[发明专利]一种面向内容协作缓存的边缘联盟博弈方法

权利要求书

1.一种面向内容协作缓存的边缘联盟博弈方法，其特征在于包括以下步骤：

A、建立缓存基础设施提供者联盟系统模型；

缓存基础设施提供者包括固定基站和带存储单元的移动车辆，不同的缓存基础设施提供者组成一个联盟，为内容提供者提供缓存服务，并在联盟之间合理分配收益，选择哪个缓存基础设施提供者合作和在每个特定区域租用多少存储资源将决定获得的利润，联盟形成的整个过程是动态的，取决于系统的状态，每个缓存基础设施提供者在每个时隙决定是否与其他缓存基础设施提供者合作；

设缓存基础设施提供者的集合为，其中表示拥有基站的固定缓存基础设施提供者的集合，表示拥有移动缓存车辆的移动缓存基础设施提供者的集合，联盟系统模型包含了集合为的基站和集合为的缓存车辆，它们分别属于不同的固定缓存基础设施提供者，用边缘节点来指代基站和缓存车辆，所有缓存节点的集合表示为，对于固定和移动分别定义和为属于它们的基站和缓存车辆集合，表示属于缓存基础设施提供者的边缘节点的集合，表示在基站k覆盖范围内的缓存车辆的集合；

当一个请求到达基站，如果基站缓存了它需求的内容，那么就会直接把内容发给用户；否则，在基站覆盖范围内和基站协作的缓存车辆可以作为协助节点来处理请求；同时，基站之间可以通过高速链接互相协作；

基站作为静止的边缘节点，其数量和位置是固定的；在每个时隙，确定每个基站覆盖范围内可用的缓存车辆的数量，根据移动缓存基础设施提供者提供的轨迹数据，基站计算每个移动缓存基础设施提供者在其区域内某个时间段内的最小缓存车辆数量作为可用车辆数量；

联盟中的所有基站在每个时间段连续收集到达请求的信息，包括到达率和类型的比例；缓存车辆的状态，包括可用车辆的数量和它们属于哪个缓存基础设施提供者，通过联盟中的移动缓存基础设施提供者获取并发送给基站；

B、设置联盟系统模型的服务位置；

固定的内容库包含集合为，它的被请求的概率和大小分别为和，，内容i被请求的概率为，

其中，的值介于0.5到1之间，表示分布的峰值，反映分布的不同偏度，对于基站k，用户的到达速率为，请求内容j的请求的到达速率为，表示缓存节点i的缓存容量，一个基站或是缓存车辆不能同时缓存所有内容，缓存节点根据用户的请求有选择地缓存内容，用二元变量来表示内容放置的状态，表示内容j放置在缓存节点i，每个缓存节点缓存的内容不能超出它的存储容量，

；

C、设置用户请求调度策略；

表示请求调度策略，表示请求内容j的请求在本地基站i处理的比例，对于且，表示请求内容j的请求从基站i负载到基站k的比例，表示分配到宏单元的负载比例，对于，表示请求内容j的请求从基站i分配到缓存车辆v的比例，基站只能把它的请求分配到在它覆盖范围内的协作缓存车辆，对于，当满足时成立，对于每个基站i，请求内容j的请求能在本地处理、在协助基站、范围内的缓存车辆或是宏单元处理，负载比例满足：

；

表示为从基站k的缓存中提供在基站i请求的内容j所获得的利润，为从缓存车辆v的缓存中提供在基站i请求的内容j所获得的利润，用宏单元为请求提供服务通常会给延迟关键服务带来不可容忍的传输延迟，表示通过宏单元服务内容j的罚款，设；

D、建立服务请求模型；

将请求视为客户，每个缓存节点作为一个服务台，为客户提供服务；根据所有缓存节点的内容位置，请求被分配给基站、缓存车辆或宏单元；当请求被调度到另一个基站时，从另一个基站获取的内容首先通过高容量链接传输到被请求的基站，然后由被请求的基站发送给用户，这可以看作是一个两阶段的过程；因为在第二阶段，内容是通过本地基站的传输链路发送的，这就占用了本地基站的通信资源；本地基站或另一个基站的请求服务都被视为本地基站的执行过程；和，表示到达基站i和缓存车辆v的请求速率；设内容大小满足均值为的指数分布，对应的基站i和缓存车辆v的服务速率也服从均值分别为和；

每个基站和缓存车辆为没有请求优先级和等待队列限制的M/M/1队列，基站每个请求的平均时延为，

，

设，在基站范围内的缓存车辆v每个请求的平均时延为，

，

其中，为了保证服务质量，定义一个时延阈值满足，传输时延的约束定义为

；

E、计算联盟系统收益；

联盟系统的收益为，

联盟系统为过载条件支付的罚金为，

；

F、优化内容缓存策略和工作负载调度策略，使联盟系统利润最大化；

将优化问题表示为，

决策变量是和，限制条件为缓存节点的内容不能超过其容量，来自基站的请求都被调度到本地基站、其他基站、覆盖范围内的缓存车辆或宏单元，每个缓存节点请求的平均传输延迟不超过时延阈值，申请j内容的请求不会被调度到一个没有缓存j内容的缓存节点，基站只能将其请求重定向到其覆盖范围内的缓存车辆；

G、设置联盟系统利润分配方案；

设第i个缓存基础设施提供者对联盟的边际贡献为，U为价值函数，第i个缓存基础设施提供者从联盟分配到的收益为

其中是的全排列的子集，是排列π中在前面的玩家的集合；

设定义缓存节点缓存每个单位的成本为，第i个缓存基础设施提供者的缓存成本为；

第i个缓存基础设施提供者的净利润为；

H、设置联盟博弈方案；

设玩家i的偏好函数，玩家i比更偏好，当且仅当，，偏好函数等于每个用户在联盟中分配到的效用；

当参与者没有动机单方面改变自己的联盟为分区中的另一个联盟时，分区中的参与者是纳什稳定的，，通过将效用值和联盟划分结合，联盟形成博弈被定义在集合N上，集合的效用值和其他联盟无关，满足，为优化问题的最优解；

收益分配方法满足以下条件，

有效性：；

对称性：若，对于所有都成立，则；

公平性：对于任何，j对于i的贡献等于i对于j的贡献，；

虚拟性：如果i是一个虚拟的玩家，即对于所有，则。

2.根据权利要求1所述的面向内容协作缓存的边缘联盟博弈方法，其特征在于：步骤H中，

在特定时间t的决策过程由若干个回合组成，每个回合包括N’个步骤，每个参与者都可以做出决策；在t轮中，随机序列产生，其中表示第i个被选中进行决策的参与人，在每一步中，玩家i选择离开当前的联盟并加入新的联盟或留在当前的联盟中，具体包括，

玩家i迭代地检索当前划分，使用一组来记录参与人i之前加入的历史联盟，检索过程忽略历史集合中的联盟，计算参与人i加入新的联盟的利润；若新联盟的收益超过当前的，则新联盟被记录为最佳联盟，这个过程将继续，直到所有可能的联盟都完成，除了历史集中的联盟，在迭代之后，若最好的联盟已经被更新，那么当前的联盟将被追加到历史集，并获得一个新的当前划分；

在第t轮结束时，在所有参与人做出决策后，我们获得并记录一个划分，在给定的第t+1轮，若，则表示没有玩家可以为了更好的利润而偏离他们当前的联盟，那么就达到了纳什稳定。