基于契约理论车辆边缘计算资源动态共享激励方法及装置

本技术涉及车辆边缘计算，具体涉及一种基于契约理论的车辆边缘计算资源动态共享激励方法及装置。

背景技术：

1、随着信息通信技术的飞速发展，数据传输速率和计算需求呈指数级增长。例如，实时视频流、增强现实、交互式游戏、自动驾驶等新兴5g应用，加大了对网络通信、计算等资源的需求。由于用户设备和远程数据中心之间的距离较远，传统的云计算范式很难保证严格的服务质量(qos)和体验质量(qoe)要求。移动边缘计算是一种很有前途的技术，通过在基站或路边单元部署固定的边缘服务器，将计算能力扩展到用户附近。然而，为了覆盖大面积的地理区域，必须部署和维护大量高成本、高能效的边缘服务器，这不可避免地导致大量的资本支出和运营支出。此外，考虑到当用户计算资源需求很大时，将导致边缘服务器的过载。因此，如何寻找新的方法来提供计算资源仍然是一个有待解决的问题。

2、未来车辆将配备更强大的车载计算机、更大容量的数据存储单元和更先进的通信模块，以提高驾驶的安全性、方便性和满意度。因此，车辆可作为移动边缘服务器，在不部署额外服务器的情况下，将大量车辆边缘服务器提供的计算资源进行聚合和利用，以缓解高峰时段的网络拥塞。例如，车辆边缘服务器可以作为边缘节点，增强实时计算能力。然而，如何激励车辆边缘服务器贡献剩余的计算资源仍然面临着关键的挑战。

3、由于车辆边缘服务器的私有信息(如对资源共享的偏好和可用资源的总量)是非对称的，即车辆边缘服务器本身已知，但路边单元服务器未知。因此，在信息非对称的情况下，建立有效的激励机制至关重要。契约理论作为一种信息非对称下的激励机制是一种常见的方式，但是目前主要研究静态契约设计，然而，在实际情况中，车辆边缘服务器的资源共享偏好和剩余计算资源量等私人信息可能会发生变化，同时，为了避免路边单元服务器频繁地选择车辆边缘服务器而产生额外交易成本，需设计一个长期承诺的动态契约来激励车辆边缘服务器参与贡献计算资源。

4、中国专利cn115334551a公开了一种基于契约理论的任务卸载与资源分配优化方法及系统，所述方法首先建立基站和边缘服务器的模型，针对任务卸载场景，计算基站和边缘服务器的效用；然后构建基于契约理论的边缘计算网络任务卸载与资源分配联合优化目标函数，最后通过数学方法和遗传优化算法求解基于契约理论的边缘计算网络任务卸载与资源分配联合优化目标函数，获取最优的契约项。但是其并未针对车辆的实际状态而提供相应的静态契约或动态契约，导致对计算资源的浪费。

5、综上可见，亟需提供一种能够保证路边单元服务器获得更大的效用，能够实现更好的计算资源调度，达到对计算资源高效利用的车辆边缘计算资源动态共享激励方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术提出一种基于契约理论的车辆边缘计算资源动态共享激励方法及装置，考虑到车辆边缘计算网络场景中车辆边缘服务器的自私性和网络信息的非对称性，对符合动态契约激励条件和静态契约激励的车辆边缘服务器，针对车辆边缘服务器剩余计算资源量和共享计算资源意愿的动态和时变特性，分别设计贯穿两阶段车辆边缘计算网络的动态契约模型和静态契约模型，结合个人理性约束条件和激励相容性约束条件，实现对车辆边缘服务器私有信息的甄别，以激励其积极参与计算资源的共享，从而实现更好的计算资源调度，达到计算资源的高效利用以及双方利益最大化的目的。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

3、第一方面，本技术提供了一种基于契约理论的车辆边缘计算资源动态共享激励方法，包括：

4、路边单元服务器向车辆边缘服务器提供契约，建立路边单元服务器效用模型和车辆边缘服务器效用模型；

5、对车辆边缘服务器分别构建动态契约模型和静态契约模型，路边单元服务器向车辆边缘服务器分别提供动态契约和静态契约，契约规定了车辆边缘服务器提供的计算资源量及路边单元服务器给予车辆边缘服务器的回报；

6、结合所述路边单元服务器效用模型和车辆边缘服务器效用模型，建立激励相容性约束条件和个人理性约束条件；

7、建立优化问题模型，采用序列优化算法获得契约的最优解。

8、在一种可能的实现方式中，所述路边单元服务器效用模型的建立过程为：

9、根据车辆边缘服务器的计算资源共享意愿强弱将m个所述车辆边缘服务器分为n种类型，所述路边单元服务器对每种类型的车辆边缘服务器制定一个契约，契约内容为(σi,πi)，i＝1,2,...,n，σi表示第i类型车辆边缘服务器所贡献的计算资源，πi表示路边单元服务器给予第i类型车辆边缘服务器的回报；

10、所述路边单元服务器通过与车辆边缘服务器签订契约雇佣车辆边缘服务器提供计算资源，第i类型车辆边缘服务器的服务使得路边单元服务器所增加的收益为：

11、

12、其中，rrsu表示路边单元服务器每单位节省时间的收益，crsu表示路边单元服务器在一个阶段内所能处理的最大计算任务量，σrsu表示路边单元服务器的计算能力；

13、对于n种类型的m个所述车辆边缘服务器，所述路边单元服务器与之签订契约的总期望效用为：

14、

15、其中，m表示车辆边缘服务器的个数；λi表示每个车辆边缘服务器属于第i类型的概率。

16、在一种可能的实现方式中，所述车辆边缘服务器效用模型的建立过程为：

17、m个所述车辆边缘服务器被分为n种类型：θ1<…<θi<…<θn，θi表示第i类型车辆边缘服务器的类型值，代表第i类型车辆边缘服务器所能提供的最大计算资源量，第i类型车辆边缘服务器在签订契约(σi,πi)时获得的效用为：

18、

19、其中，σi表示第i类型车辆边缘服务器所贡献的计算资源；πi为路边单元服务器给予第i类型车辆边缘服务器的回报；θi表示第i类型车辆边缘服务器的类型值。

20、在一种可能的实现方式中，所述对车辆边缘服务器分别构建动态契约模型和静态契约模型，包括：

21、对符合动态契约激励条件的车辆边缘服务器，针对车辆边缘服务器剩余计算资源和共享意愿的动态特性，建立包括第一阶段和第二阶段的两阶段车辆边缘计算网络动态契约模型；

22、对符合静态契约激励条件的车辆边缘服务器，建立车辆边缘计算网络静态契约模型。

23、在一种可能的实现方式中，在所述两阶段车辆边缘计算网络动态契约模型中，所述路边单元服务器向车辆边缘服务器提供两阶段契约其中：

24、为第一阶段的契约，表示路边单元服务器在第一阶段对第i类型车辆边缘服务器设计的契约，表示第一阶段中第i类型车辆边缘服务器所贡献的计算资源，表示路边单元服务器给予第一阶段中第i类型车辆边缘服务器的回报；

25、为第二阶段的契约，表示路边单元服务器在第二阶段对在第一阶段选择第i类型契约的第k类型车辆边缘服务器所设计的契约，表示第二阶段中在第一阶段选择第i类型契约的第k类型车辆边缘服务器所贡献的计算资源，表示路边单元服务器在第二阶段中给予在第一阶段选择第i类型契约的第k类型车辆边缘服务器的回报。

26、在一种可能的实现方式中，在所述车辆边缘计算网络静态契约模型中，路边单元服务器给车辆边缘服务器制定契约(σi,πi)，σi表示第i类型车辆边缘服务器所贡献的计算资源；πi为路边单元服务器给予第i类型车辆边缘服务器的回报。

27、在一种可能的实现方式中，所述激励相容性约束条件包括动态契约跨期激励相容性约束条件和静态契约激励相容性约束条件，其中，

28、所述动态契约跨期激励相容性约束条件为：ω∈1,2,…,n，表示第一阶段的第i类型车辆边缘服务器的类型值；表示路边单元服务器给予第一阶段的第i类型的车辆边缘服务器的回报；表示第一阶段的第i类型的车辆边缘服务器所贡献的计算资源；表示路边单元服务器给予第一阶段的第j类型的车辆边缘服务器的回报；表示第一阶段的第j类型的车辆边缘服务器所贡献的计算资源；

29、所述静态契约激励相容性约束条件为：θiπi-σi≥θiπj-σj，ω∈1,2,…,n，θi表示第i类型车辆边缘服务器的类型值；πi表示路边单元服务器给予第i类型车辆边缘服务器的回报；σi表示第i类型车辆边缘服务器所贡献的计算资源；πj表示路边单元服务器给予第j类型车辆边缘服务器的回报；σj表示第j类型车辆边缘服务器所贡献的计算资源。

30、在一种可能的实现方式中，所述个人理性约束条件，包括动态契约跨期个人理性约束条件和静态契约个人理性约束条件，其中，

31、所述动态契约跨期个人理性约束条件为：表示第一阶段的第i类型车辆边缘服务器的类型值；表示路边单元服务器给予第一阶段的第i类型的车辆边缘服务器的回报；表示第一阶段的第i类型的车辆边缘服务器所贡献的计算资源；δ为折现因子，表示第一阶段和第二阶段持续时间长短；表示车辆边缘服务器在第一阶段是i类型的情况下，第二阶段是k类型的概率；表示第二阶段是k类型的车辆边缘服务器在选择契约时的效用；

32、所述静态契约个人理性约束条件为：θiπi-σi≥0，ω∈1,2,…,n，θi表示第i类型车辆边缘服务器的类型值，πi表示路边单元服务器给予第i类型车辆边缘服务器的回报，σi表示第i类型车辆边缘服务器所贡献的计算资源。

33、在一种可能的实现方式中，所述优化问题模型为：

34、

35、其中，

36、

37、

38、

39、s.t.c1,c2,c3,c4,c5,c6,c7,c8,c9

40、c1:

41、c2:

42、c3:

43、c4:

44、c5:

45、c6:

46、c7:

47、c8:

48、c9:

49、其中，σi表示第i类型车辆边缘服务器所贡献的计算资源；表示第一阶段的第i类型的车辆边缘服务器所贡献的计算资源；表示表示第二阶段中在第一阶段选择第i类型契约的第k类型车辆边缘服务器所贡献的计算资源；m11表示只在第一阶段停留的签订静态契约的车辆集；m21表示只在第二阶段停留的签订静态契约的车辆集；m12表示签订动态契约的车辆集；δ为折现因子，表示第一阶段和第二阶段持续时间长短；表示第二阶段的第k类型车辆边缘服务器的类型值；表示路边单元服务器给予在第一阶段选择i类型契约的第二阶段k类型的车辆边缘服务器的回报；表示在第一阶段选择i类型契约的第二阶段k类型车辆边缘服务器所贡献的计算资源；表示路边单元服务器给予在第一阶段选择i类型契约的第二阶段j类型的车辆边缘服务器的回报；表示在第一阶段选择i类型契约的第二阶段j类型车辆边缘服务器所贡献的计算资源；表示第二阶段的第j类型车辆边缘服务器的类型值；表示第一阶段的第i类型车辆边缘服务器的类型值；表示路边单元服务器给予第一阶段的第i类型的车辆边缘服务器的回报；表示第一阶段的第i类型的车辆边缘服务器所贡献的计算资源；表示车辆边缘服务器在第一阶段是i类型的情况下，第二阶段是k类型的概率；表示第二阶段是k类型的车辆边缘服务器在选择契约时的效用；表示路边单元服务器给予第一阶段的第j类型的车辆边缘服务器的回报；表示第一阶段的第j类型的车辆边缘服务器所贡献的计算资源；θi表示第i类型车辆边缘服务器的类型值；πi表示路边单元服务器给予第i类型车辆边缘服务器的回报；σi表示第i类型车辆边缘服务器所贡献的计算资源；πj表示路边单元服务器给予第j类型车辆边缘服务器的回报；σj表示第j类型车辆边缘服务器所贡献的计算资源。

50、第二方面，本技术提供了一种基于契约理论的车辆边缘计算资源动态共享激励装置，包括：

51、效用模型构建模块，用于路边单元服务器向车辆边缘服务器提供契约，建立路边单元服务器效用模型和车辆边缘服务器效用模型；

52、契约模型构建模块，用于对车辆边缘服务器分别构建动态契约模型和静态契约模型，路边单元服务器向车辆边缘服务器分别提供动态契约和静态契约，契约规定了车辆边缘服务器提供的计算资源量及路边单元服务器给予车辆边缘服务器的回报；

53、条件建立模块，用于结合所述路边单元服务器效用模型和车辆边缘服务器效用模型，建立激励相容性约束条件和个人理性约束条件；

54、优化问题模型建立模块，用于建立优化问题模型，采用序列优化算法获得契约的最优解。

55、与现有技术相比，本技术的有益效果是：通过对符合动态契约激励条件的车辆边缘服务器，引入车辆边缘计算网络动态契约激励机制，与车辆边缘计算网络静态契约激励机制相互配合，相较于全采用静态契约激励，本技术中的路边单元服务器可以获得更大的效用，从而实现更好的计算资源调度，达到对计算资源的高效利用。