[发明专利]基于边缘缓存的星地协同网络中的资源分配方法及装置

权利要求书

1.一种基于边缘缓存的星地协同网络中的资源分配方法，其特征在于，所述基于边缘缓存的星地协同网络中的资源分配方法包括：

初始化待资源分配的星地协同网络系统；其中，在所述星地协同网络系统中，包括多个用户、多个地面基站和至少一个低地球轨道LEO卫星；

将缓存内容以编码缓存的方式放置于边缘缓存设备，并规定用户以Zipf分布的概率请求缓存内容；

根据用户的请求内容和缓存内容的放置情况，确定用户的缓存获取方式；

利用虚拟网络资源的收益与支出计算所述网络系统的效用函数，并利用罚函数将多约束优化目标进行转化，得到所述网络系统的资源分配优化目标函数；

对所述目标函数利用蜉蝣算法进行最优解搜寻；

当所述蜉蝣算法趋于收敛，系统效用函数维持在一定的范围内不再上升，则终止资源分配的优化过程，得出最终的无线资源分配优化方案；

所述将缓存内容以编码缓存的方式放置于边缘缓存设备，包括：

用F＝{f₁,f₂,...,f_N}表示一个具有N个文件的文件集；其中，所述文件集中的每个文件大小相同，且每个文件均被分割成a个大小相同的原始块，将a个原始块文件编码成任意数量的将要被缓存的编码块，放置于边缘缓存设备；

在宏基站协调下，通过下行链路，地面基站或LEO卫星发送给用户所需缓存内容；两个用户之间建立的D2D连接利用上行链路来发送缓存内容；

采用表示第k个小区内用户本地的缓存块；所述根据用户的请求内容和缓存内容的放置情况，确定用户的缓存获取方式，包括：

在第k个小区里，当时，用户i通过本地缓存获取所求缓存内容；

当用户的缓存块放置情况为时，利用D2D链路向一定范围内的用户请求第n个文件缓存块；当用户的缓存块放置情况为时，通过D2D模式无法满足缓存需求，则用户需要向宏基站发送请求，由宏基站负责协调地面基站和卫星为用户提供缓存服务；若用户无法通过D2D模式获得缓存服务，且不在区域内地面小基站的服务范围内，则由LEO卫星通过回程链路向核心网络获取其要求的第n个文件的块缓存并发送给该用户，此时

所述目标函数的表达式为：

s.t.

其中，UF＝αlogRate+βlogTra-χlogBand-νlogPower，是整个系统的效用函数，α，β，χ和ν分别为相应的收入和支出增益系数，Rate是系统中分配给用户频谱资源而产生的总数据速率收益，Tra是用户通过边缘缓存的方式获得的数据流量收益，Band和Power分别是系统消耗的带宽支出和系统消耗功率的支出；

ξ,是惩罚因子，为在第k个小区里用户i要求第n个文件的概率，y_ij∈[0,1]是基站j分配给用户i的功率分配系数，为第k个小区内的基站的发射功率，为卫星发射功率，和分别为基站和LEO卫星的最大发射功率限制，R^min为最低的数据速率要求，分别为用户从卫星、小基站和D2D模式获得的传输速率；

所述罚函数转化过程，包括：

将约束条件化成形如h(c,y)≤0的形式，h(c,y)^*≤0时，满足约束，g(h(c,y)^*)＝0，新目标函数值与之前不变；h(c,y)^*＞0，不满足约束，g(h(c,y)^*)＝1。

2.如权利要求1所述的基于边缘缓存的星地协同网络中的资源分配方法，其特征在于，在所述星地协同网络系统中，用户具有本地缓存功能。

3.如权利要求2所述的基于边缘缓存的星地协同网络中的资源分配方法，其特征在于，在所述星地协同网络系统中，为用户提供边缘缓存服务的对象包括LEO卫星、地面基站以及采用设备到设备D2D模式的用户；为用户提供所需缓存内容的对象依次为本地用户，D2D用户，地面基站以及LEO卫星。

4.一种基于边缘缓存的星地协同网络中的资源分配装置，其特征在于，所述基于边缘缓存的星地协同网络中的资源分配装置包括：

初始化模块，用于初始化待资源分配的星地协同网络系统；在所述星地协同网络系统中，包括多个用户、多个地面基站和至少一个低地球轨道LEO卫星；

缓存模块，用于将缓存内容以编码缓存的方式放置于边缘缓存设备，并规定用户以Zipf分布的概率请求缓存内容；根据用户的请求内容和缓存内容的放置情况，确定用户的缓存获取方式；

目标函数构建模块，用于利用虚拟网络资源的收益与支出计算所述网络系统的效用函数，并利用罚函数将多约束优化目标进行转化，得到所述网络系统的资源分配优化目标函数；

目标函数求解模块，用于对所述目标函数利用蜉蝣算法进行最优解搜寻；当所述蜉蝣算法趋于收敛，系统效用函数维持在一定的范围内不再上升，则终止资源分配的优化过程，得出最终的无线资源分配优化方案；

所述将缓存内容以编码缓存的方式放置于边缘缓存设备，包括：

用F＝{f₁,f₂,...,f_N}表示一个具有N个文件的文件集；其中，所述文件集中的每个文件大小相同，且每个文件均被分割成a个大小相同的原始块，将a个原始块文件编码成任意数量的将要被缓存的编码块，放置于边缘缓存设备；

在宏基站协调下，通过下行链路，地面基站或LEO卫星发送给用户所需缓存内容；两个用户之间建立的D2D连接利用上行链路来发送缓存内容；

采用表示第k个小区内用户本地的缓存块；所述根据用户的请求内容和缓存内容的放置情况，确定用户的缓存获取方式，包括：

在第k个小区里，当时，用户i通过本地缓存获取所求缓存内容；

当用户的缓存块放置情况为时，利用D2D链路向一定范围内的用户请求第n个文件缓存块；当用户的缓存块放置情况为时，通过D2D模式无法满足缓存需求，则用户需要向宏基站发送请求，由宏基站负责协调地面基站和卫星为用户提供缓存服务；若用户无法通过D2D模式获得缓存服务，且不在区域内地面小基站的服务范围内，则由LEO卫星通过回程链路向核心网络获取其要求的第n个文件的块缓存并发送给该用户，此时

所述目标函数的表达式为：

s.t.

其中，UF＝αlogRate+βlogTra-χlogBand-νlogPower，是整个系统的效用函数，α，β，χ和ν分别为相应的收入和支出增益系数，Rate是系统中分配给用户频谱资源而产生的总数据速率收益，Tra是用户通过边缘缓存的方式获得的数据流量收益，Band和Power分别是系统消耗的带宽支出和系统消耗功率的支出；

ξ,是惩罚因子，为在第k个小区里用户i要求第n个文件的概率，y_ij∈[0,1]是基站j分配给用户i的功率分配系数，为第k个小区内的基站的发射功率，为卫星发射功率，和分别为基站和LEO卫星的最大发射功率限制，R^min为最低的数据速率要求，分别为用户从卫星、小基站和D2D模式获得的传输速率；

所述罚函数转化过程，包括：

将约束条件化成形如h(c,y)≤0的形式，h(c,y)^*≤0时，满足约束，g(h(c,y)^*)＝0，新目标函数值与之前不变；h(c,y)^*＞0，不满足约束，g(h(c,y)^*)＝1。