[发明专利]一种面向内容的电力通信网缓存优化方法

权利要求书

1.一种面向内容的电力通信网缓存优化方法，每隔固定的时间间隔Δt，电力网中有n个缓存节点，V＝{1，2，...，n}，为所有缓存节点的集合，互联网为一特殊的缓存节点，记为n+1，有k个文件需要决策部署，F＝{f₁，f₂，…，f_k}，为所有文件的集合，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，利用中心控制器获得带宽信息以及内容和缓存节点的容量、位置信息；

步骤2，通过内容和缓存节点的信息，生成请求决策向量和位置决策向量对每个文件f_k创建二分图分别表示客户端节点和服务器端节点，基于在中创建节点，令每个服务器节点j对应中的c_j个节点，表示为

表示二分图的边，对应客户端和服务器对(i，j)，表示客户端节点i向服务器节点j发起文件f_k的获取请求，因而表示边的权重；

每个服务器节点j的缓存容量为S_j；每个文件f_k，其对应的文件大小为B_k；客户端节点i从服务器节点j获取文件所需要的时延为d_ij(f_k)，从互联网获取文件所需要的时延为I(f_k)；对于每个节点j，对应的请求文件的分布为R_j＝(r_j(f₁)，…，r_j(f_k))；节点i获取文件f_k所需要的流量定义为T_i(f_k)＝r_i(f_k)*B_k；当客户端节点i从服务器节点j获取文件f_k时，节省的传输时延为

文件的决策由请求决策向量和位置决策向量来确定，其中i＝1，2，...，n；位置决策向量表示文件存储的位置信息，决定了文件f_k放置何处，即

其中，j＝1，...，n+1，k＝1，...，m，如有超过一个元素等于1，则文件f_k不止在一个节点缓存，如果所有元素都为0，则表示整个电力网中没有缓存文件f_k，y_n+1(f_k)＝1表示文件f_k缓存在外网；

请求决策向量决定了缓存节点i获取文件f_k的节点坐标，即

其中，i＝1，...，n，j＝1，...，n+1，k＝1，...，m，x_i(n+1)(f_k)＝1表示客户端节点i从外网获取文件f_k；从服务器节点j获取文件f_k的前提是节点j缓存了文件f_k；

内容位置决策目的是在缓存节点容量限制和网络流量开销限制的条件下，最大化全网范围内的时间效率，即：

(2)式的目的是最大化全网范围内的时间效率，为了满足所有请求，约束条件(3)确保了每个来自节点i的请求能够仅从一个地方获取到文件f_k，约束条件(4)要求当其他节点请求文件f_k时，节点j已经缓存了文件f_k，约束条件(5)设立了每个节点的限定容量，约束条件(6)规定了互联网流量开销限制，其中Ψ是访问链接的容量，ρ是协同系数，ρ∈[0，1]，通过调整ρ控制流量比例，约束条件(7)规定了决策变量的非负性和整数性；

采用基于松弛取整技术的松弛算法解决(2)式的问题，即通过解决另一个松弛问题来解决原始的整数规划问题，具体方法如下：

通过引入变量取代(2)式中的获取决策向量和位置决策向量，当所有约束条件都是线性方程时，分数最优解在多项式时间里找到，基于全局最优解，使用一个取整步骤来产生原始问题的近似解，其中

使用取整技术来获取分配决策矩阵和替换分数最优解；方法是基于部分解为每个文件f_k构造一个加权二分图，并找到最大权重来匹配生成(2)式的解，令表示二分图，其中和分别表示客户端节点和服务器端节点；

根据客户端节点对于内容f_k的请求频次进行降序排列，在中构造客户端节点集合为当计算时，若则客户端节点i将从服务器节点j请求文件f_k，每个客户端节点能够从多个服务器节点请求文件f_k；

步骤3，基于在中创建节点，令每个服务器节点j对应于中c_j个节点，表示为有了和可以设二者的边，图的边对应于客户端和服务器对(i，j)，以满足对于每个服务器节点j，如果c_j≤1，那么中仅有一个节点对于每个满足的客户端节点i，增加边到中，并设它的权重

步骤4，如果c_j＞1，那么就有多个节点对应于节点j；令i₁表示满足的最小数，对于客户端节点i∈{1，...，i₁-1}，增加边到并设它的权重对于客户端节点i₁，增加边并设它的权重从而确保指向边集合中元素权重和等于1；如果那么增加边并设它的权重对于客户端节点i＞i₁，构造指向的边，直到正好一个客户端节点的总和分配给

步骤5，在为每个文件f_k构造完一个二分图之后，根据时间效率递减顺序处理在节点容量和流量开销的限制下，完成二分图最大权重匹配，令表示匹配结果，对于集合中每个被选边，令x_ij(f_k)＝1；然后设中所有未被修改的元素为0，得到(2)式的解，即完成了对内容的缓存节点分配。