[发明专利]多速率视频在无线网络中的缓存和传输优化方法

权利要求书

1.一种多速率视频在无线网络中的缓存和传输优化方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1：定义用户的接入时延函数；

步骤2：利用拉格朗日松弛将用户的接入时延函数分解为两个子问题；

步骤3：分别解决两个子问题得到最优缓存和传输方式；

所述步骤1的具体步骤如下：

在一个无线网络中，包括互联网Internet，拥有全部的视频资源，运营商，拥有基站，每个基站具有一定的缓存能力且覆盖许多用户，用户向基站请求视频内容，基站若提前缓存了该视频内容，则直接对用户进行服务，这时由于基站距离用户较近且无线容量富裕，用户会感受到较小的接入时延，具有较好的体验质量，否则将通过回程链路向Internet请求传输该视频内容，这时将占用回程资源，由于回程资源有限，当用户请求增多时，容易产生链路拥塞，同时由于Internet距离用户较远，用户将感受到较大的接入时延，导致用户体验质量下降；

当用户向基站或Internet请求视频内容时，根据当时网络链路的拥塞程度用户会感知到一个接入时延，根据排队论中M/M/1的排队假设，接入时延描述为每比特位通过容量为C负载为f的链路，所花费的时延为1/(C-f)，接入时延越小，表示用户体验质量越好，因此将用户的时延成本最小化描述用户的体验质量最优，具体定义为：

Min:

s.t. y_ijq≤x_ijq+z_ijq (1)

其中公式(1)中的不等式表示一个被服务的用户请求由基站缓存中内容服务，或由Internet进行服务，o_jq表示相应视频大小o_jq，不等式(2)表示缓存内容的大小小于基站i缓存容量的限制，其中S_i为基站i的缓存容量，不等式(3)，(4)分别表示无线容量限制和回程容量限制，条件(5)，(6)表示x_ijq,y_ijq,z_ijq取值范围，其中x_ijq∈{0,1}，x_ijq＝1表示速率版本为q的视频j缓存在基站i，否则没缓存；

针对不同的用户接入带宽，考虑多速率的视频，接入带宽越大的用户享用越高速率的视频，其中d_ijq表示用户向基站i∈{1,2,...,|I|}请求速率版本为q∈{1,2,...，|Q|}的视频j∈{1,2,...|J|}的平均每比特位传输时延，y_ijq∈[0,1]表示用户向基站i请求速率版本为q的视频j被服务的比例，z_ijq∈[0,1]表示用户向基站i请求速率版本为q的视频j未被服务转而被Internet直接服务的比例，F_i,G_i分别为基站i的无线容量和基站i到Internet之间的回程链路容量，为基站i到用户的传播和处理时延，为基站i到Internet之间回程链路的传播和处理时延；分别为无线链路和回程链路负载，其中λ_i表示向基站i发起请求的用户数量，R_jq表示速率版本为q的视频j的速率；

所述步骤2的具体步骤如下：利用拉格朗日松弛将用户的接入时延函数分解为两个子问题，引入拉格朗日乘子将公式(1)的不等式带入用户的接入时延函数，得到拉格朗日函数：

因此相应的用户的接入时延函数变为：

L(x,y,z,λ)

s.t.

通过观察，用户的接入时延函数进一步分解为传输子问题P1和缓存子问题P2两个子问题，其中：

传输子问题P1：Min:

s.t.

缓存子问题P2：Max:

s.t.

所述步骤3的具体步骤如下：采用分布式算法进行求解，其具体步骤如下：

(3-1)解决传输子问题

利用次梯度迭代的方法进行求解，首先，从基站i获取服务比例信息和相应的缓存信息其次，提取的值，然后利用公式：更新的值，最后利用公式：更新值，直至收敛至最优值；

(3-2)解决缓存子问题

利用贪婪算法解决，首先，提取值和相应视频大小o_jq，分别得到集合Ο＝Ο∪o_ijq,然后利用缓存容量受限条件∑Ο≤S_i判断基站缓存是否存满，若条件满足，则缓存该视频W_i＝W_i-o_ijq,C_i＝C_i∪o_ijq,x_ijq＝1，否则集合U降序排列，对于k＝1～|U|，满足u_k＝u_ijq←o_jq，判断如果u_k≤W_i，则W_i＝W_i-u_k,C_i＝C_i∪u_k,x_ijq＝1，否则x_ijq＝0；

其中Ο,U分别表示视频大小o_jq和拉格朗日乘子的集合，W_i表示基站i的缓存大小S_i，C_i表示基站i已缓存视频大小，k表示排名，u_k表示排名第k的视频的大小。