ccv以一跳链路的通信方式从第h辆ccv 处获取内容分片，则c
mh1
＝1，否则c
mh1
＝0。二元变量c
mh2
∈{0,1}代表第m 辆ccv是否以两跳链路的通信方式从第h辆ccv处获取内容分片， 若第m辆ccv以两跳链路的通信方式从第h辆ccv处获取内容分片， 则c
mh2
＝1，否则c
mh2
＝0，满足c
mh1
c
mh2
＝1，即第m辆ccv只能以一跳 或者两跳链路的通信方式从第h辆ccv处获取内容分片。变量 c
mh
＝{c
mh1
,c
mh2
}的取值满足：
[0107][0108]
定义二元变量y
mh
∈{0,1}代表第h辆ccv是否帮助第m辆ccv恢 复失效内容分片，则
第m辆ccv恢复失效内容分片所需的传输成本 为：
[0109][0110]
需满足即第m辆ccv需从d辆其他的ccv处获 得了内容分片以成功修复受损的内容分片。
[0111]
假设第f个内容的内容分片以等概率在ccv上失效或丢失，即 一共有n片内容分片存储在ccv上，则某一个ccv上的内容分片为 失效或丢失后修复得到的概率为1/n，即第m辆ccv缓存的第f个内 容的内容分片有1/n的概率是通过修复得到的，定义二元变量 z
ml
∈{0,1}代表crv向ccv的请求情况，若第l个crv向第m个ccv 请求内容分片，则z
ml
＝1，否则z
ml
＝0，则第l辆crv通过case 1且包 含修复过程获取第f个内容的传输成本为：
[0112][0113]
此过程需满足即需要有k辆ccv向第l个crv发送 内容分片方能使crv成功解码获得所需完整内容。
[0114]
(2)在case 2(基站发送完整内容)的情况下：第l辆crv需 要从基站处获得内容的信噪比为遍历数据速率为 所需的传输时延为：其中p
bl
表 示基站给第l辆crv发送内容的发送功率。
[0115]
则第l辆crv直接从基站获取完整的第f个内容所需传输成本为：
[0116][0117]
综上所述，第l辆crv若想成功获得第f个内容，可以通过周围 车辆获取，或者从基站直接获取，则第l辆crv成功获得第f个内容 所需的传输成本为：
[0118]
e
lf
＝a
lf,v2v
e
lf,case1
a
lf,v2i
e
lf,case2
ꢀꢀꢀ
(18)
[0119]
记r
n
×
f
代表crv的请求矩阵，根据crv对内容的请求概率，可 得第l辆crv成功接收所需内容所需的传输成本为：
[0120][0121]
综上所述，可以获取以最小化传输成本为目标构建数据分发优化 模型其函数表达式为：
[0122][0123]
所述数据分发优化模型的约束条件为：
[0124][0125][0126][0127][0128][0129][0130][0131][0132][0133]
其中，γ
th
为接收内容分片的信噪比阈值，优化变量x
m
×
f
是由二元 变量x
mf
组成的矩阵，表示ccv缓存内容的情况即缓存决策，优化变 量y
m
×
m
是由二元变量y
ml
所组成的矩阵，表示修复过程中ccv之间 ccv协助修复内容分片的情况，变量z
m
×
n
是由二元变量z
ml
所组成的 矩阵，表示crv选择ccv协助的情况即传输决策。优化变量k是编 码参数，表示通过解码获取完整内容所需的内容分片数目。
[0134]
具体来说，本发明提供的数据分发优化模型的约束条件中：约束 (20a)表示指向每个内容被缓存的内容分片数量为n(由于每个内容只 被分为n片)；约束条件(20b)表示每个ccv由于存储空间限制最 多只能缓存s个内容分片；约束条件(20c)表示crv从ccv处接 收内容分片时的信噪比要大于阈值；约束条件(20d)表示若不从基 站处直接下载完整内容，则指向crv的ccv数量要为k；约束条件 (20e)表示crv只能以一跳或者两跳链路的通信方式从ccv处获 取内容分片；约束条件(20f)表示ccv在修复受损的内容分片时， 只能以一跳或者两跳链路的通信方式从其他ccv处获取内容分片； 约束条件(20g)表示在修复内容分片时，必须接收到d片内容分片； 约束条件(20h)表示crv从基站处接收完整内容时的信噪比要大于 阈值；约束条件(20i)表示crv只能选择v2v或者v2i一种方式 获得第f个内容。
[0135]
三)、对所述数据分发优化模型所涉及的问题进行分解：
[0136]
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，对所述数据分发 优化模型进行求解，以确定所述车载网络中各内容缓存车辆ccv对 所述内容分片的缓存策略、crv向各ccv请求内容分片的传输策略 以及通过解码获取目标内容所需的内容分片数目，包括：
[0137]
基于匹配算法，将对所述数据分发优化模型的求解问题转换成第 一子模型和第
二子模型；所述第一子模型是以内容分发过程中的传输 成本最小化为目标构建的，所述内容分发过程中的传输成本包括crv 通过从ccv处获取内容分片时的一跳链路传输成本和两跳链路传输 成本；所述第二子模型是以内容传输过程中的传输成本最小化为目 标构建的，所述内容传输过程中的传输成本包括crv向缓存了目标 内容相关内容分片的ccv的请求成本、所述缓存了目标内容相关内 容分片的ccv向crv发送内容分片的传输成本，以及修复所述缓存 了目标内容相关内容分片的ccv时的传输成本；基于匈牙利算法， 对所述第一子模型进行求解，以确定所述车载网络中各内容缓存车辆 ccv对所述内容分片的缓存策略；在所述缓存策略与crv请求矩阵 的基础上，对所述第二子模型进行求解，以确定crv向各ccv请求 内容分片的传输策略和ccv恢复内容分片时的恢复策略；在编码参 数k满足1＜k≤n
‑
1的情况下，计算出不同k值时的总的传输成本，并 确定使所述传输成本最小的编码参数k作为内容分片数目。
[0138]
首先，考虑内容部署过程，本发明采用匹配算法对问题进行求解， 通过将ccv与目标内容看为二分图中的两个点集合，考虑场景整体 传输成本的性能，本发明考虑当目标内容f缓存在第i个ccv处时， 能够帮助的所有的crv所消耗的传输成本为连接两个点的边权值， 则边权值为：
[0139][0140]
可得到第一子模型如下：
[0141][0142]
其约束条件为：s.t.,约束条件(20a)～约束条件(20b)。
[0143]
当x～exp(θ)，p为常数时，可以得到：
[0144][0145]
其中，为指数积分函数。
[0146]
假设第m辆ccv与第l辆crv之间的v2v链路信道衰落服从瑞 利分布且均值为λ
v
，定义μ
ml
＝λ
v
d
ml
‑
α
/σ2。可以得到在瑞利衰落时，第m辆ccv与第l辆crv之间的遍历速率分别为：
[0147][0148]
假设基站与第l辆crv之间的通信链路信道衰落服从瑞利分布 且均值为λ
b
，定义μ
bl
＝λ
b
d
bl
‑
α
/σ2。可以得到在瑞利衰落时，基站与第 l辆crv之间的遍历速率分别为：
[0149][0150]
考虑自干扰消除能力服从指数分布，则当选择两跳进行传输时， 假设中继ccv与第m辆ccv以及第l辆crv与中继ccv之间的通 信链路信道衰落服从瑞利分布且均值为λ
mr
、λ
rl
，定义μ
mr
＝λ
mr
d
mr
‑
α
/σ2、 [0151]
假设中继ccv的自干扰消除能力服从指数分布即i～exp(λ
r
)，定 义μ
r
＝λ
r
/σ2。因
此，当x1～exp(α1)，x2～exp(α2)时，可以得到：
[0152][0153][0154][0155]
则中继ccv从第m辆ccv处接收消息的遍历速率与第l辆crv 从中继ccv处接收消息的遍历速率分别为：
[0156][0157][0158]
以此可以通过遍历速率对相关的传输成本进行计算：
[0159]
考虑使尽可能多的crv可以从ccv处获取内容分片，则依次找 出被请求次数最多的文件进行缓存至ccv。考虑每个内容可以分成n 片内容分片，每个ccv只能缓存同一个内容的一片内容分片，此问 题可看为一对多问题，利用f
‑
匹配将此一对多问题转化为一对一问题， 即对每个内容进行额外复制n
‑
1个相同的内容，得到的新的内容集合 和ccv集合之间就是一比一的映射关系。
[0160]
图3是本发明提供的基于匹配理论的内容分片部署的方案示意 图，如图3所示，本发明利用内容分片部署方案(以下称为算法1) 对ccv与内容之间进行匹配，匹配的结果可能会使某个内容连接的 ccv数目小于n，则针对获取到n个ccv的内容与其相应的ccv， 在其中找出提供内容分片时所需传输成本最小的内容，则将此内容缓 存在这些ccv处，同时并对这些ccv的内存s减1。将内容集合中 去掉此内容及其复制体后，将ccv与内容重新计算权值并进行匹配， 重复上述过程直至所有内容全部完成匹配或剩余的ccv内容不足以 缓存内容，以此对优化变量x进行优化。
[0161]
图4是本发明提供的文件与ccv之间匹配示意图，具体过程如 图4所示，并整理至算法1中。其中，算法体输入为ccr集合 crv集合内容集合为crv请求矩阵ccv缓存空间s， 输出为ccv缓存内容情况x，至此完成了对第一子模型的构建及 求解。
[0162]
然后，本发明考虑内容传输过程，以构建第二子模型：本发明采 用匹配算法对问题进行求解，将ccv与crv看为二分图中的两个点 集合，考虑场景整体传输成本的性能，本发明考虑第l个crv向缓存 了所需内容的内容分片的第m个ccv请求，第m个ccv将相关内容 分片发送给此crv所消耗的传输成本为连接两个点的边权值，同时， 考虑此ccv上缓存的内容分片有1/n的概率是通过修复得到的，且修 复过程需要额外的传输成本，则边权值为：
[0163]
[0164]
可得到第二子模型如下：
[0165][0166]
s.t.,约束条件(20c)～约束条件(20g)(29a)
[0167]
图5是本发明提供的内容分片传输方案的示意图，如图5所示， 本发明对于每个crv，根据公式(28)计算此crv与每个缓存了其 所需内容分片的ccv之间的权值；然后，向权值最小的k辆ccv申 请此内容分片。其中在计算权值时要考虑若此ccv所拥有的内容分 片为失效或丢失后恢复所得的情况。
[0168]
图6是本发明提供的ccv恢复内容分片传输决策示意图，图7 是ccv与crv传输决策示意图，结合图6
‑
图7所示的内容，本发明 通过计算此ccv从其他d辆ccv进行接收内容分片时的传输成本， 以此完成对优化变量y及z的优化。
[0169]
图8是本发明提供的内容分片恢复传输方案的示意图，本发明采 用图7所示的算法2所记载的内容分片传输方案以及如图8所示的内 容分片恢复传输方案(以下称为算法3)，分别计算ccv传输策略z 和ccv恢复内容分片的策略y。其中，算法体输入为ccr集合 crv集合crv请求矩阵ccv缓存内容情况x，输出为ccv 传输策略z，ccv恢复内容分片的策略y。
[0170]
四)关于上述问题的求解：
[0171]
图9是本发明提供的基于匹配算法的内容部署与内容传输方案 的示意图，如图9所示，本发明首先基于算法1利用f
‑
匹配与一对一 匹配对公式(22)进行求解，得到ccv对于内容分片的缓存策略x； 然后。在缓存策略x与crv请求矩阵的基础上对公式(29)进行 求解，决定crv请求内容时的传输策略z以及ccv恢复内容分片时 的传输策略y。基于此，未能够从ccv处接收内容分片的crv将从 基站处接收所需的完整内容。最后，对于编码参数k满足1＜k≤n
‑
1， 本发明对此问题进行循环，计算出不同k值时的总的传输成本，并找 到能够使传输成本最小的编码参数k即为优化所得的k。
[0172]
图10是本发明提供的基于车载网络的内容缓存装置的结构示意 图，如图10所示，主要包括：信号接收单元11、模型构建单元12、 逻辑运算单元13、缓存分发单元14和数据传输单元15，其中：
[0173]
信号接收单元11主要用于接收车载网络中内容请求车辆crv对 目标内容的加载请求；模型构建单元12主要用于构建数据分发优化 模型；所述传输成本为crv接收到所述目标内容相关的所有内容分 片所需要的传输成本；逻辑运算单元13主要用于对所述数据分发优 化模型进行求解，以确定所述车载网络中各内容缓存车辆ccv对所 述内容分片的缓存策略、crv向各ccv请求内容分片的传输策略以 及通过解码获取目标内容所需的内容分片数目；缓存分发单元14主 要用于运行所述缓存策略，以将所述目标内容编码成n片内容分片， 并将所有的内容分片缓存至各ccv中；数据传输单元15主要用于运 行所述传输策略，以由所述crv从各ccv加载相应的内容分片，并 解码生成所述目标内容；加载相应的内容分片的总数量为所述内容分 片数目。
[0174]
本发明提供的基于车载网络的内容缓存装置，考虑对于crv， 选择一定数目的ccv发送内容分片，以使crv能够成功解码所需的 目标内容，同时基于数据分发优化模型选择
新的ccv以及协助ccv 恢复受损内容分片的ccv，能最小化内容共享过程中的传输成本。
[0175]
需要说明的是，本发明实施例提供的基于车载网络的数据分装置， 在具体运行时，可以执行上述任一实施例所述的基于车载网络的数据 分方法，对此本实施例不作赘述。
[0176]
为了充分展示本发明提供的基于车载网络的内容缓存方法及装 置的有益效果。本发明通过实验仿真结果验证了本发明的性能。
[0177]
具体地，在上述图3所示的算法1中，分别采用了gs匹配算法， hk算法、匈牙利算法三种不同的匹配算法进行对比，并用贪婪算法 以及完全从基站获取完整内容作为基准，对于这三个匹配算法基于场 景中的所有车辆用户的总时延、所有车辆用户的平均时延进行对比， 比较不同匹配算法在本章所考虑的场景中的优劣。
[0178]
本次验证过程提供设置车辆间发送内容分片的功率为p
v
＝20dbm， 基站向车辆发送完整内容的功率为p
bs
＝25dbm。请求概率zipf分布参 数取1.5，路径损耗因子为α＝3，高斯白噪声功率为σ2＝
‑
96dbm，设 置当车辆用户工作在全双工模式时，自干扰消除能力均值为λ
r
＝70db。 考虑车道的宽度为20m，考虑的长度为80m，其中考虑车辆大小与车 间的安全距离，考虑每个车中心的位置距离长为8m，宽为5m，基站 位于坐标(40,50)位置，仿真结果与仿真分析如下：
[0179]
图11是所有请求用户总传输成本随缓存用户缓存空间的变化示 意图，其中ccv为20辆，crv为20辆，共有10个热点内容，三 角形线条代表数据分发方法中使用hk匹配算法的情况；空心圆线条 代表数据分发方法中使用gs匹配算法的情况；五角星线条代表的是 数据分发方法中使用匈牙利匹配算法的情况，实心圆线条代表的是所 有请求用户向基站请求完整内容的情况；平滑线条代表的是所提方案 中使用贪婪算法的情况。由图11可知：匈牙利算法相对于gs算法 在传输成本方面平均降低0.8％，相对于hk在算法传输成本方面平 均降低3.9％，相对于贪婪算法在传输成本方面平均降低0.5％，相对 于直接从基站下载内容在传输成本方面平均降低68.5％。
[0180]
图12是算法应用不同匹配理论的运行时间随缓存用户缓存空间 的变化示意图，三角形线条代表本发明所提方案中使用hk匹配算法 的情况，空心圆线条代表所提方案中使用gs匹配算法的情况，五角 星线条代表的是所提方案中使用匈牙利匹配算法的情况，实心圆线条 代表的是所有请求用户向基站请求完整内容的情况，光滑线条代表的 是所提方案中使用贪婪算法的情况。由图12可知：gs匹配算法的运 行时间最短，贪婪算法运行时间最长。在运行时间方面，匈牙利算法 比hk算法高5.9％，比gs算法高12.1％，比贪婪算法低6.5％。而 从图12可知，当缓存空间较小时，匈牙利算法的性能更好，因此本 发明选用匈牙利算法。
[0181]
图13为场景中所有请求用户总的传输成本随请求用户数目的变 化示意图，三角形线条代表本发明所提方案中使用hk匹配算法的情 况，空心圆线条代表所提方案中使用gs匹配算法的情况，五角星线 条代表的是所提方案中使用匈牙利匹配算法的情况，实心圆线条代表 的是所有请求用户向基站请求完整内容的情况，光滑线条代表的是所 提方案中使用贪婪算法的情况。由图13可知：从基站下发完整内容 所需传输成本最多，因此当利用编码缓存技术时，性能会改善。匈牙 利算法相对于gs算法在传输成本方面平均降低0.9％，相对于hk在 算法传输成本方面平均降低4.9％，相对于贪婪算法在传输成本方面 平均降
低0.6％，相对于直接从基站下载内容在传输成本方面平均降 低67.9％。
[0182]
同时，为了比较全双工对于半双工的优势，本发明通过仿真对比 全双工与半双工的频谱效率。为了比较考虑恢复失效内容分片对于不 恢复失效内容分片的优势，可以通过仿真对比是否恢复失效内容分片 的频谱效率及命中率。其中，频谱效率为总的遍历速率与总频谱带宽 之间的比值，以此可以求场景中频谱效率。
[0183]
图14为场景中所有请求用户频谱效率随自干扰消除能力的变化 示意图，实线代表使用全双工技术的情况，虚线代表的是使用半双工 技术的情况，其中五角星线条为车辆发射功率为p
v
＝20dbm的情况， 三角形线条为实线为车辆发射功率为p
v
＝22dbm的情况。使用全双工 技术时，当自干扰消除能力提升，中继车辆受到的自干扰减小，数据 速率会增加，从而使频谱效率增加，因此使用全双工技术时，频谱效 率随着自干扰消除能力的增加而上升。
[0184]
图15为场景中所有请求用户频谱效率随自干扰消除能力的变化 示意图，五角星实线代表使用全双工技术并且对损坏或者丢失的内容 分片进行修复的情况，三角形实线代表的是使用全双工技术并且没有 对损坏或者丢失的内容分片进行修复的情况，五角星虚线代表使用半 双工技术并且对损坏或者丢失的内容分片进行修复的情况，三角形虚 线代表的是使用半双工技术并且没有对损坏或者丢失的内容分片进 行修复的情况。由图15可知：使用全双工技术时，当自干扰消除能 力提升，中继车辆受到的自干扰减小，数据速率会增加，从而使频谱 效率增加，因此使用全双工技术时，频谱效率随着自干扰消除能力的 增加而上升。
[0185]
图16为采用推导结果与蒙特卡洛方法进行对比的示意图，如图 16所示，充分表明本发明推导得到的命中率公式为正确的。以此以 求解场景总的命中率。
[0186]
图17为场景中所有请求用户平均命中率随自干扰消除能力的变 化示意图，由图17可知：使用全双工技术时，当自干扰消除能力提 升，中继车辆受到的自干扰减小，数据速率会增加，从而使命中率提 升，因此使用全双工技术时，命中率随着自干扰消除能力的增加而上 升。同时，在没有对损坏或者丢失的内容分片进行修复时，命中率是 根据内容分片失效概率计算的均值情况，若没有对损坏或者丢失的内 容分片进行修复，在选择接收内容分片时，可能会没办法从链路情况 较好的ccv处接收内容分片，从而命中率的均值会降低，因此命中 率相比于对内容分片进行修复的情况会较差。
[0187]
图18为相同情况下所有请求用户传输成本随自干扰消除能力的 变化示意图，使用全双工技术时，当自干扰消除能力提升，中继车辆 受到的自干扰减小，数据速率会增加，从而使传输成本下降，因此使 用全双工技术时，传输成本随着自干扰消除能力的增加而上升。由图 18可知：虽然在传输成本方面，半双工要优于全双工，在没有对损 坏或者丢失的内容分片进行修复时，传输成本是根据内容分片失效概 率计算的均值情况，若没有对损坏或者丢失的内容分片进行修复，在 选择接收内容分片时，可能会没办法从链路情况较好的ccv处接收 内容分片。但若对失效分片进行修复，则需要额外的传输成本对内容 分片进行传输，对分片进行修复的额外传输成本对总传输成本的影响 要大于从链路情况较差的ccv处接收内容分片的传输成本的影响， 从而对失效分片进行修复的传输成本要比不对失效分片进行修复的 传输成本高。
[0188]
图19是本发明提供的电子设备的结构示意图，如图19所示，该 电子设备可以包
括：处理器(processor)910、通信接口(communicationsinterface)920、存储器(memory)930和通信总线940，其中，处理 器910，通信接口920，存储器930通过通信总线940完成相互间的 通信。处理器910可以调用存储器930中的逻辑指令，以执行基于车 载网络的内容缓存方法，该方法包括：接收车载网络中内容请求车辆 crv对目标内容的加载请求；构建数据分发优化模型；对所述数据 分发优化模型进行求解，以确定所述车载网络中各内容缓存车辆ccv 对所述内容分片的缓存策略、crv向各ccv请求内容分片的传输策 略以及通过解码获取目标内容所需的内容分片数目；运行所述缓存策 略，以将所述目标内容编码成n片内容分片，并将所有的内容分片缓 存至各ccv中；运行所述传输策略，以由所述crv从各ccv加载 相应的内容分片，并解码生成所述目标内容；加载相应的内容分片的 总数量为所述内容分片数目。
[0189]
此外，上述的存储器930中的逻辑指令可以通过软件功能单元的 形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可 读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说 对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品 的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若 干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者 网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而 前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
onlymemory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟 或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0190]
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序 产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计 算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能 够执行上述各方法所提供的基于车载网络的内容缓存方法，该方法包 括：接收车载网络中内容请求车辆crv对目标内容的加载请求；构 建数据分发优化模型；对所述数据分发优化模型进行求解，以确定所 述车载网络中各内容缓存车辆ccv对所述内容分片的缓存策略、 crv向各ccv请求内容分片的传输策略以及通过解码获取目标内容 所需的内容分片数目；运行所述缓存策略，以将所述目标内容编码成 n片内容分片，并将所有的内容分片缓存至各ccv中；运行所述传 输策略，以由所述crv从各ccv加载相应的内容分片，并解码生成 所述目标内容；加载相应的内容分片的总数量为所述内容分片数目。
[0191]
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上 存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各 实施例提供的基于车载网络的内容缓存方法，该方法包括：接收车载 网络中内容请求车辆crv对目标内容的加载请求；构建数据分发优 化模型；对所述数据分发优化模型进行求解，以确定所述车载网络中 各内容缓存车辆ccv对所述内容分片的缓存策略、crv向各ccv 请求内容分片的传输策略以及通过解码获取目标内容所需的内容分 片数目；运行所述缓存策略，以将所述目标内容编码成n片内容分片， 并将所有的内容分片缓存至各ccv中；运行所述传输策略，以由所 述crv从各ccv加载相应的内容分片，并解码生成所述目标内容； 加载相应的内容分片的总数量为所述内容分片数目。
[0192]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而 非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领 域的普通技术人员应当理解：其依然
可以对前述各实施例所记载的技 术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修 改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方 案的精神和范围。