一种卫星边缘缓存网络内容分发与资源管控算法及装置

技术领域

本发明涉及卫星边缘缓存网络内容分发与资源管控技术领域，尤其涉及一种卫星边缘缓存网络内容分发与资源管控算法及装置。

背景技术

近年来，低轨星座的发展日新月异，相比于高轨卫星，低轨卫星能够显著缩短星地传播时间，为用户带来更加敏捷的服务响应与数据传输时延，为时敏业务的卫星承载提供了更多可能性。然而受限于低轨卫星的重量、大小及功耗，低轨卫星的存储处理功能与高轨卫星相比具有明显差距，为了实现优势互补，高低轨联合组网成为大势所趋。另一方面，随着星上能力的不断增强，卫星将具备一定的存储与计算能力，未来处理类卫星将逐渐代替透明转发卫星成为主流。卫星节点能力的升级与卫星组网方式的演进使得边缘缓存网络的星上应用成为可能。

目前，现有的卫星通信网络在获取网络内容时不够灵活，且在传输过程中，存在一定的网络延时，不能能够有效利用卫星存储能力，提升卫星网络业务时延，增强对于时敏业务的服务性能。

边缘缓存网络采用网络内缓存的思想，将CCN的基本思想是采用网络内缓存，将文件数据缓存在内容提供商与用户终端之间的网络中间节点内，因此用户的内容请求能够终止在网络中缓存有目标内容的某个节点，而不用一直传递到内容提供者，从而增加了内容获取的灵活性、减少业务时延，利用卫星的缓存能力，将热点文件缓存在各卫星节点中，可实现网络内容与功能的下沉，形成卫星边缘缓存网络，进一步降低卫星网络的业务时延，因此，本发明基于边缘缓存网络提出一种卫星边缘缓存网络内容分发与资源管控算法及装置。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决上述问题，而提出的一种卫星边缘缓存网络内容分发与资源管控算法及装置。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种卫星边缘缓存网络内容分发与资源管控算法的装置，包括通信模块、存储模块、内容分发模块、计费模块与资源管理模块；

通信模块：负责星地/星间的信令及数据传输；

存储模块：负责存储网络中的部分内容文件；

内容分发模块：负责对用户的内容请求进行响应，并根据各节点的缓存状态从网络中合适的位置调取相应的内容文件发送给用户；

计费模块：负责向用户收取服务费用或向上级缓存节点进行付费；

资源管理模块：针对每一用户的内容请求，用户的接入卫星及分配带宽进行决策，使得自身收益最大化。

优选地，所述资源管理模块包括信息收集模块与计算决策模块，所述信息收集模块负责收集本协作群内各低轨卫星节点以及高轨卫星节点的缓存状态、用户到本协作群内各低轨卫星节点的链路状况数据，计算出接入卫星决策变量

一种卫星边缘缓存网络内容分发与资源管控算法，包括以下步骤：

S1.将覆盖区域部分重叠或覆盖区域相近的卫星划分为若干边缘协作组，协作组中的卫星共同为覆盖区中的用户进行接入服务；

S2.各低轨卫星可通过星间链路与高轨卫星相连，进行内容请求或回传；

S3.地面内容提供商将通过信关站接入高轨卫星，地面内容提供商、高轨卫星、低轨卫星形成多级边缘缓存网络，为整个网络提供内容服务。

优选地，所述实现步骤S1的方法具体包括步骤：

S11.将网络的全部内容文件存储在内容提供商的数据中心，数据中心包含有F个文件，文件的大小为Q比特，第f个文件被请求的概率为q

S12.网络中各低轨及高轨卫星均具备存储能力，可根据自身能力对网络中步骤S11的热门文件进行缓存，形成边缘缓存网络，卫星k的缓存状态由二值变量β

优选地，所述实现步骤S2的方法具体包括以下步骤：

S21.用户发起对于某一内容文件的请求，并向网络中发出一个内容请求数据包；

S22.当低轨的边缘协作群收到本区域中的用户申请，将根据用户的请求内容、服务质量要求及链路质量选择最佳接入卫星k为用户分配接入带宽并提供内容服务，

S23.卫星k首先检查自身的缓存资源，若存储了相应的内容副本则直接反馈给用户，并向运营商申请购买相应的带宽分配变量

优选地，所述实现步骤S3的方法具体包括以下步骤：

S31.高轨卫星重复上述步骤S2的过程直到在自身缓存或内容提供商处找到了目标内容，而目标内容将会沿着内容请求数据包的反向路径发送给用户，从而形成一个树形多级缓存架构；

S32.在树形多级缓存架构下，当卫星k被选中来响应用户u对文件f的请求，即

其中，Q为文件数据量大小，c为光速；R

S33.用户对接入卫星提供的内容服务进行付费ρ，低轨星座中的各边缘协作群通过为覆盖区域中的用户进行服务获得收益，同时其服务成本包括：1)为每个用户服务时向运营商购买带宽分配变量

优选地，所述步骤S33中卫星决策变量

S331.用户可容忍的最大时延为D

s.t.Cl：

C2：

C3：

C4：

其中，约束条件C1表示对于每一个用户u的内容请求，低轨卫星边缘协作群只会选择一个成员对其进行服务，D

S332.上述约束条件C4取值范围的求解过程为：

其中，

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本申请中，充分利用了卫星网络的多轨道多层次结构特征与卫星存储能力，借鉴地面网络先进的边缘缓存技术，利用卫星的缓存能力，将热点文件缓存在各卫星节点中，从而实现网络内容与功能的下沉，形成卫星边缘缓存网络，并利用高低轨卫星不同通信及处理能力特性，构建多级网络内缓存，增加了内容获取的灵活性，进一步降低卫星网络的业务时延。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例提供的网络架构示意图；

图2示出了根据本发明实施例提供的一种卫星边缘缓存网络内容分发与资源管控算法的装置组成示意图；

图3示出了根据本发明实施例提供的网络树形多级缓存架构示意图结构示意图；

图4示出了根据本发明实施例提供的卫星内容分发与资源管控流程结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：

一种卫星边缘缓存网络内容分发与资源管控算法的装置，包括通信模块、存储模块、内容分发模块、计费模块与资源管理模块；

通信模块：负责星地/星间的信令及数据传输；

存储模块：负责存储网络中的部分内容文件；

内容分发模块：负责对用户的内容请求进行响应，并根据各节点的缓存状态从网络中合适的位置调取相应的内容文件发送给用户；

计费模块：负责向用户收取服务费用或向上级缓存节点进行付费；

资源管理模块：针对每一用户的内容请求，用户的接入卫星及分配带宽进行决策，使得自身收益最大化；

资源管理模块包括信息收集模块与计算决策模块，信息收集模块负责收集本协作群内各低轨卫星节点以及高轨卫星节点的缓存状态、用户到本协作群内各低轨卫星节点的链路状况数据，计算出接入卫星决策变量

一种卫星边缘缓存网络内容分发与资源管控算法，包括以下步骤：

S1.将覆盖区域部分重叠或覆盖区域相近的卫星划分为若干边缘协作组，协作组中的卫星共同为覆盖区中的用户进行接入服务；

实现步骤S1的方法具体包括步骤：

S11.将网络的全部内容文件存储在内容提供商的数据中心，数据中心包含有F个文件，文件的大小为Q比特，文件的流行度服从齐普夫分布，第f个文件被请求的概率为；

S12.网络中各低轨及高轨卫星均具备存储能力，可根据自身能力对网络中步骤S11的热门文件进行缓存，形成边缘缓存网络，卫星k的缓存状态由二值变量指示，β

S2.各低轨卫星可通过星间链路与高轨卫星相连，进行内容请求或回传；

实现步骤S2的方法具体包括以下步骤：

S21.用户发起对于某一内容文件的请求，并向网络中发出一个内容请求数据包；

S22.当低轨的边缘协作群收到本区域中的用户申请，将根据用户的请求内容、服务质量要求及链路质量选择最佳接入卫星k为用户分配接入带宽并提供内容服务，

S23.卫星k首先检查自身的缓存资源，若存储了相应的内容副本则直接反馈给用户，并向运营商申请购买相应的带宽分配变量

S3.地面内容提供商将通过信关站接入高轨卫星，地面内容提供商、高轨卫星、低轨卫星形成多级边缘缓存网络，为整个网络提供内容服务；

实现步骤S3的方法具体包括以下步骤：

S31.高轨卫星重复上述步骤S2的过程直到在自身缓存或内容提供商处找到了目标内容，而目标内容将会沿着内容请求数据包的反向路径发送给用户，从而形成一个树形多级缓存架构；

S32.在树形多级缓存架构下，当卫星k被选中来响应用户u对文件f的请求，即

其中，Q为文件数据量大小，c为光速；R

S33.用户对接入卫星提供的内容服务进行付费ρ，低轨星座中的各边缘协作群通过为覆盖区域中的用户进行服务获得收益，同时其服务成本包括：1)为每个用户服务时向运营商购买带宽分配变量

步骤S33中卫星决策变量

S331.用户可容忍的最大时延为D

s.t·C1：

C2：

C3：

C4：

其中，约束条件C1表示对于每一个用户u的内容请求，低轨卫星边缘协作群只会选择一个成员对其进行服务，D

S332.上述约束条件C4取值范围的求解过程为：

其中，

综上所述，本实施例所提供的一种卫星边缘缓存网络内容分发与资源管控算法，当用户u需要某一文件内容f时，可发送业务请求，指明其目标文件与时延要求D

其中，

网络中各卫星节点根据自身缓存能力均缓存有一定的内容文件，其中低轨卫星作为地面用户终端的一级接入节点，覆盖同一片区域的低轨卫星组成边缘协作群，共同为该区域内的用户提供接入服务，高轨卫星作为2级接入节点，可接受低轨卫星的内容请求，或向地面内容服务提供商转发低轨节点的请求，每一低轨边缘协作群根据用户提出的内容请求、时延需求及链路状况，选择为用户提供接入服务的卫星节点，并为其分配链路带宽，若该接入节点已缓存用户请求内容，则可直接将内容文件下发给用户，用户对服务卫星进行内容与带宽资源付费；反之，接入卫星将从高轨卫星出获得该内容并向高轨卫星付费，对于高轨卫星，若其缓存有目标内容文件则直接将文件返回，否则将该请求转发给地面内容服务提供商，由地面内容提供商发送该内容文件。

实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。