[論文レビュー] When Data Sponsoring Meets Edge Caching: A Game-Theoretic Analysis

Haitian Pang, Lin Gao+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2017

Caching and Content Delivery参考文献 13被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、両方のサービスとしてセルラーデータサポーティングとエッジキャッシュを提供する状況において、動画コンテンツプロバイダー（CP）と多様なモバイルユーザーの戦略的相互作用を分析する二段階のスタックルベルクゲームモデルを提案する。CPは両サービスの予算を設定し、ユーザーは会員タイプ（サポーティングなし、セルラー、エッジ、ハイブリッド）を選択する。主な発見は、エッジキャッシュとデータサポーティングを併用することで、単一のセルラーデータサポーティングに比べてCPの収益が最大105%向上することである。

ABSTRACT

Data sponsoring is a widely-used incentive method in today's cellular networks, where video content providers (CPs) cover part or all of the cellular data cost for mobile users so as to attract more video users and increase data traffic. In the forthcoming 5G cellular networks, edge caching is emerging as a promising technique to deliver videos with lower cost and higher quality. The key idea is to cache video contents on edge networks (e.g., femtocells and WiFi access points) in advance and deliver the cached contents to local video users directly (without involving cellular data cost for users). In this work, we aim to study how the edge caching will affect the CP's data sponsoring strategy as well as the users' behaviors and the data market. Specifically, we consider a single CP who offers both the edge caching service and the data sponsoring service to a set of heterogeneous mobile video users (with different mobility and video request patterns). We formulate the interactions of the CP and the users as a two-stage Stackelberg game, where the CP (leader) determines the budgets (efforts) for both services in Stage I, and the users (followers) decide whether and which service(s) they would like to subscribe to. We analyze the sub-game perfect equilibrium (SPE) of the proposed game systematically. Our analysis and experimental results show that by introducing the edge caching, the CP can increase his revenue by 105%.

研究の動機と目的

• 5Gネットワークにおけるエッジキャッシュがコンテンツプロバイダーのデータサポーティング戦略に与える影響を理解すること。
• セルラーデータサポーティングとエッジキャッシュを提供するCPと、多様なモバイル動画ユーザーとの戦略的相互作用をモデル化すること。
• 異なる予算およびコストパラメータ下でのユーザー会員タイプ（サポーティングなし、セルラー、エッジ、ハイブリッド）の意思決定を分析すること。
• サポーティングコストとユーザーの誘致をバランスさせつつ収益を最大化するCPの最適な予算配分を特定すること。

提案手法

• 二段階のスタックルベルクゲームを定式化：CP（リーダー）が第1段階でセルラーデータサポーティングおよびエッジキャッシュの予算を設定し、ユーザー（フォロワー）が第2段階で会員タイプを選択する。
• サポーティングの利点、データコスト、キャッシュ効果に基づくユーザーのユーティリティをモデル化し、4つの会員タイプ（NoSp、CellSp、EdgeSp、HybridSp）を定義する。
• 第2段階におけるユーザーの最適反応を解き、第1段階におけるCPの予算最適化によって部分ゲーム完全均衡（SPE）を分析する。
• ボックス制約付きの非凸な2変数最適化問題を解くために数値的手法を用い、逐次的一次元探索を適用する。
• 動的ユーザー選択アルゴリズムを用いて、会員割合の均衡への収束をシミュレートする。
• 10,000人のモバイルユーザーと、1人あたりのサポーター収益、コスト、キャッシュ効率を含むシステムパラメータを用いたシミュレーションにより結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エッジキャッシュとセルラーデータサポーティングの共存が、ユーザーの会員選択行動にどのように影響を与えるか？
• RQ2 CPがエッジキャッシュとデータサポーティングの両方を提供する場合、収益を最大化するための最適な予算配分は何か？
• RQ3 エッジキャッシュの導入が、単一のセルラーデータサポーティングに依存する場合と比較してCPの収益に与える影響は何か？
• RQ4 ユーザーがハイブリッドサポーティング（両方のサービス）を選択する条件は何か？

主な発見

• CPの収益は、エッジキャッシュとセルラーデータサポーティングを併用することで、単一のセルラーデータサポーティングに比べて最大105%向上する。
• 1人あたりのサポーター収益 $v$ が上昇するにつれて、ハイブリッドサポーティングを選択するユーザーの割合が単調に増加し、利益が高くなるほどユーザーの両方への参加意欲が高まることを示している。
• セルラーデータサポーティングにおける1人あたりのコスト $c_1$ が上昇するにつれて、セルラーサポーティングを選択するユーザーの割合は減少するが、エッジキャッシュはより魅力的になる。$c_1 \geq 3$ の場合、セルラーサポーティングを選択するユーザーはいなくなる。
• 動的ユーザー選択プロセスにおいて、システムは約10回の反復で均衡に収束し、均衡時の会員割合は：9% NoSp、28% CellSp、21% EdgeSp、42% HybridSp となる。
• 最適な予算配分は、セルラーおよびエッジキャッシュの予算に対する最適反応関数の交点に位置し、シミュレーション設定では $\alpha_1^* = 0.2$ および $\alpha_2^* = 0.26$ となる。
• 純粋なエッジキャッシュに比べて、両方のメカニズムを組み合わせたサポーティングモデルは最大収益増加で85%優れていることから、両方のメカニズムを併用する戦略的利点が示されている。