CN110557838B - 无线内容分发网络中基于契约理论的缓冲资源分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了无线内容分发网络中基于契约理论的缓冲资源分配方法，首先确定缓冲中的积压长度、缓冲区容量、数据到达速率和服务速率之间的关系。运用鞅理论，确定缓冲区溢出概率表达式。根据缓冲区溢出概率表达式，给出无线内容分发网络中，用户和中继结点的效用函数。进一步给出契约理论中的个人理性和激励相容两个条件，从而构建最大化中继结点效用函数，且受限于个人理性和激励相容条件的优化问题，用内点法，确定最优的缓冲资源分配方案，及其对应的最优价格。最大化中继结点的效益，同时可以激励用户使用缓冲辅助中继（Buffer‑aided Relay）传输方式，进一步提升无线内容分发网络的分发性能。

Description

无线内容分发网络中基于契约理论的缓冲资源分配方法
技术领域
本发明属于无线内容分发网络、边缘存储、边缘计算、契约理论、资源分配、博弈论技术领域，具体涉及无线内容分发网络中基于契约理论的缓冲资源分配方法。
背景技术
由于无线网络的回程链路上存在很多重复传输的流量，无线缓存技术应运而生。该项技术可以有效缓解回程链路的传输冗余、降低传输延迟、提高网络的能效。但是由于该项技术的有效实施需要依靠对网络用户喜好的准确估计以及中继结点的缓存容量。网络中很难对用户的喜好进行准确估计，中继结点也不愿贡献出全部的缓存容量，用户请求的文件可能没有被缓存在网络边缘，或可能只缓存了部分文件块。传输未被缓存的文件或者文件块，依然会产生回程链路上的重复流量，增加回程链路的传输冗余。因此，研究人员提出联合使用缓冲(buffer)和缓存(cache)的方式进行传输，提高网络中的文件分发性能。缓存是一种长期的存储空间，具有相对较低的数据读出和读入速度，且价格相对便宜。中继结点可以将文件或者文件块在传输非高峰时期，先下载到自己的缓存中，用户请求时，再从缓存空间中读出，发送给用户。而缓冲资源是一种短期的存储空间，具有较高的数据读出和读入速度，价格也相对较高。中继结点从缓存区读出的数据先放入缓冲区，等待被发送出去。所以缓冲区可以有效提高内容分发效率。
然而由于中继结点(比如小基站、微基站，用户个人设备等)的缓冲区有本身固有的用途，不愿意贡献全部的缓冲区资源。只能贡献出部分缓冲区资源，用于用户请求内容的缓冲辅助中继传输。并且，由于用户请求文件的速度和发送文件的速度不匹配，导致在中继结点内部，形成排队、积压的问题，以至于产生溢出，数据丢失，从而需要重新传输丢失的数据。如何根据用户的请求和发送速率，合理的分配缓冲区资源，并且激励用户参与到缓冲辅助中继的通信中来，是亟需解决的问题。本申请的目的是通过制定合理的缓冲资源分配激励机制，一是合理分配缓冲区资源；二是激励用户参与到缓冲辅助中继，提高内容分发成功率和效率，并且最大化中继结点的效用函数，促进边缘存储技术的实现。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种无线内容分发网络中基于契约理论的缓冲资源分配方法，目的在于填补无线内容分发网络中的最优缓冲资源分配和激励机制设计方法的空白，提高缓冲区资源的利用效率，提高中继结点的效用，促进内容分发的实现。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
无线内容分发网络中基于契约理论的缓冲资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：首先确定缓冲中的积压长度、缓冲区容量、数据到达速率和服务速率之间的关系；运用鞅理论，确定缓冲区溢出概率表达式；
S2：根据缓冲区溢出概率表达式，给出无线内容分发网络中用户和中继结点的效用函数；
S3：进一步给出契约理论中的个人理性和激励相容两个条件；
S4：构建最大化中继结点效用函数，且受限于个人理性和激励相容条件的优化问题；
S5：对优化问题进行求解，确定最优的缓冲资源分配方案，及其对应的最优价格。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，步骤S1中，运用鞅理论确定缓冲中的积压长度、缓冲区容量、数据到达速率和服务速率之间的关系，确定的缓冲区溢出概率表达式为：
Figure BDA0002187541240000021
其中，i表示用户编号，用户
Figure BDA00021875412400000220
在缓冲区中的积压用Qi表示，CB表示中继结点贡献出的缓冲区容量大小，αiCB表示分配给用户
Figure BDA00021875412400000221
的缓冲容量，αi，0≤αi≤1表示占中继结点贡献的整个缓冲容量的比例，并且满足
Figure BDA0002187541240000022
N为中继结点同时服务的用户个数；
Figure BDA0002187541240000023
表示对
Figure BDA0002187541240000024
求期望，
Figure BDA0002187541240000025
表示ai(0)的右特征向量，ai(0)表示时间为0时用户
Figure BDA0002187541240000026
的请求的初始数据量；
Figure BDA0002187541240000027
Figure BDA0002187541240000028
表示ai(n)的右特征向量，
Figure BDA0002187541240000029
表示si(n)的右特征向量；
Figure BDA00021875412400000210
θi为人为定义的变量，
Figure BDA00021875412400000211
Figure BDA00021875412400000212
表示ai(n)的转移矩阵，
Figure BDA00021875412400000213
表示
Figure BDA00021875412400000214
的谱半径，
Figure BDA00021875412400000215
用户
Figure BDA00021875412400000216
在时间n请求的数据量表示为ai(n)；在时间n，从中继结点到用户
Figure BDA00021875412400000217
的服务速率表示为si(n)。
进一步地，步骤S2中，用户的效用函数
Figure BDA00021875412400000218
表示如下：
Figure BDA00021875412400000219
其中，
Figure BDA0002187541240000031
ρ0表示用户成功通过中继传输数据的单位收益；πi为用户购买相应缓冲比例αi的价格；i表示用户编号；
中继结点的效用函数URL为：
Figure BDA0002187541240000032
其中，δ0为中继结点成功中继数据的单位收益。
进一步地，步骤S3中，个人理性条件IR表示为：
Figure BDA0002187541240000033
激励相容条件IC表示为：
Figure BDA0002187541240000034
其中，
Figure BDA00021875412400000310
表示的是分配给用户
Figure BDA0002187541240000035
的契约条目。
进一步地，步骤S4中，构建最大化中继结点效用函数，且受限于个人理性和激励相容条件的优化问题，如下所示：
Figure BDA0002187541240000036
Figure BDA0002187541240000037
其中，
Figure BDA0002187541240000038
表示设计出用户
Figure BDA0002187541240000039
的最优契约。
进一步地，步骤S5中，采用内点法，确定最优的缓冲资源分配方案，及其对应的最优价格。
本发明的有益效果是：运用契约理论，通过个人理性和激励相容两个限制，设计最优契约，一方面可以最优分配缓冲区资源，二是有效激励用户参与缓冲辅助中继通信，最大化中继结点的效用，进一步提升无线内容分发网络的传输性能。
附图说明
图1为中继结点参与缓冲辅助中继的示意图。
图2a、2b分别为本发明提出的契约理论方法与均匀分配方法，关于中继结点和用户效用函数值的对比。
图3是本发明操作步骤流程图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，给定一个无线异构网络，包含一个服务器，一个基站，多个中继结点和多个用户。一个中继结点周围有多个服务用户，中继结点为周围用户贡献缓冲资源，提供中继服务，进而增强无线网络内容的转发速度。
1.数据到达模型
假设用户
Figure BDA00021875412400000416
在时间k请求的数据量表示为ai(k)。ai(k)服从具有两个状态
Figure BDA0002187541240000041
的马尔科夫调制开关过程。状态
Figure BDA0002187541240000042
表示没有数据到达，即ai(k)＝0，状态
Figure BDA0002187541240000043
表示有数据到达，且ai(k)＝Ri。ai(k)的转移矩阵表示为：
Figure BDA0002187541240000044
其中pi表示的是从状态
Figure BDA0002187541240000045
到状态
Figure BDA0002187541240000046
的转移概率，qi表示从状态
Figure BDA0002187541240000047
到状态
Figure BDA0002187541240000048
的转移概率。ai(k)相对应的稳态分布可以表示为
Figure BDA0002187541240000049
在时间[m，n]内，累积的到达数据量可以表示为：
Figure BDA00021875412400000410
其中，Ai(m，n)可以看成是一个二元到达过程。若m＝0，我们将用Ai(0，n)
Figure BDA00021875412400000417
Ai(n)表示。
2.中继结点服务模型
中继结点贡献有限的缓冲容量CB服务周围用户。缓冲区用于缓存从基站发送给用户的数据，再利用近距离优势，采用高速传输技术传输给用户，提高内容分发的效率。在时间k，从中继结点到用户的服务速率可以表示为：
Figure BDA00021875412400000411
其中，B是带宽，N为中继结点同时服务的用户个数，Ptr为传输功率，di为中继结点到用户
Figure BDA00021875412400000412
的距离，l为路径损耗参数，
Figure BDA00021875412400000413
为噪声密度。在时间[m，n]内，中继结点对用户
Figure BDA00021875412400000414
服务的数据量可以表示为：
Figure BDA00021875412400000415
若m＝0，我们用Si(n)表示Si(0，n)。从公式(2)可以看出，给定了用户的距离di后，服务速率与时间k无关。下面，我们用中继结点对用户
Figure BDA00021875412400000524
服务的数据量si简化表示si(k)。
同时，我们假设
Figure BDA0002187541240000051
公式(4)表示，用户
Figure BDA0002187541240000052
的服务速率si大于请求数据ai(k)的期望，但是小于ai(k)的峰值。这种情况下，数据在被传输之前，需要在中继结点的缓冲区排队，从而使得缓冲区会有数据量的积压。
3.缓冲溢出概率
因为中继结点只贡献出了有限的缓冲容量，缓冲区太多的积压会产生溢出。而且中继结点为服务的每个用户都预留了一块单独的缓冲区，也就是同一个用户的数据将排在一个队列中。这样的话，每个用户的积压Qi可以表示为：
Figure BDA0002187541240000053
用αiCB表示分配给用户
Figure BDA0002187541240000054
的缓冲容量，其中αi，0≤αi≤1表示占中继结点贡献的整个缓冲容量的比例，并且满足
Figure BDA0002187541240000055
缓冲溢出概率表示为：
Figure BDA0002187541240000056
其中，i表示用户编号，用户
Figure BDA0002187541240000057
在缓冲区中的积压用Qi表示，CB表示中继结点贡献出的缓冲区容量大小，αiCB表示分配给用户
Figure BDA0002187541240000058
的缓冲容量，αi，0≤αi≤1表示占中继结点贡献的整个缓冲容量的比例，并且满足
Figure BDA0002187541240000059
N为中继结点同时服务的用户个数；
Figure BDA00021875412400000510
表示对
Figure BDA00021875412400000511
求期望，
Figure BDA00021875412400000512
表示ai(0)的右特征向量，ai(0)表示时间为0时用户
Figure BDA00021875412400000513
的请求的初始数据量；
Figure BDA00021875412400000514
Figure BDA00021875412400000515
表示ai(n)的右特征向量，
Figure BDA00021875412400000516
表示si(n)的右特征向量；
Figure BDA00021875412400000517
θi为人为定义的变量，
Figure BDA00021875412400000518
Figure BDA00021875412400000519
表示ai(n)的转移矩阵，
Figure BDA00021875412400000520
表示
Figure BDA00021875412400000521
的谱半径，
Figure BDA00021875412400000522
用户
Figure BDA00021875412400000523
在时间n请求的数据量表示为ai(n)；在时间n，从中继结点到用户
Figure BDA0002187541240000061
的服务速率表示为si(n)。
4.中继结点和用户的效用函数
根据缓冲区溢出概率表达式，给出无线内容分发网络中，用户和中继结点的效用函数。
用户的效用函数
Figure BDA0002187541240000062
表示如下：
Figure BDA0002187541240000063
其中，
Figure BDA0002187541240000064
ρ0表示用户成功通过中继传输数据的单位收益；πi为用户购买相应缓冲比例αi的价格；i表示用户编号。
中继结点的效用函数URL为：
Figure BDA0002187541240000065
其中，δ0为中继结点成功中继数据的单位收益。
5.契约理论的个人理性和激励相容
契约理论中的个人理性和激励相容两个条件，个人理性条件IR表示为：
Figure BDA0002187541240000066
激励相容条件IC表示为：
Figure BDA0002187541240000067
其中，
Figure BDA00021875412400000612
表示的是分配给用户
Figure BDA00021875412400000613
的契约条目。
6.建立最优问题及其解法
构建最大化中继结点效用函数，且受限于个人理性和激励相容条件的优化问题，如下所示：
Figure BDA0002187541240000068
Figure BDA0002187541240000069
Figure BDA00021875412400000610
表示设计出的用户
Figure BDA00021875412400000611
的最优契约条目。用内点法，确定最优的缓冲资源分配方案，及其对应的最优价格。获得的最优契约，能够最大化中继结点的效益函数，进一步提升无线内容分发网络的分发性能。
图2为本发明提出的契约理论方法与均匀分配方法，关于中继结点和用户效用函数值的对比。图3是本发明操作步骤流程图。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.无线内容分发网络中基于契约理论的缓冲资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：首先确定缓冲中的积压长度、缓冲区容量、数据到达速率和服务速率之间的关系；运用鞅理论，确定缓冲区溢出概率表达式；步骤S1中，运用鞅理论确定缓冲中的积压长度、缓冲区容量、数据到达速率和服务速率之间的关系，确定的缓冲区溢出概率表达式为：
Figure FDA0002528001550000011
其中，用户在缓冲区中的积压用Qi表示，CB表示中继结点贡献出的缓冲区容量大小，αiCB表示分配给用户
Figure FDA0002528001550000012
的缓冲容量，αi,0≤αi≤1表示占中继结点贡献的整个缓冲容量的比例，并且满足
Figure FDA0002528001550000013
N为中继结点同时服务的用户个数；
Figure FDA0002528001550000014
表示对
Figure FDA0002528001550000015
求期望，
Figure FDA0002528001550000016
表示a(0)的右特征向量，a(0)表示时间为0时的请求的初始数据量；
Figure FDA0002528001550000017
Figure FDA0002528001550000018
表示ai(n)的右特征向量，
Figure FDA0002528001550000019
表示si(n)的右特征向量；
Figure FDA00025280015500000110
θi为人为定义的变量，
Figure FDA00025280015500000111
Figure FDA00025280015500000112
表示ai(n)的转移矩阵，
Figure FDA00025280015500000113
表示
Figure FDA00025280015500000114
的谱半径，
Figure FDA00025280015500000115
用户
Figure FDA00025280015500000116
在时间n请求的数据量表示为ai(n)；在时间n，从中继结点到用户
Figure FDA00025280015500000117
的服务速率表示为si(n)；
S2：根据缓冲区溢出概率表达式，给出无线内容分发网络中用户和中继结点的效用函数；步骤S2中，用户的效用函数
Figure FDA00025280015500000118
表示如下：
Figure FDA00025280015500000119
其中，
Figure FDA0002528001550000021
ρ0表示用户成功通过中继传输数据的单位收益；πi为用户购买相应缓冲比例αi的价格；i表示用户编号；
中继结点的效用函数URL为：
Figure FDA0002528001550000022
其中，δ0为中继结点成功中继数据的单位收益；
S3：进一步给出契约理论中的个人理性和激励相容两个条件；
S4：构建最大化中继结点效用函数，且受限于个人理性和激励相容条件的优化问题；
S5：对优化问题进行求解，确定最优的缓冲资源分配方案，及其对应的最优价格。
2.如权利要求1所述的无线内容分发网络中基于契约理论的缓冲资源分配方法，其特征在于：步骤S3中，个人理性条件IR表示为：
IR：
Figure FDA0002528001550000023
激励相容条件IC表示为：
IC：
Figure FDA0002528001550000024
Figure FDA0002528001550000025
表示的是分配给用户
Figure FDA0002528001550000026
的契约条目。
3.如权利要求2所述的无线内容分发网络中基于契约理论的缓冲资源分配方法，其特征在于：步骤S4中，构建最大化中继结点效用函数，且受限于个人理性和激励相容条件的优化问题，如下所示：
Figure FDA0002528001550000027
Figure FDA0002528001550000028
其中，
Figure FDA0002528001550000029
表示设计出用户
Figure FDA00025280015500000210
的最优契约。
4.如权利要求3所述的无线内容分发网络中基于契约理论的缓冲资源分配方法，其特征在于：步骤S5中，采用内点法，确定最优的缓冲资源分配方案，及其对应的最优价格。
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