[論文レビュー] Optimal Pricing-Based Edge Computing Resource Management in Mobile Blockchain

Zehui Xiong, Shaohan Feng+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2017

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 7被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、モバイルブロックチェーンにおける最適な価格設定に基づくエッジコンピューティングリソース管理のための2段階のスタックルベルクゲームを提案する。エッジサービスプロバイダー（ESP）が価格を設定し、マイナーはオフロードされたマイニング需要を決定する。分析的証明により、差別的価格設定は均一価格設定よりも総需要およびESPの利益をより効果的に増加させることを示している。また、一意の均衡解の存在を保証している。

ABSTRACT

As the core issue of blockchain, the mining requires solving a proof-of-work puzzle, which is resource expensive to implement in mobile devices due to high computing power needed. Thus, the development of blockchain in mobile applications is restricted. In this paper, we consider the edge computing as the network enabler for mobile blockchain. In particular, we study optimal pricing-based edge computing resource management to support mobile blockchain applications where the mining process can be offloaded to an Edge computing Service Provider (ESP). We adopt a two-stage Stackelberg game to jointly maximize the profit of the ESP and the individual utilities of different miners. In Stage I, the ESP sets the price of edge computing services. In Stage II, the miners decide on the service demand to purchase based on the observed prices. We apply the backward induction to analyze the sub-game perfect equilibrium in each stage for uniform and discriminatory pricing schemes. Further, the existence and uniqueness of Stackelberg game are validated for both pricing schemes. At last, the performance evaluation shows that the ESP intends to set the maximum possible value as the optimal price for profit maximization under uniform pricing. In addition, the discriminatory pricing helps the ESP encourage higher total service demand from miners and achieve greater profit correspondingly.

研究の動機と目的

• モバイルデバイスにおけるブロックチェーンマイニングの高い計算コストを軽減するため、エッジコンピューティングリソースへのオフロードを可能にする。
• モバイルブロックチェーンアプリケーションにおいて、ESP利益とマイナー効用を最適にバランスさせる価格設定メカニズムを設計する。
• ESPとマイナーの間の相互作用を、戦略的リソース配分のための2段階スタックルベルクゲームとしてモデル化する。
• モバイルブロックチェーンにおけるエッジコンピューティングサービスの均一価格設定および差別的価格設定の両方のスキームを分析する。
• 両方の価格設定モデルの下で、スタックルベルク均衡の存在および一意性を検証する。

提案手法

• 2段階スタックルベルクゲームを定式化：第1段階でESPが価格を設定し、第2段階でマイナーは観測した価格に基づいてサービス需要を決定する。
• 後退帰納法を用いて、第2段階におけるマイナー間の一意のナッシュ均衡を導出し、第1段階でESP利益を最適化する。
• 変分不等式および1次条件を用いて、両方の価格設定スキームにおける均衡の存在および一意性を分析する。
• 最適応答関数を用いて、均一価格設定および差別的価格設定の下での最適マイナー需要の閉形式表現を導出する。
• 異なる価格戦略の下での利益および需要のシミュレーションベースの性能評価を通じて、解析的結果を検証する。
• マイナーのための効用関数を導入し、マイニング報酬、コスト、サービス需要のバランスを取る。ESPの利益関数は、価格と需要に基づく。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エッジコンピューティングサービスの価格設定は、どのように最適化されるべきか？その目的は、モバイルブロックチェーンにおけるエッジサービスプロバイダー（ESP）の利益を最大化すると同時に、マイナーからの最適な需要を確保することにある。
• RQ2 均一価格設定と差別的価格設定の違いが、モバイルブロックチェーンリソース管理における総サービス需要およびESP利益に与える影響は何か？
• RQ3 提案された2段階ゲームモデルにおいて、両方の価格設定スキームの下で一意のスタックルベルク均衡が存在するか？
• RQ4 マイナーの需要応答は、異なる価格戦略およびシステムパラメータにどのように変化するか？
• RQ5 提案されたゲーム理論的フレームワークにおいて、均衡の存在および一意性を保証する条件は何か？

主な発見

• 均一価格設定の下では、需要が非弾力的であるため、ESPは最高の価格を設定することで利益を最大化できる。
• 差別的価格設定により、ESPは均一価格設定よりも高い合計サービス需要をマイナーから引きつけられる。
• 差別的価格設定では、需要の増加とより良い価格差別化のおかげで、ESPの利益がより大きくなる。
• 変分不等式および標準関数の性質を用いた解析的証明により、均一および差別的価格設定の両方のスキームにおいて、スタックルベルク均衡が存在し、かつ一意であることが保証されている。
• 各マイナーの最適応答関数は、正かつ単調増加であるため、第2段階ゲームにおける一意のナッシュ均衡が保証される。
• 最適マイナー需要の解析的解は閉形式で導出されており、報酬、コスト、時間などのシステムパラメータに明示的な依存関係を示している。