基于D2D 高速传输的本地缓存共享系统*

刘 坚

（萍乡学院信息与计算机工程学院，江西 萍乡 337000）

0 引言

智能设备和移动网络的发展促进了移动数据流量的井喷式增长，其中最重要的组成部分是视频数据［1］。在真实网络环境中会出现这样的现象：当网络视频用户对同一视频发起需求时，移动网络中海量视频数据重复下载和传输。利用本地缓存［2］是解决这一问题的常用方法。利用网络视频用户的设备终端进行相互的D2D 共享传输，有效降低网络拥塞的出现频率，进而降低视频缓冲的网络延迟［3］。

由于本地缓存可以从容应对移动流量的井喷式增长，国内外学者围绕本地缓存的应用场景、应用方法开展了大量研究，目的主要包括提高网络性能，降低网络延迟，提高用户满意度等。文献［4-5］利用本地缓存，设计了协作共享传输系统。在本地终端缓存视频的基础上，利用蓝牙或wifi 等手段进行视频分享。网络视频用户在为系统运行提供帮助的同时［6］，也给系统带来了存储和能耗等方面的额外开销。另外一个必须考虑的问题是，网络系统的性能依赖于网络视频用户的视频分享意愿。因为网络视频用户是真实存在的个人，不得不考虑其不愿分享的情况。为了让网络视频用户和服务供应者共同积极参与到本地缓存共享中，应建立一种激励的机制。

在机制的建立中，面对着矛盾和挑战。服务供应者的目标是保证服务质量的同时，最优化视频传输成本。但是，因为数据共享带来的存储和能耗方面的额外开销，网络视频用户应从服务供应者处得到应有的回报。双方都希望收益最大化，而服务供应者的预算有限，网络视频用户之间存在收益的竞争，导致了不同网络视频用户之间存在非合作子竞争。现有的文献中［7-9］，研究者往往忽视了网络视频用户的差异性，认为（假设）不同用户对视频的兴趣和分享意愿是相等的，这显然是不切实际的。而且，有以下两种情况更实际的情况需要考虑：一是同类网络视频用户群体中往往对视频的兴趣和分享意愿是相似的［10］；二是网络视频用户倾向于将视频分享给关系更密切的人［11］。

本文基于D2D 传输技术，利用本地缓存，提出了由服务供应者和网络视频用户构成的视频共享系统。为了让网络视频用户和服务供应者共同积极参与到本地缓存共享中，建立了一种激励的机制。考虑到网络视频用户的社交性，基于网络视频用户的社会关系，将用户划分为不同群体，在同一个群体中更有利于视频的共享。同时，本文也考虑了前文所述的网络视频用户之间存在非合作子竞争的问题，不同网络视频用户对有限的收益有竞争关系。实验结果表明，D2D 本地缓存系统可以有效降低数据传输延迟，提高服务供应者的服务质量和网络视频用户的满意度。

1 相关工作

国内外学者围绕本地缓存的应用场景、应用方法开展了大量研究。按照本地缓存放置的位置，相关研究可以分为以下两类：一种是本地缓存置于基站处［12-14］，另一种是本地缓存置于设备终端处［15-17］。对于前者，服务供应者会将实时热点和预测的热点视频放置于基站的本地缓存处［15］。

随着终端设备及存储技术的发展，终端设备的存储空间越来越充裕，本地缓存置于设备终端用以提高网络系统的性能也就成为了新的可行方案。这一方案的思路是，将实时热点和预测热点提前在部分终端上进行缓存，必要的时候，这些终端可作为节点利用D2D 传输技术对视频进行共享，这样便节省了网络资源，提升了系统性能［19］。

现有研究往往忽视了网络视频用户的差异性，认为（假设）不同用户对视频的兴趣和分享意愿是相等的，这显然是不切实际的。与前人的研究不同，本文在本地缓存系统的设计上，考虑了网络视频用户的差异性、自私性和社交群组。

2 系统模型

本文基于D2D 传输技术，利用本地缓存，设计了由服务供应者和网络视频用户构成的视频共享系统。网络视频用户可以通过两种方式下载视频：一是传统的通过基站下载，二是以其他终端设备作为种子节点，从节点处以共享的方式获取。下面以图1 为示例，对第2 种方式进行具体描述。将1 个服务供应者用L 表示，它将某一指定的视频分发给网络视频用户。在这个本地缓存系统中，服务供应者在网络的非高峰期提前选取部分网络视频用户，以支付报酬的方式将选取用户的终端设备作为本地缓存的种子节点，把指定的视频传输到这些网络视频用户的设备终端中进行保存。到网络高峰期的时候，若需求此热点视频的用户在D2D 通信范围内存在预置的种子节点，则可通过高速通信直接获取视频，而不是在高峰期通过基站获取，这样大大减少了服务延迟。

图1 D2D 本地缓存系统场景模型

下页表1 对本文使用的符号及其定义进行了诠释。

表1 标记和符号

1）通过自缓存方式获取：若该网络视频用户为此视频的种子节点用户，即需求的视频已在此网络视频用户的终端设备中进行了缓存，则直接从终端设备读取此视频。

2）通过本地共享方式获取：若该网络视频用户无法通过自缓存方式获取此视频，则向同一群组内且通信距离不大于d 的种子节点用户发起此视频的请求，进而获取目标视频。若同时有多个节点满足共享视频的条件，则在种子节点用户中随机选取进行连接和视频获取。

3）通过蜂窝网络获取：若该网络视频用户无法通过以上两种方式获取此视频，则通过基站从服务供应者处获取该视频。

3 问题定义

在本文提出的基于D2D 高速传输的本地缓存共享系统中，服务供应者和网络视频用户群组都希望收益最大化。本节建立效用模型，用以描述服务供应者和网络视频用户群组的参与效用，然后基于两阶段Stackelberg 竞争模型描述D2D 高速传输的本地缓存共享系统中的两阶段竞争问题。

3.1 效用模型

已知定价集合∏后，服务供应者将决定每个用户群组将要租用的种子节点比例。与网络视频用户一样，对于服务供应者来说，其效用也是收益和成本之差。服务供应者的收益源于本地缓存共享系统运行带来的网络系统性能提高，即网络拥塞的缓解和网络延迟的缩短。令q 为某指定视频给服务供应者带来的单位利润，β 为单位时间内网络视频用户对某指定视频的需求量平均值。服务供应者的收益可以表示为：

服务供应者在网络的非高峰期提前选取部分网络视频用户，以支付报酬的方式将选取一定比例用户的终端设备作为本地缓存的种子节点。对于服务供应者，成本就是支付的报酬，可用式（16）求得：

3.2 Stackelberg 竞争问题

4 模型分析

4.1 服务供应者策略问题

在Stackelberg 竞争问题中，根据网络视频用户群组提出的定价方案，服务供应者可通过求解式（13），以寻找最佳策略：

基于上述分析，以二分法思想为基础，提出算法1，获取服务供应者的最优决策。

4.2 网络视频用户群组决策问题

由4.1 节可以得出服务供应者的最优决策

算法2：网络视频用户定价最优策略算法输入：精度阈值images/BZ_159_1606_2460_1647_2500.png输出：images/BZ_159_1457_2523_1611_2565.png1 begin 2 initialize 3images/BZ_159_1411_2705_1559_2765.png4 repeat 5 根据算法1 更新images/BZ_159_1690_2846_1738_2886.png6 通过解决（25），每个用户群组更新images/BZ_159_1969_2907_2036_2949.png；7images/BZ_159_1429_2971_1595_3009.png8 until images/BZ_159_1486_3031_1761_3093.png9 end

考虑第1 节的分析，由于服务供应者预算有限，不同网络视频用户群组之间存在非合作竞争关系。

因为网络视频用户群组间的决策是不独立的，存在相关性，所以无法求得t=1，2，…的闭合解。考虑群组决策相关性，可以采用迭代的方法求解最优定价策略。

5 实验评估

本节通过实验结果探究基于D2D 高速传输的本地缓存共享系统性能与相关参数的关系。在参数上，主要关注服务供应者的预算，网络视频用户的密度、不同网络视频用户群组对指定视频的兴趣程度。

设D2D 通信距离最大值d=5 m，单位时间内网络视频用户对某指定视频的需求量平均值β=5。另外如果目标视频被请求一次且成功下载，某指定视频给服务供应者带来的单位利润q=0.2。

图2 不同预算方案对服务供应者和用户群组效用的影响

图3 每个用户群组的出价方案与迭代次数的关系

接下来分析网络视频用户的密度、不同网络视频用户群组对指定视频的兴趣程度，对系统性能的影响。图4 展示了最优种子节点用户占比与网络视频用户密度的关系。可以看出，随着网络视频用户密度的增加，服务供应者需要的种子节点用户占比越来越小。原因是随着网络视频用户密度的增加，网络视频用户能够更容易地在D2D 最大通信距离内找到满足条件的种子节点用户，以获取指定的目标视频。同时，最优种子节点用户占比也受到服务供应者预算的影响。当服务供应者预算充足时，为提升系统的性能，种子节点用户占比较高。图5 展示了服务供应者效用随网络视频用户对指定视频的兴趣程度的变化。可以看出二者是正相关的，原因是随着兴趣程度的提高，网络视频用户更倾向获取指定视频，更愿意接受较低的定价方案。

图4 最优种子用户比例与网络视频用户密度的关系

图5 服务供应者效用与用户对视频兴趣程度的关系

最后分析服务供应者的效用随网络视频用户群组数量的变化。如图6 所示，设服务供应者的预算M=60。可以看出，服务供应者的效用与网络视频用户群组数量正相关。原因是网络视频用户群组数量的增加，种子节点用户数量随之增加，本地缓存系统的使用频率更高，提高了服务供应者的效用。

图6 服务供应者效用与用户群组数量的关系

6 结论

本文基于D2D 传输技术，利用本地缓存，提出了由服务供应者和网络视频用户构成的视频共享系统。为了让网络视频用户和服务供应者积极参与到本地缓存共享中，建立了一种激励的机制。考虑到网络视频用户的社交性，基于网络视频用户的社会关系，将用户划分为不同群体，在同一个群体中更有利于视频的共享。同时，本文也考虑了前文所述的网络视频用户之间存在非合作子竞争的问题，不同网络视频用户对有限的收益有竞争关系。通过实验对D2D 本地缓存系统进行了评价。