[发明专利]一种基于用户移动性的小小区缓存设备分配方法

摘要

本发明公开了一种基于用户移动性的小小区缓存设备分配算法，属于无线通信领域。首先在初始化阶段进行用户群长期移动轨迹的数据集合分析，将用户移动轨迹数据集的系统时间按照一定的时间间隔分为离散的时间槽。用户在每一个时间槽内请求一次文件，计算总体缓存命中率；然后将缓存分配问题转化为一个整数规划问题；使用遗传退火算法，在解空间内搜索缓存设备容量初始分配问题的最优解。其中包括专门优化设计的适应度函数、选择操作、交叉操作等操作；若解已收敛，则输出此时设备文件在小小区基站间的分布，并据此在小小区基站间分配缓存设备，得到最优缓存设备分配方案，提高用户的缓存命中率性能并有效地节约了设备铺设成本。

主权项

1.一种基于用户移动性的小小区缓存设备分配方法，其特征在于，具体步骤为：步骤一、针对移动网络中的某个用户群体，分析该群体中每个用户历史的长期移动轨迹，并将所有移动轨迹占有的时间按固定间隔离散化成时间槽；步骤二、针对每个时间槽内，每个用户都向网络请求一个单位大小的文件服务；请求不同文件的概率符合文件流行度分布；步骤三、根据每个时间槽内用户所处的位置、文件流行度、缓存设备及设备文件在小小区基站间的分布，计算总体缓存命中率；全体用户的缓存命中率的数学期望值E_total(χ)如下：T是连续时间线划分的离散的时间槽集合；为服务用户的集合；为用户请求的流行文件的集合；Z(f)为用户的文件流行度大小；I为指示函数，当其表达式为真时，I＝1；否I＝0；为小小区集合；表示用户u在时间槽τ时所处的位置；为所有用户的位置集合，二元变量γ_p,c表示用户在p位置是否处于基站c的覆盖范围内，如果在，γ_p,c＝1；否则，γ_p,c＝0；二元变量因子χ_c,f表示基站c内是否储存了文件f，如果是χ_c,f＝1；否则，χ_c,f＝0；数学期望值E_total(χ)要满足以下约束条件：其中，C1表示基站c上存储的所有文件要小于等于该基站所能安装的缓存设备最大容量CS_max；所有基站的缓存设备最大容量CS_max值均相同；C2表示系统为所有的基站分配的存储容量总和要小于等于系统可分配的总的缓存设备容量CS_total；系统为基站c分配的存储容量为CS(c)；步骤四、基于遗传算法和模拟退火算法，优化总体缓存命中率的数学期望值E_total(χ)，得到缓存设备在小小区基站上的最优分配，以及热点文件在缓存设备上的最优放置；具体步骤如下：步骤401、将数学期望值E_total(χ)中属于同一个分配状态的二元变量因子χ_c,f排列为一个行列的矩阵χ作为遗传染色体，根据设定的种群数量，随机生成数个染色体，作为初始种群；矩阵χ中第i行第j列的元素表示基站i上是否存储了文件j；当元素χ(i,j)为1时，说明基站i上存储了文件j；否则，基站i上未存储文件；步骤402、将当前种群设为父代种群，计算父代种群中每个染色体的适应度；当前种群大小为N，种群中的染色体表示为：χ₁,χ₂,…χ_n,...,χ_N；S(χ_n)是染色体χ_n的适应度值，计算如下：χ^best为遗传算法历次迭代中产生的最优良个体的染色体；随着迭代次数的增加而变化；步骤403、根据每个染色体的适应度，使用轮盘赌式随机选择染色体，分别计算每个染色体被选择遗传给子代的概率；针对染色体χ_n被选择遗传给子代的概率P_n计算如下：步骤405、当染色体被选择遗传给子代的概率满足约束条件时，选择该染色体进行后续操作；约束条件为：r为利用随机数种子生成的实数，0＜r＜1；针对染色体χ_n，当概率P_n时满足上述约束条件时，染色体χ_n被选中；步骤406、选择两个满足条件的染色体，进行交叉和变异操作，得到两个新染色体；具体操作如下：步骤4061、系统生成两个随机数步骤4062、利用选中的两个染色体χ_a,χ_b，判断的值是否为1，如果是，则交换χ_a(u,v)与χ_b(u,v)的值，进入步骤4063；否则，返回步骤4061；步骤4063、验证交换后的染色体χ_a与χ_b是否满足约束条件，如果是，进入步骤4064进行变异操作；否则，返回步骤4061；约束条件如下：C3表示矩阵χ中第i个基站上存储的所有文件要小于等于该基站所能安装的缓存设备最大容量CS_max；也就是染色体χ_a与χ_b对应的矩阵中每个基站上存储的所有文件满足小于等于CS_max；C4表示系统为矩阵χ中所有基站分配的存储容量总和要小于等于系统可分配的总的缓存设备容量CS_total；也就是系统为矩阵χ_a与χ_b中所有基站分配的存储容量总和满足小于等于CS_total；步骤4064、系统产生四个随机数步骤4065、针对交换后的染色体χ_a判断是否如果是，则交换χ_a(u,v)与χ_a(u′,v′)的值作为染色体χ_a的变异结果χ_a'，否则，返回步骤4064；针对交换后的染色体χ_b进行同样操作，得到染色体χ_b'的最终变异结果；步骤407、对变异所得的两个新染色体χ_a'与χ_b'，分别执行扰动操作，并判断扰动结果是否满足Metropolis准则，如果是，则进入步骤408，否则，对扰动结果重新进行扰动操作；扰动操作具体如下：首先、系统产生四个随机数然后、针对变异染色体χ_a'判断是否如果是，则交换χ_a'(u₁,v₁)与χ_a(u₂,v₂)的值作为待变异染色体χ_a'的扰动结果，否则，重新进行变异操作；针对变异后的染色体χ_b'进行同样操作，得到染色体χ_b'的最终扰动结果；步骤408、判断当前扰动次数是否达到迭代步长，如果是，将染色体χ_a'与χ_b'的扰动结果放入子代种群，进入步骤409；否则，返回步骤407；步骤409、判断子代种群是否等于自适应种群大小，如果是，进入步骤410；否则，执行步骤406，继续选择染色体进行操作；步骤410、判断当前子代种群内具有最大E_total(χ)的染色体是否已收敛，如果是，则结束并输出最优结果，否则，返回步骤402进行新一轮迭代：最优结果为小小区基站上如何布置缓存设备以及在缓存设备上如何放置热点文件；步骤五、按照最优的结果在小小区基站上布置缓存设备，以及在缓存设备上放置热点文件。