CN109003005B - 一种面向边缘计算的数据回传的绿色能源分配方法 - Google Patents

一种面向边缘计算的数据回传的绿色能源分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向边缘计算的数据回传的绿色能源分配方法，包括步骤：建立无线网络传输模型，引入一个数据收集器并向频谱拥有者租赁频谱用于数据传输，数据经过中继节点传输至边缘节点为终端用户提供服务；每个中继节点从多个绿色能源供应者选择一个作为节点唯一的能量提供者；构建基于运营商和绿色能源供应者的动态均衡博弈模型，运营商面向终端用户制定无线网络服务价格方案，绿色能源供应者根据无线网络服务价格方案确定数据传输所需要的能量存储价格策略；并采用两阶段算法，使得运营商和绿色能源供应者之间达到一种动态的均衡，确定了在运营商服务价格策略下中继节点的最佳能量分配；本发明实现了边缘网络中绿色能源的高能效利用。

Description

一种面向边缘计算的数据回传的绿色能源分配方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，运用于运营商与绿色能源供应者的绿色能源分配，尤其涉及一种面向边缘计算的数据回传的绿色能源分配方法。
背景技术
近些年来，随着物联网的快速发展、5G时代的到来，一种被认为是更适合于物联网发展的边缘计算得到了广泛的关注。相对于集中式的云计算来说，边缘计算扩展了云计算并且实现了在更接近用户边缘设备的位置进行数据的计算处理、存储及转发，从而有更低的延迟率和更好的网络性能。网络边缘设备的数据流量通过多个中继节点上传到具有计算能力的边缘节点进行处理，在上传链路中每个中继节点的能量消耗和分配问题是首先需要解决的问题。
现有技术中，Guangwei Zhang等人在《China Communication,pp.71-79,Nov.2017》上发表了题为“Fog Computing Architecture-Based Data Acquisition forWSN Applications(基于雾/边缘计算架构的无线传感器网络数据采集)”一文，针对无线传感器网络(WSN)中的资源受限的设备，提出了一种基于雾/边缘计算的协作机制，能够有效地分配不同节点之间的计算负载。该文提出一种高效的数据采集架构，利用架构设计和算法满足实时数据过滤的要求，但并没有对中继节点的能量消耗及分配问题进行探讨。
此外，A.H.El Fawal等人在《International Symposium on Networks,pp.1-6,May.2017.》上发表了题为“RACH Overload Congestion Mechanism for M2MCommunication in LTE-A:Issues and Approaches(LTE-A中M2M通信的RACH过载拥塞机制：问题和方法)”一文，该文从LTE-A角度概述了随机接入所面临的挑战，并分析了避免RACH接入拥塞的常见方案。该文提供了有效解决拥塞控制方案，但并没有考虑多跳的中继节点以及节点能量消耗和存储问题。
以及，Weiwei Chen等在《IEEE Transactions on Services Computing,pp.1-12,13,April.2018.》上发表的文章“Multi-user Multi-task Computation Offloading inGreen Mobile Edge Cloud Computing(基于绿色移动边缘计算的多用户多任务计算上传)”。该文提出了一种贪婪的最大调度算法利用绿色能源有效地解决边缘设备计算上传所消耗的能量问题，但在该文中的绿色能源供应者之间不是独立地，它们之间存在一种协作机制而且并没有考虑多跳的中继节点以及频谱的资源共享问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供了一种面向边缘计算的数据回传的绿色能源分配方法，该方法采用两阶段思想解决运营商和绿色能源供应者之间的分布式动态博弈问题，最终达到一种均衡状态，使得运营商和绿色能源供应者之间维持一种高效的、稳定的合作关系，运营商最大化利润的同时绿色能源供应者也获得了最佳经济效益；用以解决现有技术中存在的绿色能源分配不均匀、绿色能源利用效率低的问题，具体技术方案如下：
一种面向边缘计算的数据回传的绿色能源分配方法，运用于运营商、绿色能源供应者和中继节点之间的能量分配，所述方法包括步骤：
S1、建立无线网络传输模型：引入一个数据收集器向频谱拥有者租赁预设大小的频谱W用于数据传输；通过无线随机接入信道接入用户，并采用时隙ALOHA方案确定成功接入的用户数；所述数据通过设定的n级中继节点传输到边缘节点，并通过边缘节点传输至终端设备供所述用户使用；
S2、构建无线网络动态Stackelberg动态均衡博弈模型：所述运营商作为领导者，在所述频谱W范围内面向用户指定无线网络服务价格方案p；所述绿色能源供应者作为跟随者，根据所述无线网络服务价格方案p确定每一所述中继节点所需的能量存储价格策略；其中，所述绿色能源供应者之间相互独立，且所述能量存储价格策略包括同时决策下的同时决策价格策略和顺序决策下的顺序决策价格策略；
S3、基于构建的所述无线网络动态Stackelberg动态均衡博弈模型，使得整个所述无线网络传输模型的服务质量最佳，并分两阶段确定所述无线网络服务价格方案p和所述能量存储价格策略：
第一阶段：由函数
Figure GDA0003160477420000031
确定所述运营商的利润，其中，r表示运营商的利润份额，E表示运营商服务终端用户使用实际流量的均值，c0表示所述无线网络传输模型的网络组合成本，q表示所有用户使用终端设备产生的所述数据的总流量，
Figure GDA0003160477420000032
表示所述终端设备的数量；并由公式
Figure GDA0003160477420000033
确定所述运营商在所述同时决策情况下获取的利润份额r1，并根据公式
Figure GDA0003160477420000041
确定在所述同时策略情况下所述运营商对所述绿色能源供应者指定的第一价格策略p1；由公式
Figure GDA0003160477420000042
确定所述运营商在所述顺序决策情况下获取的利润份额r2，并根据公式
Figure GDA0003160477420000043
确定在所述顺序策略情况下所述运营商对所述绿色能源供应者指定的第二价格策略p2，其中
Figure GDA0003160477420000044
z表示所述Stackelberg动态均衡博弈模型的均衡因子，由所述第一价格策略p1和所述第二价格策略p２确定所述Stackelberg动态均衡博弈模型的均衡策略；
第二阶段：由函数Πi(pi|P-i，Z)＝y(pi+p-i){(1-r)pi[z-Λ(z)]-ciz}确定在所述同时决策情况下所述绿色能源供应者提供能量给所述运营商的利润，由函数Πi(pi|p{1，i-1}，z)＝y[(p{l，i-l}+pi+p{i+1，n})]·{(1-r)pi[z-Λ(z)]-ciz}确定在所述顺序决策情况下所述绿色能源供应者提供给能量给所述运营商的利润；其中，pi表示所述绿色能源供应者提供给所述运营商能量的能量价格，ci表示所述绿色能源供应者的单位成本，
Figure GDA0003160477420000045
Figure GDA0003160477420000046
由公式
Figure GDA0003160477420000047
计算所述同时决策情况下所述绿色能源供应者提供给所述运营商能量的最佳第一能量存储价格策略p1i，由公式
Figure GDA0003160477420000048
计算所述顺序决策情况下所述绿色能源供应者提供给所述运营商能量的最佳第二能量存储价格策略p2i；
S4、根据所述第一能量存储价格策略p1i和第二能量存储价格策略p2i以及所述均衡策略确定所述运营商面向用户指定的最佳所述无线网络服务价格方案p。
作为优选，在所述无线网络传输模型的服务链上，根据函数
Figure GDA0003160477420000051
确定所述运营商上传流量后的总利润。
作为优选，最佳所述无线网络服务价格方案p与所述均衡因子z之间满足公式
Figure GDA0003160477420000052
和
Figure GDA0003160477420000053
作为优选，在所述顺序决策情况下，所述绿色能源供应者和所述运营商之间的价格策略依赖于所述绿色能源供应者在所述无线网络传输模型中的位置，其中，后一个所述绿色能源供应者的所述价格策略取决于前一个所述绿色能源供应者的所述价格策略。
作为优选，在所述Stackelberg动态均衡博弈模型中，对于任何均衡因子z，若常数b、n满足公式b>n，则所有所述绿色能源供应者互相之间在所述同时决策和所述顺序决策情况先均满足唯一的纳什均衡：
Figure GDA0003160477420000054
Figure GDA0003160477420000055
本发明的面向边缘计算的数据回传的绿色能源分配方法，每个中继节点分别由不同的绿色能源供应者提供且相互独立，同时，一个中继节点可以有多个能量供应者选择，中继节点根据绿色能源供应者的能量单价高低来选择绿色能源供应者；此外，本发明的方法基于运营商与绿色能源供应者之间构成的Stackelberg价格博弈模型计算运营商和每个绿色能源供应者均可获取最佳经济利润的能量分配策略和价格方案，使得运营商和能源供应者之间达到一种纳什均衡状态；与现有技术相比，本发明通过两阶段法，确立了运营商和绿色能源供应者博弈的纳什均衡状态，求出了最佳的中继能量分配策略和运营商利润份额；同时通过采用绿色能源分配方案进一步提高了能源利用效率和频谱的最佳利用率。
附图说明
图1为本发明实施例中所述无线网络传输模型的结构框图示意；
图2为本发明实施例中所述第一阶段、第二阶段解决所述运营商与所述绿色能源供应者博弈的过程图示意；
图3为本发明实施例中在不同所述中继节点下所述运营商的利润示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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。
结合图1～图3，对本发明提供的一种面向边缘计算的数据回传的绿色能源分配方法进行详细说明，本发明运用于运营商、绿色能源供应者和中继节点之间的能量分配，具体包括步骤：
首先，建立无线网络传输模型，引入一个数据收集器向频谱拥有者租赁大小为100MHz的频谱W用于数据传输；通过无线随机接入信道接入用户，并采用时隙ALOHA方案确定成功接入的用户数；数据通过设定的n＝8级的中继节点传输到边缘节点，并通过具有数据存储、计算及转发能力的边缘节点传输至终端设备供用户使用；在具体实施例中，每个绿色能源供应者之间为竞争关系，且一个中继节点只有唯一一个绿色能源供应者提供能量；而且通过边缘节点进行数据传输路径中都有一定的损耗，具体损耗可通过公式L(h)＝32.5+2log10(f)+10γlog10(h)+A×h计算，式中，f＝25GHz为所述频谱W的载波频率，h为中继节点距离，γ＝2.3是传输路径中的损耗指数，A＝12dB/km为氧气和雨水的衰减系数。
然后，构建无线网络动态Stackelberg动态均衡博弈模型：所述运营商作为领导者，在所述频谱W范围内面向用户指定无线网络服务价格方案p；所述绿色能源供应者作为跟随者，根据所述无线网络服务价格方案p确定每一所述中继节点所需的能量存储价格策略；其中，为了最大化每个绿色能源供应者的自身利润，每个绿色能源供应者均有自身独立的能量存储价格策略，即绿色能源供应者之间相互独立；其中，能量存储价格策略包括同时决策下的同时决策价格策略和顺序决策下的顺序决策价格策略；在Stackelberg动态均衡博弈模型中，同时决策下的同时决策价格策略与顺序决策下的顺序决策价格策略互相博弈，并最终形成一个均衡状态，在此均衡状态下，每个中继节点的绿色能源分配方案最佳，且运营商可获得最佳的运营价格和运营利润以及最优的运营效用。
在本发明的具体实施例中，在顺序决策情况下，绿色能源供应者和运营商之间的价格策略依赖于绿色能源供应者在无线网络传输模型中的位置，其中，后一绿色能源供应者的价格策略取决于前一绿色能源供应者的价格策略。
接着，基于步骤S2构建的无线网络动态Stackelberg动态均衡博弈模型，使得整个所述无线网络传输模型的服务质量最佳，并分两阶段确定无线网络服务价格方案p和最佳能量存储价格策略：
第一阶段：由函数
Figure GDA0003160477420000081
确定所述运营商的利润，其中，c0表示无线网络传输模型的网络组合成本，q表示所有用户使用终端设备产生的数据的总流量，
Figure GDA0003160477420000082
表示终端设备的数量；并由公式
Figure GDA0003160477420000083
确定运营商在同时决策情况下获取的利润份额r1，并根据公式
Figure GDA0003160477420000084
确定在同时策略情况下运营商对绿色能源供应者指定的第一价格策略p1；由公式
Figure GDA0003160477420000085
确定所述运营商在所述顺序决策情况下获取的利润份额r2，并根据公式
Figure GDA0003160477420000086
确定在所述顺序策略情况下所述运营商对所述绿色能源供应者指定的第二价格策略p2，其中
Figure GDA0003160477420000087
z表示所述Stackelberg动态均衡博弈模型的均衡因子，由第一价格策略p1和第二价格策略p2确定Stackelberg动态均衡博弈模型的均衡策略；其中，若根据公式
Figure GDA0003160477420000088
求得r1＝0.6346，根据公式
Figure GDA0003160477420000089
求得r2＝0.7436，则可以求得第一价格策略p1＝11.8376分/单位数据量，第二价格策略p2＝11.7736分/单位数据量。
第二阶段：由函数Πi(pi|P-i，Z)＝y(pi+p-i){(1-r)pi[z-Λ(z)]-ciz}确定在所述同时决策情况下所述绿色能源供应者提供给能量给所述运营商的利润，由函数Πi(pi|p{1，i-l}，z)＝y[(p{1，i-1}+pi+p{i+1，n})]·{(1-r)pi[z-Λ(z)]-ciz}确定在顺序决策情况下绿色能源供应者提供给能量给运营商的利润；其中，pi表示绿色能源供应者提供给运营商能量的能量价格，ci表示绿色能源供应者的单位成本，
Figure GDA0003160477420000091
Figure GDA0003160477420000092
由公式
Figure GDA0003160477420000093
计算同时决策情况下绿色能源供应者提供给运营商能量的最佳第一能量存储价格策略p1i，由公式
Figure GDA0003160477420000094
计算顺序决策情况下绿色能源供应者提供给运营商能量的最佳第二能量存储价格策略p2i；
最后，根据第一能量存储价格策略p1i和第二能量存储价格策略p2i以及均衡策略确定运营商面向用户指定的最佳无线网络服务价格方案p；其中，在无线网络传输模型的服务链上，根据函数
Figure GDA0003160477420000095
确定运营商上传流量后的总利润，且最佳无线网络服务价格方案p与均衡因子z之间满足公式
Figure GDA0003160477420000096
和
Figure GDA0003160477420000097
本发明中，在Stackelberg动态均衡博弈模型中，对于任何均衡因子z，若常数b、n满足公式b＞n，则所有所述绿色能源供应者互相之间在所述同时决策和所述顺序决策情况先均满足唯一的纳什均衡，纳什均衡可通过公式
Figure GDA0003160477420000101
以及公式
Figure GDA0003160477420000102
表示。
本发明得到的两种价格决策方式下最优能量存储，对比顺序决策和同时决策，中继节点顺序决策下需要存储更多的能量以满足数据传输的要求，同时在图3中可以看出在不同中继节点下顺序决策情况下能够得到更好的效益和网络性能。
本发明的面向边缘计算的数据回传的绿色能源分配方法，每个中继节点分别由不同的绿色能源供应者提供且相互独立，同时，一个中继节点可以有多个能量供应者选择，中继节点根据绿色能源供应者的能量单价高低来选择绿色能源供应者；此外，本发明的方法基于运营商与绿色能源供应者之间构成的Stackelberg价格博弈模型计算运营商和每个绿色能源供应者均可获取最佳经济利润的能量分配策略和价格方案，使得运营商和能源供应者之间达到一种纳什均衡状态；与现有技术相比，本发明通过两阶段法，确立了运营商和绿色能源供应者博弈的纳什均衡状态，求出了最佳的中继能量分配策略和运营商利润份额；同时通过采用绿色能源分配方案进一步提高了能源利用效率和频谱的最佳利用率。
以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种面向边缘计算的数据回传的绿色能源分配方法，运用于在边缘网络的回传链路中运营商、绿色能源供应者和中继节点相互之间的能量分配，其特征在于，所述方法包括步骤：
S1、建立无线网络传输模型：引入一个数据收集器向频谱拥有者租赁预设大小的频谱W用于数据传输；通过无线随机接入信道接入用户，并采用时隙ALOHA方案确定成功接入的用户数；所述数据通过设定的n级中继节点传输到边缘节点，并通过边缘节点传输至终端设备供所述用户使用；
S2、构建无线网络动态Stackelberg动态均衡博弈模型：所述运营商作为领导者，在所述频谱W范围内面向用户指定无线网络服务价格方案p；所述绿色能源供应者作为跟随者，根据所述无线网络服务价格方案p确定每一所述中继节点所需的能量存储价格策略；其中，所述绿色能源供应者之间相互独立，且所述能量存储价格策略包括同时决策下的同时决策价格策略和顺序决策下的顺序决策价格策略；
S3、基于构建的所述无线网络动态Stackelberg动态均衡博弈模型，使得整个所述无线网络传输模型的服务质量最佳，并分两阶段确定所述无线网络服务价格方案p和所述能量存储价格策略：
第一阶段：由函数
Figure FDA0003160477410000011
确定所述运营商的利润，其中，r表示运营商的利润份额，E表示运营商服务终端用户使用实际流量的均值，c0表示所述无线网络传输模型的网络组合成本，q表示所有用户使用终端设备产生的所述数据的总流量，
Figure FDA0003160477410000012
表示所述终端设备的数量；并由公式
Figure FDA0003160477410000013
确定所述运营商在所述同时决策情况下获取的利润份额r1，并根据公式
Figure FDA0003160477410000014
确定在所述同时策略情况下所述运营商对所述绿色能源供应者指定的第一价格策略p1；由公式
Figure FDA0003160477410000015
确定所述运营商在所述顺序决策情况下获取的利润份额r2，并根据公式
Figure FDA0003160477410000021
确定在所述顺序策略情况下所述运营商对所述绿色能源供应者指定的第二价格策略p2，其中
Figure FDA0003160477410000022
z表示所述Stackelberg动态均衡博弈模型的均衡因子，由所述第一价格策略p1和所述第二价格策略p2确定所述Stackelberg动态均衡博弈模型的均衡策略；
第二阶段：由函数∏i(pi|P-i,Z)＝y(pi+p-i){(1-r)pi[z-Λ(z)]-ciz}确定在所述同时决策情况下所述绿色能源供应者提供能量给所述运营商的利润，由函数∏i(pi|p{1，i-1}，z)＝y[(p{1，i-1}+pi+p{i+1，n})]·{(1-r)pi[z-Λ(z)]-ciz}确定在所述顺序决策情况下所述绿色能源供应者提供能量给所述运营商的利润；其中，pi表示所述绿色能源供应者提供给所述运营商能量的能量价格，ci表示所述绿色能源供应者的单位成本，
Figure FDA0003160477410000023
由公式
Figure FDA0003160477410000024
计算所述同时决策情况下所述绿色能源供应者提供给所述运营商能量的最佳第一能量存储价格策略p1i，由公式
Figure FDA0003160477410000025
计算所述顺序决策情况下所述绿色能源供应者提供给所述运营商能量的最佳第二能量存储价格策略p2i；
S4、根据所述第一能量存储价格策略p1i和第二能量存储价格策略p2i以及所述均衡策略确定所述运营商面向用户指定的最佳所述无线网络服务价格方案p。
2.根据权利要求1所述的一种面向边缘计算的数据回传的绿色能源分配方法，其特征在于，在所述无线网络传输模型的服务链上，根据函数
Figure FDA0003160477410000026
确定所述运营商上传流量后的总利润。
3.根据权利要求1所述的一种面向边缘计算的数据回传的绿色能源分配方法，其特征在于，最佳所述无线网络服务价格方案p与所述均衡因子z之间满足公式
Figure FDA0003160477410000031
和
Figure FDA0003160477410000032
4.根据权利要求1所述的一种面向边缘计算的数据回传的绿色能源分配方法，其特征在于，在所述顺序决策情况下，所述绿色能源供应者和所述运营商之间的价格策略依赖于所述绿色能源供应者在所述无线网络传输模型中的位置，其中，后一个所述绿色能源供应者的所述价格策略取决于前一个所述绿色能源供应者的所述价格策略。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种面向边缘计算的数据回传的绿色能源分配方法，其特征在于，在所述Stackelberg动态均衡博弈模型中，对于任何均衡因子z，若常数b、n满足公式b>n，则所有所述绿色能源供应者互相之间在所述同时决策和所述顺序决策情况先均满足唯一的纳什均衡：
Figure FDA0003160477410000033
Figure FDA0003160477410000034
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