[论文解读] 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 8

一句话总结

本文提出了一种两阶段Stackelberg博弈模型，用于移动区块链中基于最优定价的边缘计算资源管理，其中边缘服务提供商（ESP）设定价格，矿工则决定卸载的挖矿需求。研究表明，与统一定价相比，差别定价能更有效地提高总需求和ESP利润，并通过分析证明了唯一均衡的存在性。

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.

研究动机与目标

• 通过将移动设备中的区块链挖矿计算任务卸载至边缘计算资源，解决其高计算成本问题。
• 设计一种定价机制，以在移动区块链应用中实现ESP利润与矿工效用的最优平衡。
• 将ESP与矿工之间的互动建模为两阶段Stackelberg博弈，以实现战略资源分配。
• 分析移动区块链中边缘计算服务的统一定价与差别定价方案。
• 验证在两种定价模型下Stackelberg均衡的存在性与唯一性。

提出的方法

• 构建两阶段Stackelberg博弈：ESP在第一阶段设定价格，矿工在第二阶段根据观察到的价格选择服务需求。
• 采用逆向归纳法，推导第二阶段矿工之间的唯一纳什均衡，并在第一阶段优化ESP利润。
• 利用变分不等式与一阶条件，分析两种定价方案下均衡的存在性与唯一性。
• 通过最优反应函数，推导出统一定价与差别定价下最优矿工需求的闭式表达式。
• 通过基于仿真的性能评估，验证分析结果在不同定价策略下的利润与需求表现。
• 为矿工引入效用函数，以平衡挖矿奖励、成本与服务需求；为ESP建立基于定价与需求的利润函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何对边缘计算服务进行定价，以在确保矿工最优需求的同时，最大化边缘服务提供商（ESP）的利润？
• RQ2 在移动区块链资源管理中，统一定价与差别定价对总服务需求与ESP利润分别产生何种影响？
• RQ3 在所提出的两阶段博弈模型中，两种定价方案下是否存在唯一的Stackelberg均衡？
• RQ4 矿工的需求响应如何随不同定价策略与系统参数而变化？
• RQ5 在所提出的博弈论框架中，确保均衡存在性与唯一性的条件是什么？

主要发现

• 在统一定价下，ESP通过设定最高可能价格来实现利润最大化，因为需求缺乏弹性，价格越高，收入越大。
• 与统一定价相比，差别定价使ESP能够吸引更高的总服务需求。
• 由于需求增加和更优的价格差异化，ESP在差别定价下实现更高的利润。
• 通过变分不等式与标准函数性质的分析证明，统一与差别定价方案下均存在唯一Stackelberg均衡。
• 每个矿工的最优反应函数严格为正且单调，确保第二阶段博弈中存在唯一纳什均衡。
• 最优矿工需求的解析解以闭式表达，明确依赖于奖励、成本与时间等系统参数。