[发明专利]一种空间信息网络缓存决策方法

权利要求书

1.一种空间信息网络缓存决策方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、建立空间信息网络缓存系统模型

ICN卫星网络的节点维护了三种数据结构，分别是内容缓存CS、未决兴趣表PIT和转发信息表FIB，用于完成地面终端获取星上资源的请求和数据回传；地面用户u请求内容f的步骤如下：设实线表示两个节点之间存在通信链路，包括用户与卫星的星地链路、卫星与卫星的星间链路，虚线则表示内容的请求路径；当地面用户u请求内容f时，首先将请求内容f发送到为之提供通信服务的v₁卫星；若卫星v₁缓存有该内容，则直接返回；否则将按照未决兴趣表中的信息向网络中的其他节点获取内容，在其他节点中获取到内容f后返回，若空间信息网络所有节点均未缓存该内容，则向原始服务器请求，获取到内容f后返回；

A1、设计网络分区算法对空间信息网络节点进行分区

由于低轨卫星运动具有周期性，因此将覆盖某个区域的数颗卫星按照网络分区算法划作一个分区协作缓存内容，以减少卫星节点缓存资源浪费，分区中每颗卫星节点缓存内容均不相同，各颗卫星均存在星间链路，此时，既不影响用户对内容的访问，又降低对单颗卫星的缓存资源要求；空间信息网络的拓扑结构实际上是一个以星间链路的长度为权值的无向图，用G(V,E)来描述，V＝{v₁,v₂,...,v_N}为N颗卫星的节点集合，表示网络中的卫星节点；E表示节点间的星间链路；针对卫星运动的动态性和周期性，采用划分时间片的方法，即把一个完整的卫星运动周期T离散为足够小的时间间隔τ，空间信息网络节点拓扑结构在时间间隔τ内是保持稳定的，借助卫星的轨道参数计算各时间间隔τ内每个卫星的具体坐标，计算公式如下：

其中，X_i为第i颗卫星对应的直角坐标系的X轴坐标；Y_i为第i颗卫星对应的直角坐标系的Y轴坐标；Z_i为第i颗卫星对应的直角坐标系的Z轴坐标；a为卫星离地心的距离、v_i为卫星对应的近地点幅角、Ω_i为卫星对应的升交点赤经、v_oi为卫星初始的近地点幅角、Ω_oi为卫星初始的升交点赤经、i_i为轨道倾斜角、n_o为卫星公转角速度、ω_o为地球的自转角速度；令t₀＝0表示初始时刻，通过改变t的值，计算出各卫星在不同时间间隔内的具体坐标；

在已知各个时间间隔内卫星节点的具体坐标后，即知道节点间的星间链路长度，为方便分析，空间信息网络节点拓扑结构生成采用可视即可连策略；对空间信息网络节点拓扑进行分区，即将整个网络拓扑划分成多个不相交的区域，因此，对整个网络拓扑进行分区被视为最小覆盖成本的优化问题，其覆盖代价profit表示为：

cost(i,j)＝d(i,j)/c+T_a (4)

其中，C＝{C₁,C₂,...,C_n}表示卫星节点的分区，n为区域的最大编号；C_n＝{c_n1,c_n2,...,c_nk}表示分区后卫星节点的集合，c_nk为第n个分区的第k个卫星节点；V＝{v₁,v₂,...,v_N}表示所有的卫星节点；d(i,j)是源节点v_i和目的节点v_j之间的欧氏距离；c为光速，T_a是为源节点v_i到目的节点v_j的处理时延；r_i,j为源节点v_i和目的v_j之间的传输路径上的所有节点；

通过迪杰斯特拉即Dijkstra最短路径算法计算出卫星节点v_i到v_j之间传输路径上的所有节点，即r_i,j；通过下面的网络分区算法得出某个时间间隔τ内的分区节点集合，优化得出对应的总覆盖代价profit，网络分区算法的步骤如下：

输入：卫星节点总数N、卫星网络拓扑结构G(V,E)

输出：分区后的节点信息C

S1、初始化，依据可视即可连策略获取卫星网络拓扑结构

S2、v_i→v_j

S3、for每个时间片

根据公式(1)计算出该时间片内各卫星的位置坐标，得出对应的G(V,E)

S4、for i≤N

S5、Dijkstra(v_j,G,V)→(pfofit,v_i)

S6、C_n∪c_nk→C_n

S7、while v_j≠v_i and更新区域信息

S8、C_n\v_j→C_n

S9、Dijkstra(v_j,G,V)→(pfofit,v_i)

S10、更新区域节点信息

S11、end while

S12、end for

S13、Return C

A2、建立节点缓存模型

在空间信息网络的内容分发中，内容的流行度反映用户对内容的偏好；由于用户对数据请求的时变性，网络中内容的流行度总是不停地发生变化；由业务服从Zipf分布模型知，各内容的流行度分布由下式表示：

其中，M为内容的总量；m为内容流行度的排名，m＝1,2,...,M；q为平滑因子，用于调节内容流行度的大小，z^m表示内容集合的集中程度，取值在[0.7,1.3]之间；

在各缓存节点中，将第l个内容的缓存状态表示为f_l，且f_l∈{0,1}，表示是否缓存了内容l；整个网络中的缓存内容集合为为每个区域中节点集合缓存的内容，每个区域中节点的缓存集合表示为：

其中，为第c_nk个节点的缓存；

在建立节点间协作关系模型时，用协作参数来反映区域间节点缓存同一内容的概率关系；根据用户获取内容的路径知，地面内容源服务器中一定是存储了全部内容的；因此，相邻的节点间缓存相同内容的概率具有一定的协作关系；对于内容l的缓存，当靠近用户的节点缓存了内容l时，分区内其他节点缓存该内容的概率表示为：

其中，表示为靠近用户的节点缓存内容l的概率；表示节点c_nk是否缓存了内容；α为两个节点间的协作缓存程度，用内容流行度和节点的缓存容量来表示：

ω₁+ω₂＝1 (11)

其中，为节点的缓存容量；ω₁为内容流行度所占的权重；ω₂为节点缓存容量所占的权重；

A3、优化目标函数

考虑到星间链路通常采用高速数据链路，且地面站与业务供应商之间也采用宽带连接，因此用户u对内容l的获取时延，由星地传输时延t_g,s和星间传输时延t_s,d组成；星间传输时延t_s,d由下式计算出：

其中，d(s,d)为接入节点和命中目的节点的传输路径的星间链路长度之和；

设用户数量为U，每次请求产生的时延为t，则优化目标为：

在内容请求过程中，假定用户u单次请求的内容数量为1，对内容l的请求为r_u＝[0,1,0,..0]_1×M，其中“1”表明其请求的目标内容，请求概率服从上式的Zipf分布；根据空间信息网络缓存系统中的请求传递路径，用户的请求首先到达为之提供服务的接入卫星，并在该卫星所属区域搜索缓存中内容；设定q_l,u为空间信息网络缓存系统对该区域的搜索结果，其表示为：

其中，c_nk表示与用户u相连接的编号为c_nk的节点；*为Hadamard相乘；q_l,u取值为1时，表示请求内容在该区域已经获取到，q_l,u取值为0时，表示该请求需要被发送到下一个区域进行搜索；

因此在卫星网络中，由内容传输过程从产生的系统时延可分为两种情况，分别是当前区域内卫星节点缓存了目标内容和所有卫星未缓存目标内容；若当前区域内卫星节点缓存了目标内容，则空间信息网络缓存系统时延表示为：

q_l,up_m(t_g,s+t_s,d) (15)

若整个空间信息网络缓存系统均未缓存目标内容，需要去源服务器获取，此时经过两次星地传输时延，则空间信息网络缓存系统时延表示为：

(1-q_l,u)p_m(2t_g,s+t_s,d) (16)

因此式(13)重写为：

约束条件为：

从研究问题及约束条件得出，该算法的计算过程具有较高的复杂度；为解得上述目标函数最优解，采取改进人工蜂群算法解决空间信息网络缓存系统协作缓存问题；

B、建立基于人工蜂群的缓存决策策略

建立空间信息网络分区模型将空间卫星网络拓扑结构进行分区后，得到一组分区后的节点集合C＝{C₁,C₂,...,C_n}，C_n＝{c_n1,c_n2,...,c_nk}，选择出高流行度的内容缓存在这些节点中，求解出分区节点中最优的缓存决策策略，在搜索可行解时，考虑到节点间的协作程度；具体算法包括以下步骤：

B1、初始化蜜源和算法参数

初始化阶段包括初始化算法参数和初始化蜜源；使用F表示人工蜂群算法中的蜜源，每一个蜜源表示卫星网络的缓存决策策略，蜜源初始化中，一个蜜源表示一个可行解；某个蜜源表示为其中F表示整个网络缓存内容集合，表示第c_nk个节点中缓存内容；nPop为人工蜂群算法中蜜源的个数，在人工蜂群算法中，雇佣蜂和侦查蜂数量保持一致，nLooker为观察蜂数量；蜜源试验限制Limit内没有更新蜜源，雇佣蜂转化为侦查蜂，终止条件为达到最大迭代次数MaxIt；

B2、雇佣蜂对算法邻域解进行搜索

雇佣蜂对初始化后的蜜源进行邻域搜索，用贪婪选择的策略获取质量更好的蜜源，将记录下的蜜源位置和适应度值传递给观察蜂，引导观察蜂进一步搜索；然后计算每个蜜源F_i的适应度值fitness_i，并将其作为评判蜜源F_i优劣的标准；公式如下:

每次迭代的过程中雇佣蜂都在蜜源附近寻找新的可行解，在寻找新解的过程中交互分区后节点间的缓存内容信息，产生新解，具体公式如下，

式中，F^β表示邻域内的新解；表示编号为C_n区域所缓存的内容集合，计算新蜜源的适应度fitness_β，以决定是否取代旧的蜜源；

B3、观察蜂根据解信息选择可行解

通过雇佣蜂提供的蜜源信息，通过适应度值计算得到观察蜂选择可行解的概率，观察蜂采用轮盘赌的方式选择跟随哪一只雇佣蜂：

适应度值越大，蜜源食物越多，观察蜂选中该蜜源的概率也越大，观察蜂选择蜜源之后，再依照式(22)～(24)继续搜索邻域蜜源信息，通过计算新蜜源的适应度fitness_i来确定是否替换旧的蜜源；

B4、侦查蜂舍弃蜜源寻找新解

设置一个门限值Limit，当一个可行解的迭代次数超过Limit次仍未找到更好的蜜源，那么就认为解空间陷入局部最优，则舍弃该蜜源；当一个可行解F被舍弃后，其对应的雇佣蜂就会转化成侦查蜂，并由式(22)～(24)产生一个新的蜜源代替它。