本發(fā)明屬于移動(dòng)終端緩存技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中基于馬爾科夫模型的移動(dòng)終端緩存空間的分配控制方法以及緩存空間大小的預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

移動(dòng)自組織(MobileAd Hoc)網(wǎng)絡(luò)是一種移動(dòng)終端(節(jié)點(diǎn))組成的多跳的自治數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒有固定的基礎(chǔ)設(shè)施，能夠在無法使用或不便利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施(包括基站和AP在內(nèi))的情況下，提供移動(dòng)終端之間的數(shù)據(jù)通信服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)終端具有路由和分組轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以通過無線網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行無線通訊，從而按需構(gòu)成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｒ苿?dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)被廣泛地應(yīng)用于軍事網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)會(huì)議、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、緊急服務(wù)和災(zāi)難恢復(fù)領(lǐng)域。

由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)空間較為有限，移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)需要高效的緩存管理策略來實(shí)施消息的存儲(chǔ)、投遞和丟棄，以減少節(jié)點(diǎn)緩存溢出的可能，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞?，F(xiàn)有的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中緩存管理方法主要集中在對(duì)緩存消息的調(diào)度上，可以分為以下三種：1)Drop random，Drop head，Drop tail等傳統(tǒng)緩存管理方法，這類方法簡(jiǎn)單易行，但在自組織網(wǎng)絡(luò)中的性能卻很差。2)利用全局網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的全局緩存管理方法，如GBD(Global Knowledge based Drop),GBSD(Global Knowledge based Scheduling and Drop)等。這類方法的性能最好且提供了一個(gè)最優(yōu)的框架，但是由于自組織網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特性，獲取網(wǎng)絡(luò)的全局狀態(tài)信息較為困難，因此該類方法很難適用于真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。3)利用局部網(wǎng)絡(luò)信息如消息的剩余生命周期、消息的大小、跳數(shù)、消息副本數(shù)等的局部緩存管理方法，如E-DROP(Equal drop)，T-DROP(ThresholdDrop)等。該類方法比全局緩存管理策略易于實(shí)現(xiàn)且比傳統(tǒng)緩存管理策略的性能更好，目前研究的較多。

本發(fā)明在研究過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的方法大都是考慮在緩存空間有限的情況下，如何調(diào)度消息以提高投遞成功率，但在節(jié)點(diǎn)緩存空間相對(duì)充足的情況下，現(xiàn)有的緩存管理算法大都默認(rèn)將全部空間用于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)消息(在資源申請(qǐng)和使用方面表現(xiàn)出較強(qiáng)的貪婪性)，導(dǎo)致移動(dòng)終端上的其他應(yīng)用(APP)則無法正常運(yùn)行，造成終端上各應(yīng)用對(duì)緩存空間使用的不公平和極大地降低了用戶體驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中基于馬爾科夫模型的移動(dòng)終端緩存空間的分配控制方法以及緩存空間大小的預(yù)測(cè)方法，可以為終端節(jié)點(diǎn)間消息存儲(chǔ)、攜帶、轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)態(tài)地分配緩存空間，有助于節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)分配緩存大小以提高緩存利用率，便于多種應(yīng)用共享緩存空間以提升用戶體驗(yàn)，不需要更改移動(dòng)終端的消息調(diào)度策略和相關(guān)路由算法，可以與移動(dòng)終端的策略和算法相配合使用，完成消息在移動(dòng)終端間的轉(zhuǎn)發(fā)。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種移動(dòng)終端緩存空間的分配控制方法，包括如下步驟：

步驟一：程序啟動(dòng)并設(shè)定緩存閥值為threshold，設(shè)置的緩存閥值小于移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)的可用空間；

步驟二：對(duì)移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)的緩存空間進(jìn)行初始化，每個(gè)節(jié)點(diǎn)為APP設(shè)置threshold/2的緩存空間用于消息的存儲(chǔ)攜帶轉(zhuǎn)發(fā)；

步驟三：收集網(wǎng)絡(luò)信息，對(duì)每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)節(jié)點(diǎn)的信息數(shù)λ和前n條消息的服務(wù)時(shí)間T_n-1(其中前一條消息的服務(wù)時(shí)間為T₀，前兩條消息的服務(wù)時(shí)間為T₁，前n條消息的服務(wù)時(shí)間為T_n-1)；

步驟四：預(yù)測(cè)緩存空間N_pre的大??；

步驟五：調(diào)整緩存大小，根據(jù)步驟四預(yù)測(cè)出的緩存空間N_pre調(diào)整當(dāng)前用于消息存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的緩存空間N，如果N_pre小于N，則使用Drop head策略丟棄部分消息直至剩余的消息大小不大于N_pre，然后將多余的緩存空間交還系統(tǒng)；如果N_pre不大于N則判斷N_pre是否小于threshold，如果N_pre大于N且小于threshold，則向系統(tǒng)再申請(qǐng)N_pre-N大小的空間；如果N_pre不小于threshold，則再向系統(tǒng)申請(qǐng)threshold-N大小的空間。

進(jìn)一步的，步驟四中預(yù)測(cè)緩存空間大小N_pre的方法如下：

(1)每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算第n+1條消息所需的服務(wù)時(shí)間T_n的均值：

(2)每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算第n+1條消息所需的服務(wù)時(shí)間T_n的方差：

(3)每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算消息的平均隊(duì)長(zhǎng)：

(4)每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)提前設(shè)定好的消息大小m，計(jì)算下一時(shí)刻所需的緩存空間：

N_pre＝m×L_s

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明可以使各移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況預(yù)測(cè)并設(shè)置節(jié)點(diǎn)的緩存大小，提高了緩存利用率和轉(zhuǎn)發(fā)成功率，并避免消息溢出。

2、本發(fā)明使各終端節(jié)點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)分配緩存大小，便于多種應(yīng)用共享緩存空間，提升了用戶體驗(yàn)。

3、本發(fā)明不需要更改移動(dòng)終端的消息調(diào)度策略和相關(guān)路由算法，可以與上述策略和算法相配合使用，完成消息在移動(dòng)終端間的轉(zhuǎn)發(fā)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的流程圖；

圖2是具體實(shí)施例中M|G|1排隊(duì)模型示意圖；

圖3是具體實(shí)施例中M|G|1嵌入馬爾可夫鏈的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖；

圖4是具體實(shí)施例中算法運(yùn)行時(shí)移動(dòng)終端中具有存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)消息功能的APP占用緩存變化圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。

如圖1所示是移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)分配緩存工作流程。

步驟1，設(shè)定緩存閾值。程序啟動(dòng)后，用戶為具有消息存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)功能的APP設(shè)定使用空間閾值threshold，如果設(shè)置的閾值大于移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)的可用空間，則示警提示用戶“閾值設(shè)置過大，空間不足”。

步驟2，緩存空間初始化。對(duì)移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)的緩存空間進(jìn)行初始化，每個(gè)節(jié)點(diǎn)為APP設(shè)置的緩存空間用于消息的存儲(chǔ)攜帶轉(zhuǎn)發(fā)。

步驟3，收集網(wǎng)絡(luò)信息。每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)節(jié)點(diǎn)的消息數(shù)和前n條消息的服務(wù)時(shí)間。

步驟4，預(yù)測(cè)緩存大小。每個(gè)點(diǎn)計(jì)算第n+1條消息所需的服務(wù)時(shí)間的均值和方差，并根據(jù)提前設(shè)定好的消息大小m，計(jì)算下一時(shí)刻所需的緩存空間。

步驟5，調(diào)整緩存大小。每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)步驟4預(yù)測(cè)出的緩存大小調(diào)整當(dāng)前用于消息存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的緩存空間N。

圖2和圖3分別描述的是M|G|1排隊(duì)模型和M|G|1嵌入馬爾可夫鏈的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。對(duì)于每個(gè)移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)，將消息的到達(dá)過程建模為泊松到達(dá)過程，消息的服務(wù)時(shí)間服從一般分布G，并認(rèn)為每次只有一條消息能夠接受服務(wù)，其他到達(dá)的消息保存在緩存中等待服務(wù)。在第n+1條消息接受服務(wù)的期間，新進(jìn)入節(jié)點(diǎn)緩存的消息數(shù)只取決于第n+1條消息的服務(wù)時(shí)間而與之前的時(shí)間無關(guān)。

具體的，將消息到達(dá)過程建模為泊松到達(dá)過程，消息的服務(wù)時(shí)間是一般分布G，整個(gè)系統(tǒng)建模成排隊(duì)模型

t_n：表示第n條消息接受服務(wù)完成的時(shí)刻。

X_n：表示在第n條消息接受服務(wù)完成時(shí)，節(jié)點(diǎn)緩存中的消息數(shù)。

T_n：表示當(dāng)?shù)趎條消息離開節(jié)點(diǎn)緩存，第n+1條消息所需的服務(wù)時(shí)間。

Y_n：表示在第n+1條消息接受服務(wù)的期間，新進(jìn)入節(jié)點(diǎn)緩存的消息數(shù)。

這樣，我們可以用圖2表示系統(tǒng)排隊(duì)情況。

由圖2可見

若令a_j＝P(Y_n＝j(luò))＞0，其中a_j表示在第n+1條消息接受服務(wù)的期間，新進(jìn)入節(jié)點(diǎn)緩存的消息數(shù)為j的概率，j為任意非負(fù)整數(shù)，則可以證明{X_n}構(gòu)成一個(gè)馬爾可夫鏈，一般稱為嵌入馬爾可夫鏈。此外，Y_n只取決于第n+1條消息的服務(wù)時(shí)間而與之前的時(shí)間無關(guān)。因此，X_n是離散時(shí)間馬爾可夫鏈。記P_ij＝P(X_n+1＝j(luò)|X_n＝i)，則

P_0j＝P(X_n+1＝j(luò)|X_n＝0)＝P(Y_n＝j(luò))＝a_j,j≥0 (1)

從而

即該馬爾可夫鏈的一步轉(zhuǎn)移矩陣為

由此可畫出其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如圖2所示。

由T_n的定義可知，服務(wù)時(shí)間{T_n,n≥1}是獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量序列，記其公共分布函數(shù)為G(t)＝P(T_n≤t)。于是

其中，P(Y_n＝j(luò)|T_n＝t)表示在(0,t)時(shí)間區(qū)間內(nèi)(即第n+1條消息所需的服務(wù)時(shí)間內(nèi))新進(jìn)入節(jié)點(diǎn)緩存的消息個(gè)數(shù)為j的概率。由于消息是按照泊松流到達(dá)的，所以應(yīng)該有

帶入式(3)，得到

由式(1)可知a₀＝P₀₀＞0，且馬爾可夫鏈各狀態(tài)是互通的，故該馬爾可夫鏈?zhǔn)欠侵芷诓豢杉s的，而且計(jì)算在第n+1條消息接收服務(wù)的期間內(nèi)，新進(jìn)入節(jié)點(diǎn)緩存的消息數(shù)Y_n的均值E(Y_n)

于是，計(jì)算在第n+1條消息接受服務(wù)的期間，新進(jìn)入節(jié)點(diǎn)緩存的消息數(shù)Y_n的方差D(Y_n)

D(Y_n)＝E(Y_n²)-[E(Y_n)]²＝ρ+λ²D(T_n)

可以驗(yàn)證，當(dāng)ρ＜1，該馬爾可夫鏈?zhǔn)潜闅v的，故存在平穩(wěn)分布{p_j,j≥0}，而且{p_j}必滿足

下面用母函數(shù)去解p_j，令

利用式(4)與式(2)，則有

將上述諸式相加，便可得到

由此得到系統(tǒng)中消息隊(duì)長(zhǎng)分布的母函數(shù)

再來求P₀，因?yàn)?/p>

P(1)＝1,A(1)＝1

故由洛必達(dá)法則得到

于是

p₀＝1-ρ

將其代入式(5)，有

由上式并兩次利用洛必達(dá)法則，則系統(tǒng)中消息的平均隊(duì)長(zhǎng)L_s為：

假設(shè)每條消息的大小一樣，均為m，則預(yù)測(cè)出的下一時(shí)刻所需的緩存空間N_pre＝m×L_s。

圖4描述的是算法運(yùn)行時(shí)移動(dòng)終端中具有存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)消息功能的APP占用緩存變化情況。當(dāng)用戶設(shè)定一個(gè)APP的使用空間閾值threshold后，系統(tǒng)最多可以分配threshold大小的空間給該應(yīng)用。當(dāng)節(jié)點(diǎn)下一時(shí)刻預(yù)測(cè)的緩存空間N_pre小于當(dāng)前緩存空間N，則使用Drop head策略丟棄部分消息直至剩余的消息大小不大于N_pre，將多余的緩存空間交還系統(tǒng)；如果N_pre大于N且小于threshold，則向系統(tǒng)再申請(qǐng)N_pre-N大小的空間；如果N_pre大于threshold，則再申請(qǐng)threshold-N大小的空間。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例子而已，并不用于限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的原則之內(nèi)，所作的等同替換，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明未作詳細(xì)闡述的內(nèi)容屬于本專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)人員公知的已有技術(shù)。