[发明专利]一种基于分层缓存的实时业务时延优化方法

权利要求书

1.一种基于分层缓存的实时业务时延优化方法，其特征在于：该方法首先通过分析与计算实时业务的缓存价值与流行度，动态的在光域和无线域两层上进行流行视频文件以及视频片段的预缓存；进而根据用户获取视频片段的具体方式构造最小化时延函数，通过粒子群算法为每个视频层分配合适的传输速率；具体包括以下步骤：

S1：光无线域分层缓存：分析完整视频文件、视频片段的流行度，对于流行度较高的视频内容在光域和无线域进行分层缓存；

S2：光域ONU协作缓存：将流行度高的视频文件缓存在光域的ONU节点，根据视频文件的缓存价值，利用轻负载ONU协助重负载ONU进行视频预缓存；

S3：无线域视频片段缓存：在一个视频文件中每个视频片段都有其独立的流行度，在用户后退或者快进的情况下，会导致多个视频片段重复发送，因此将流行度高的视频片段缓存在无线网络中的路由器处，构建马尔可夫模型分析视频片段的流行度，结合用户与路由器之间的距离分析网络开销，将视频片段缓存在合适的路由器中；

S4：服务时延分析：根据步骤S2、步骤S3完成视频文件、视频片段的缓存之后，根据光域ONU、无线域路由器节点的缓存命中率，通过分析用户获取视频内容的具体路径，建立最小化时传输时延模型；

S5：视频层速率分配：根据可伸缩视频编码的特性，用户要接收高视频层必须正确解码低视频层，在用户总时延最小化的约束条件下，基于粒子群算法得出视频层最佳的速率分配方案；

所述步骤S2具体包括：

S21：用户点击视频的次数与视频的流行程度二者服从Zipf分布，由Zipf分布表示出视频文件的流行度；

S22：结合光域ONU的剩余缓存空间C_n，视频文件v的大小S_v，以及视频文件的缓存价值选择直接缓存还是替换缓存，判断是视频文件v是否满足缓存条件；

S23：针对重负载ONU，根据ONU节点下用户请求视频文件v的概率和视频文件v的流行度，计算视频文件v的缓存价值，并根据步骤S22进行缓存；针对轻负载ONU，利用轻负载ONU协作缓存重负载ONU中不满足步骤S22的缓存条件，但请求概率高的视频文件；根据轻负载ONU下视频文件v的请求概率和流行度，以及重负载ONU中需要协作缓存视频文件v的概率，计算视频文件v在轻负载ONU中的缓存价值，并根据步骤S22进行缓存；

在步骤S3中，具体包括：

S31：建立马尔可夫模型进行视频片段流行度分析，为了减小计算的复杂度以及确保预测的准确度，所分析的视频文件为光域ONU中预缓存的视频内容，并将用户连续观看的视频片段作为一个用户访问序列，由马尔可夫模型分析用户访问序列的流行度，即可得出视频片段的请求概率；

S32：为了降低时延，预缓存的视频内容应该尽可能的靠近用户侧；根据用户访问序列的大小与从缓存位置传输到用户所经过的路由器跳数，计算用户获取视频片段的网络开销；

S33：根据由步骤S31得出的每个视频片段的请求概率，与步骤S32计算所得网络开销的商，表示无线域路由器节点缓存每个用户访问序列的概率，采用遍历路由器节点的方法，选出总开销最小的路由器缓存流行度最高的用户访问序列；

在步骤S4中，具体包括：

S41：当用户发送请求后，在无线域，首先判断用户的相邻路由器是否命中，若缓存命中，则返回内容给用户；若相邻路由器未缓存命中，则继续转发请求，判断非相邻路由器以及与用户相连的ONU是否命中；若都缓存命中，则根据节点和用户之间的跳数进行选择；若其中只有一个节点缓存命中，则返回内容给用户；否则继续转发请求；

S42：在光域中，判断用户所连接的ONU是否缓存命中，若缓存命中则返回视频内容给用户，若未命中则检测协作的ONU节点是否命中；如果光域、无线域都未缓存命中则由服务器为用户提供服务；

S43：根据ONU节点缓存命中率、无线域路由器节点的缓存命中率，服务节点与用户的距离，以及视频片段的大小，分析由无线域、光域、服务器分别为用户提供服务时的时延；

S44：由为用户提供服务的三种不同路径，构造用户获得完整视频文件的最小化时延函数；

在步骤S5中，具体包括：

S51：部署策略初始化，提供四个不同调制编码方式所对应的速率，随机产生I个粒子，每个粒子是一个E维向量，限制迭代次数为J；

S52：粒子序列更新，利用适应度函数对种群中的粒子进行评估；

S53：粒子群的优化，对粒子的位置和速度进行更新迭代，获得更优的视频层速率分配策略；若迭代后的粒子适应度值比个体极值的适应度值小，则用这次迭代的位置代替个体极值，否则个体极值不断更新；同理，整个粒子群的全局极值表示截止当前迭代的最佳位置，若当前粒子的个体极值小于全局极值，则用该粒子的位置代替全局极值，否则全局极值不更新；

S54：最优解选取，若经过多次迭代后粒子的全局极值适应度相对于迭代之前的全局极值变化幅度小于某个既定范围时，则表示该极值已经非常接近最优极值，停止迭代，即在最小时延函数约束条件下为视频层分配了最佳的传输速率；否则，重复以上步骤，直到达到最大迭代次数。