[论文解读] Data offloading in mobile edge computing: A coalitional game based pricing approach

Tian Zhang, Wei Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2017

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 13被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于合作博弈的定价框架，用于移动边缘计算（MEC）中的数据卸载，其中移动设备（MDs）与MEC服务器组成联盟以优化卸载决策。通过引入定价机制激励合作，该方案提升了吞吐量和效用，数值结果表明，大联盟（grand coalition）实现了最高效用，且理论证明核心非空。

ABSTRACT

Mobile edge computing (MEC), affords service to the vicinity of mobile devices (MDs), has become a key technology for future network. Offloading big data to the MEC server for preprocessing is a attractive choice of MDs. In the paper, we investigate data offloading from MDs to MEC servers. A coalitional game based pricing scheme is proposed. We apply coalitional game to depict the offloading relationship between MDs and MEC servers, and utilize pricing as the stimuli for the offloading. A scheduled MD chooses one MEC server within the same coalition for offloading, and pays the selected MEC server for the MEC service. We formulate a coalitional game, where MDs and MEC servers are players and their utilities are respectively defined. Next, we analyze the formulated game. Specially, the core is studied. Finally, utility performance of the proposed scheme under the 2-MD and 2-MEC- server scenario are demonstrated.

研究动机与目标

• 解决多移动设备与多MEC服务器环境中高效数据卸载的挑战。
• 设计一种机制，通过定价激励促进MD与MEC服务器之间的合作。
• 将卸载过程建模为合作博弈，以实现稳定且高效的联盟形成。
• 分析博弈的核心，确保玩家之间效用分配的稳定性和公平性。

提出的方法

• 构建一个合作博弈模型，其中MD与MEC服务器为参与者，效用基于吞吐量增益与定价成本进行定义。
• 引入覆盖概率指标，用于评估MEC服务器的可用性及其对MD选择的质量。
• 使用定价作为激励机制：MD向MEC服务器支付服务费用，而MEC服务器的收入与卸载数据量成正比。
• 应用博弈论分析研究核心，确保无任何联盟有动机脱离，并推导出核心非空的充分条件。
• 模拟多种联盟结构（例如C1至C7），在不同配置下比较效用性能。
• 将传输距离作为关键参数，评估覆盖概率及其对数据速率与效用的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多用户、多服务器的MEC环境中，如何联合调度MD与MEC服务器以最大化卸载效率？
• RQ2 何种定价策略能有效激励MD与MEC服务器之间的合作，同时平衡效用增益与成本？
• RQ3 哪种联盟结构能为MD与MEC服务器带来最高的效用性能？
• RQ4 在何种条件下，合作博弈的核心非空，从而确保所形成联盟的稳定性？
• RQ5 受传输距离影响的覆盖概率如何影响卸载性能与效用分配？

主要发现

• 大联盟（C1）——即所有MD与MEC服务器组成单一团体——为所有参与者实现了最高效用，且被证明位于核心之中。
• 随着传输距离增加，效用性能提升，原因在于更高的覆盖概率提升了数据速率与MEC服务器的可用性。
• MD 1始终优于MD 2，原因在于其在联盟内调度中享有优先权，表明选择顺序对效用具有显著影响。
• MEC-s 4的性能优于MEC-s 3，因其具有更高的覆盖概率，从而实现更多数据卸载与更高收入。
• 即使没有MEC服务器，形成联盟（如C3与C7）仍能通过减少碰撞与提升有效吞吐量来提高MD的效用。
• 当所有效用为正且满足引理3的条件时，核心非空，证实了大联盟的稳定性。