[发明专利]基于激励机制的D2D协作式缓存方法

说明书

本发明涉及一种基于激励机制的D2D协作式缓存方法，其联合考虑激励成本及缓存放置策略的关系，从网络运营商（Network Operator，NO）的角度构建一个系统效用函数，并寻求可使网络运营效用最大化的缓存服务者的选取及缓存放置的联合最优解。

技术领域

本发明面向移动通信领域，提出了一种适用于D2D无线缓存网络的激励机制，并在该激励机制下，设计了考虑用户偏好和用户分布的协作式缓存方法。

背景技术

终端直通技术(Device-to-Device,D2D)是指使能邻近的终端设备之间不经过基站的转发和传输而直接进行通信的一种技术，它能够有效增加蜂窝网络容量，降低基站负载，降低通信时延，是5G移动通信的关键技术之一。图1是D2D通信场景示意图。

据Cisco数据预测，移动数据流量将以每年47％的速率增长，到2021年单月流量达到49EB，移动终端数量预测达到116亿[1]，这对于现有的蜂窝系统是一个巨大的挑战。传统的蜂窝网络技术难以应对爆发式增长的数据需求，需要探索新的技术以进一步提升网络容量。随着用户设备存储空间的增大和计算能力的增强，将数据预先放置到移动设备获得了广泛的关注。通过数据预缓存及D2D通信技术，可将用户数据请求实现本地卸载，能够降低网络拥塞，减少传输时延，从而有效地提升系统频谱效率和能量效率。

在大部分现有文献中，D2D缓存终端被当作是无私的，即用户终端无私地贡献缓存空间参与到协作缓存中。而实际上，缓存帮助者需要消耗存储资源、能量资源等。因此，从用户自私性角度看，在缺乏激励时，用户倾向于不参与文件缓存或者仅缓存其偏好的文件。另一方面，当系统中的缓存服务者很少时，若缓存服务者均只缓存其偏好文件，则不利于协同数据卸载，对系统的流量卸载贡献有限。基于此，需要设计一种有效的缓存激励机制，激励用户参与协作缓存与传输，并且针对用户缓存文件与其偏好的差异提供不同的激励，以促使用户参与到不限文件类型的协作存储中来。通过合理化配置文件，提高网络效用(Network Utility，NU)，以尽量少的激励成本获得尽量多的流量卸载。

目前已有一些文献研究了D2D缓存设计的方案，简要介绍如下：

文献[2]-[4]讨论了对D2D通信的激励，但是没有考虑对文件预缓存的激励及缓存策略优化问题，导致不能从缓存命中的角度提升系统卸载性能。其中，文献[2]-[3]基于合同理论，设计了对称和不对称信息下的合同来激励蜂窝中用户参与D2D通信。文献[4]则考虑D2D用户自行根据自己的偏好意愿独立地决定缓存文件，并向基站上报其单位功率消耗，由基站进一步管理内容分发，此外还联合考虑了功率分配、信道分配、链路管理、回报设计等多个因素，建立使系统效用最大化为目标的优化模型，但是该方案更偏向于传输方案优化，而未考虑缓存方案的优化。

文献[5]假设用户进行报价投标，基站评估用户价值再进一步做缓存决策，设计了基于Vickrey-Clarke-Groves(VCG)拍卖的激励机制，但是该机制复杂度高，损失函数难以直接计量，限制了其实用性。

文献[6]将基站和缓存者的相互作用建模为一个Stackelberg博弈，由基站计算单位激励，用户根据激励大小决定缓存策略以最大化自身的效用。但该方法对所有用户提供一致的单位激励，而没有考虑用户私人偏好对用户缓存意愿的影响。

文献[7]，[8]从降低用户成本的角度设计了基于社交的缓存激励方案。文献[7]主要从放置成本与接入成本角度讨论用户是否成为缓存节点，基于用户互助的假设，默认成为缓存节点的用户愿意免费为其他具有较近物理及社交距离的用户缓存文件提供卸载服务，但这并不完全符合用户的自私属性。文献[8]基于文献[7]进一步设定了非缓存节点向缓存节点报价的机制，采用博弈论分层算法进行设计。然而，文献[7]，[8]均未考虑用户缓存空间等约束条件，且不考虑激励无数据需求的用户参与缓存和传输，存在一定的局限性。

综上，现有的方案存在不同程度的设计缺陷，缺乏对缓存用户激励、用户偏好、缓存策略的有效联合设计，不能有效提高D2D无线缓存系统性能。