基于區塊鏈的視頻流邊緣計算卸載方案研究

馬麗 李英

摘要：傳統多媒體物聯網難以滿足對時延敏感和計算密集型視頻處理任務的需求，且無法保證任務處理過程中的安全性和隱私性。為此，將移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）與視頻流結合，提出一種基于區塊鏈的MEC視頻流網絡架構（B-SMEC）。考慮斯塔克爾伯格動態博弈優化移動邊緣服務器（Mobile Edge Servers，MES）、視頻服務提供商（Video Service Providers，VSPs）和用戶之間的視頻資源分配，在滿足用戶動態視頻服務請求的同時，實現MES與VSPs的效益最大化。應用區塊鏈技術記錄整個資源交易過程，保護其安全性和隱私性。仿真實驗驗證了該方案的有效性。

關鍵詞：移動邊緣計算；區塊鏈；斯塔克爾伯格博弈；視頻流；資源分配

中圖分類號：

TP302.1

文獻標志碼：A

隨著多媒體技術的不斷發展，信息已經從簡單的文字和圖片發展到更復雜的音頻和視頻[1-2]。數字視頻技術作為信息處理的一個重要分支，廣泛應用在通信中。然而，許多視頻流處理任務都是計算密集型且耗時較長，傳統多媒體網絡難以滿足視頻任務處理的需求[3]。為了解決算力不足、時延長的問題，移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）應運而生。MEC將計算和通信擴展到無線接入網絡的邊緣，并為用戶設備提供邊緣計算服務[4]。用戶設備可以將計算任務轉移到MEC服務器，通過無線蜂窩網絡執行計算，然后卸載計算任務到單個或多個邊緣設備[5-8]，以減少視頻處理任務的延遲。計算應用程序的卸載率[9]，并通過邊緣視頻流系統節能優化框架[10]，使視頻任務在卸載到邊緣之前被壓縮以節省帶寬。區塊鏈技術的分布式存儲可以保障視頻數據的可靠性和安全性[11]。基于MEC的轉碼框架[12]可以將區塊鏈與視頻流結合，利用智能合約促進非信任實體之間的分布式優化[13]。移動用戶通過移動區塊鏈網絡的MECenabled框架[14]可以訪問和利用邊緣計算服務提供商的資源來支持他們應用區塊鏈技術，區塊鏈技術可以為視頻流服務提供去中心化、版權保護、透明度和安全高效性等方面的幫助[15-16]。然而，傳統區塊鏈網絡中PoW協議產生巨大的計算能耗，導致過度浪費計算資源[17]。為減少資源浪費，同時最優化效益問題，本文引入了一種PoS共識機制[17]并將移動邊緣計算視頻流服務與區塊鏈相結合，構建基于區塊鏈的MEC視頻流網絡架構（B-SMEC），利用斯塔克爾伯格博弈的方法討論系統中MES、VSPs和移動用戶之間的資源分配方案及各自的效應，在高效地使用MEC網絡中計算資源的同時，保障了MEC網絡的安全性和隱私性。

1 基于區塊鏈的MEC網絡架構

基于區塊鏈的MEC網絡架構結合了區塊鏈技術和MEC技術，旨在提供更安全、可靠和去中心化的邊緣計算環境。MEC通過在物理網絡基礎設施上部署計算和存儲能力，使應用程序和服務更接近終端用戶。這種邊緣計算模型可以提供更低的延遲，減少網絡擁塞，并支持更高效的數據處理。區塊鏈以透明的方式保護數據和交易的準確性、一致性和有效性[18]。每個參與者都管理自己的密鑰，數據和交易被加密并存儲在塊上，實現在沒有任何第三方控制的環境下保護隱私和安全。區塊鏈和MEC網絡對計算卸載的集成旨在支持安全、分散和激勵的邊緣計算服務，以滿足移動設備的計算需求[19]。

本文采用基于區塊鏈的MEC視頻流網絡架構（B-SMEC），框架由多個移動邊緣服務器（Mobile Edge Servers，MES）和視頻服務提供商（Video Service Providers，VSPs）組成，分為：MES層、VSPs層和用戶層（圖1）。MES的集合由N表示，N=1，2…，N，VSPs的集合由M表示，M={1，2…，M}。在移動邊緣服務器層中，有多個MES為VSPs分配邊緣計算的視頻資源，并假設MES中有足夠的視頻資源。VSPs為移動用戶提供視頻資源服務，因為VSPs視頻資源的有限性，VSPs可以向MES請求邊緣視頻資源，以提高對移動用戶的服務質量（QoS）。在用戶層，每個移動用戶將視頻服務需求上傳到VSPs。

為保證系統的安全性和隱私性，MEC系統模型集成區塊鏈模塊，系統中有4個角色：邊緣計算視頻資源請求者、邊緣計算視頻資源分配者、區塊生成者和區塊驗證者。VSPs是邊緣計算視頻資源請求者，控制視頻資源需求并從MES獲得邊緣計算視頻資源；MES是邊緣計算資源分配者，控制視頻資源價格并將邊緣計算視頻資源分配給VSPs；MES還充當區塊鏈系統中的區塊生成者和區塊驗證者。在基于區塊鏈的MEC系統中，控制資源價格和分配邊緣計算視頻資源后，MES充當區塊鏈節點，將交易信息提交給區塊鏈系統。

2 B-SMEC系統模型

2.1 用戶服務請求模型

為了更好的描述用戶的彈性服務需求和變化情況，使用Cobb-Douglas函數[20]定義用戶的動態服務請求，可以更加直觀、快捷的計算服務價格和傳輸速率對于用戶服務需求的影響。由于參與用戶服務的VSPs視頻資源有限，VSPs會將一部分用戶需求傳輸至MES進行計算。因此，用戶的服務需求受服務價格和MES與VSP之間的傳輸速率影響。用戶服務請求ui（t）為

ui（t）=φidi－1（t）pi（t）（1）

其中，pi（t）為t時第i（i∈M）個VSP向MES傳輸計算任務的傳輸功率，di（t）是VSP為用戶提供服務的價格，φi為加權參數。

2.2 MES效益模型

MES與VSP之間通過無線信道進行傳輸，傳輸速率Ri（t）表示為[21]

Ri（t）=bilog2（1+pi（t）hiσ2i）（2）

其中，bi，hi，σi分別表示MES與VSPs之間無線信道的帶寬、信道增益和高斯白噪聲功率。

VSPs將計算任務上傳至MES，MES完成計算任務并從中獲得利潤，在計算過程中產生計算能耗。ri（t）表示MES在t時提供給第i（i∈M）個VSP的計算資源的價格，ti表示MES與VSP之間無線傳輸時間。因此，得到MES需要處理的計算任務量Ri（t）ti。MES的服務效益由服務收益與計算耗損組成，服務效益UC（t）表示為

UC（t）=∑Mi=1ri（t）pi（t）－ρikci（fci）2 ∑Mi=1Ri（t）tiLi（3）

其中，ρi表示計算資源過程中的損耗系數，kci是MES自身的硬件能耗，fci是MES配備的處理器的計算頻率，Li表示計算任務單位數據量所需要的計算負載。

作為區塊鏈的節點，MES可以在區塊鏈服務中獲得獎勵。MES是否被選為塊生成者是由MES所擁有的“股份”決定，在基于PoS的共識協議中[22-23]，每個時隙利用“股份”制選舉產生唯一的塊生成者，這些“股份”由最新的資源服務收益度量。因此，在下一個時期選擇MES服務器作為區塊生產者的概率由其服務獎勵與當前時期其他服務器的總服務獎勵的比值決定，概率函數為

Pi（t）=ri（t）pi（t）∑Mj=1，j≠irj（t）pj（t）（4）

其中，ri（t）為最優資源價格。

MES作為區塊鏈節點獲得的收益表示為

UB（t）=RvPi（t）+Rg（1－Pi（t））（5）

其中，Rv表示MES為塊生產者時生成的效益，Rg為塊參與者時生成的效益。

MES的效益函數UMESi（t）由服務效益UC（t）和區塊鏈獎勵UB（t）兩部分組成

UMESi（t）=UC（t）+UB（t）=∑Mi=1ri（t）pi（t）－ρikci（fci）2∑Mi=1Ri（t）tiLi+RvPi（t）+

Rg（1－Pi（t））（6）

2.3 VSP效益模型

收到用戶請求時，VSPs使用自身資源及從MES處獲得的資源為用戶提供服務。每個VSP使用自身和邊緣資源為用戶提供需求服務。在t時刻，資源越多的VSP可以服務更多的用戶。VSP通過向用戶提供計算資源獲得收入，t時第i（i∈M）個VSP的利潤UVSPi（t）

UVSPi（t）=di（t）ui（t）－∑Mi=1γiri（t）pi（t）－μikui（fui）2（ui（t）－Ri（t）ti）Li（7）

VSP的收益包括三部分：di（t）ui（t）表示VSP向用戶提供服務時獲得的利潤，ui（t）是用戶的服務需求；γiri（t）pi（t）是VSP向MES請求資源時支付給MES的費用，γi是VSP支付成本的決策權重；μikui（fui）2（ui（t）－Ri（t）ti）Li表示VSP使用自身資源處理用戶需求時的計算能耗，μi為平衡VSP的計算能耗和服務收益的權重，kui是VSP自身的硬件能耗，fui是VSP配備處理器的計算頻率。

3 Stackelberg博弈框架

3.1 問題描述

在B-SMEC系統模型中，MES對資源價格ri（t）有決策權，需尋求合適的資源價格，以使利潤最大化。MES的優化問題定義為

maxri（t） UiMES（t）

s.t.0≤ri（t）≤ri（t）（8）

VSP決定從MES請求資源的傳輸功率pi（t），以優化其利潤，VSP的利潤函數由式（7）給出，用戶的動態資源請求由式（1）給出，VSP的優化問題可定義為

maxpi（t） UiVSP（t）

s.t.ui（t）=φidi－1（t）pi（t）? （9）

3.2 基于斯塔克爾伯格博弈的資源分配策略

本文采取Stackelberg動態博弈優化VSP的傳輸功率和MES計算資源的價格。作為領導者，MES首先向VSP宣布資源單價，VSP作為追隨者將按照預期的邊緣計算資源做出決策，計算資源需求上傳到MES后，MES決定最佳價格以獲得最大利潤，此過程一直迭代到Stackelberg動態平衡。在Stackelberg動態均衡下，MES制定最優資源價格使利潤最大化，同時，VSP達到最佳的資源傳輸功率使效用最大化。

定義1 對于MES，如果不等式（10）適用于所有價格ri（t）≠ri*（t），則資源價格ri*（t）是Stackelberg動態均衡

UiMES（ri*（t），pi*（t），t）≥UiMES（ri（t），pi*（t），t）（10）

定義2 對于VSP，如果不等式（11）適用于所有傳輸功率pi（t）≠pi*（t），則計算資源量pi*（t）是Stackelberg動態均衡

UiVSP（pi*（t），ri*（t），t）≥UiVSP（pi（t），ri*（t），t）（11）

3.2.1 VSP均衡博弈分析 VSP根據自身視頻資源儲備情況和資源價格決定卸載多少計算任務到MES，以有效地完成來自用戶的計算任務并盡可能提高自身的收益。首先證明VSP具有唯一的最優卸載策略，并通過令效益函數的一階導數為零求解該階段的最優策略。

根據式（1），求得式（7）關于pi（t）的一階導函數

UVSPi（t）pi（t）=φi－γiri（t）－μikui（fui）2Li（φidi（t）－bitihi（σ2i+pi（t）hi）ln2）（12）

得到二階導函數

2UiVSP（t）pi2（t）=－μikui（fui）2Libitihi2（σ2i+pi（t）hi）2ln2（13）

可知，式（13）恒小于0，即VSP的效益函數是關于pi（t）的凸函數，因此pi（t）具有唯一最優策略。令式（12）等于0，求解最優的pi（t）

φi－γiri（t）－μikui（fui）2Li（φidi（t）－bitihi（σ2i+pi（t）hi）ln2）=0（14）

即

pi*（t）=μikui（fui）2Libiti（γiri（t）+μikui（fui）2Liφidi（t）－φi）ln2－σ2ihi（15）

為簡化方便后續公式的表達，令Ri（t）=γiri（t）+μikui（fui）2Liφidi（t）－φi。

3.2.2 MES均衡博弈分析 為最大化MES效應函數，式（15）代入式（6），得MES的效用函數

UMESi（t）=（1+Rv－Rg∑Mj=1，j≠irj（t）pj（t））∑Mi=1ri（t）（μikui（fui）2LibitiRi（t）ln2－σ2ihi）+Rg－

ρikci（fci）2∑Mi=1bilog2（μikui（fui）2LibitihiRi（t）σ2iln2）tiLi（16）

計算式（16）關于ri（t）的一階偏導數，得

UMESi（t）ri（t）=（1+Rv－Rg∑Mj=1，j≠irj（t）pj（t））∑Mi=1（μikui（fui）2LibitiRi（t）ln2－σ2ihi－ri（t）γiμikui（fui）2LibitiR2i（t）ln2）+

ρikci（fci）2∑Mi=1biγiLitiRi（t）ln2（17）

基于式（17），計算式（16）關于ri（t）的二階導數

2UMESi（t）ri2（t）=－（1+Rv－Rg∑Mj=1，j≠irj（t）pj（t））∑Mi=12μikui（fui）2LibitiγiR3i（t）ln2（μikui（fui）2Liφidi（t）－φi）－ρikci（fci）2∑Mi=1biγi2LitiR2i（t）ln2（18）

定理1 當滿足式（19）時，UMESi（t）為凸函數，MES的資源價格具有唯一的最優解

di（t）≤μikui（fui）2Li（19）

證明：針對式（18）中（γiri（t）+μikui（fui）2Liφidi（t）－φi）3和μikui（fui）2Liφidi（t）－φi，給出如下定義

f（t）=（γiri（t）+μikui（fui）2Liφidi（t）－φi）3

g（t）=μikui（fui）2Liφidi（t）－φi

當di（t）=μikui（fui）2Li時，f（t）=（γiri（t））3且g（t）=0，式（18）恒小于0；當di（t）<μikui（fui）2Li時，f（t）>0且g（t）>0，式（18）恒小于0。

現證明滿足式（19）時，UMESi（t）為凸函數，MES的資源價格具有唯一的最優解，令式（17）=0，得

1+Rv－Rg∑Mj=1，j≠irj（t）pj（t）∑Mi=1μikui（fui）2LibitiRi（t）ln2－σ2ihi－ri（t）γiμikui（fui）2LibitiR2i（t）2ln2+

ρikci（fci）2∑Mi=1biγiLitiRi（t）ln2=0（20）

求解式（20）可以獲得最優資源價格ri（t），然而式（20）中的ri（t）是一個非線性復雜的優化問題，用傳統的數學方法很難求得最優解。為此本文設計了基于梯度上升的算法MISSM逼近ri（t）的最優解。首先，初始化一組隨機的MES的單位資源價格ri（0）（t），并根據式（15）計算對應VSP的傳輸功率pi（0）（t）；然后根據式（2）以及pi（0）（t）計算每個MES的總負載，得到每個MES參與區塊鏈生成的成功競選概率及收益情況。通過梯度上升法，由式（20）對ri（t）進行迭代運算，得到ri（t）最終的收斂結果，即為最優單位資源價格ri*（t）。

4 數值模擬實驗

通過模擬實驗評估B-SMEC系統性能。

4.1 參數設置

考慮多個MES和多個VSP的視頻服務系統模型，實驗中使用了5個邊緣計算服務器，每個服務器為2～20個VSP提供計算資源；MES的單位能耗為5 W；由于VSPs效率不同，能耗也不同，定為5～9 W，VSPs計算頻率為1 ms；MES與VSP之間無線信道的帶寬、信道增益和高斯白噪聲功率分別設置為30 MHz、53 dBm、10 dB；計算任務的傳輸時間間隔為（0.5～2.5） ms。

4.2 結果分析

實驗首先測試了不同區塊鏈協議對系統效益的影響，如圖2所示，相較于傳統的PoW協議，PoS協議無論對MES還是VSP效益都有明顯的增大。在PoS協議中，MES作為區塊鏈的節點，參與區塊鏈的存儲服務，并從中獲得一定的效益。VSP作為Stackelberg博弈的追隨者，當MES的效益增加時，系統調整視頻資源價格來實現雙方效益的最大化。

使用MISSM算法計算系統的最優價格，從而實現MES和VSP的利潤最大化目標。如圖3所示，MES的資源價格隨著迭代次數的增加逐漸接近其最優價格，MISSM算法可以快速地收斂到最優值，每個邊緣計算服務器均可以找到最優單位資源價格。

由圖4可知，當系統中參與用戶服務的VSP數量過少時，為確保自身收益，MES會適當提高資源價格，因此，VSP的效益降低。而隨著VSP數量的增加，系統中參與任務處理的單位越多，在用戶請求足夠的條件下，系統的任務處理效率增大，VSP效益也隨之增加。且隨著VSP設備單位負載能耗的增加，其對VSP效應的影響也變得更加明顯。

圖5中，傳輸時間越長，VSP將越多的計算任務卸載到MES上，從而增加MES的計算任務量，獲得更高的收益。隨著VSP服務價格的增大，VSP的效益函數也隨之增加。Stackelberg動態博弈使任何一方效益增加的同時，另一方的效益也隨之增加。

5 結論

本文基于斯塔克爾伯格博弈，分析了MES、VSP和用戶之間的資源分配，獲得博弈中領導者和追隨者的最佳策略。通過數學推理，證明了MES與VSP之間的斯塔克爾伯格博弈具有唯一的斯塔克爾伯格均衡；將區塊鏈網絡同移動邊緣計算相結合，保障了資源交易過程中的安全性和隱私性。模擬實驗證明了基于區塊鏈網絡的移動邊緣計算網絡架構在提高計算資源利用率的同時有效地保障了整個網絡的隱私性和安全性。

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Research on Blockchain-based Edge Computing Offloading

Scheme for Video Streaming

MA Li， LI Ying

（School of Computer Science and Technology，Qingdao University，Qingdao 266071，China）

Abstract：

Traditional multimedia IoT is difficult to meet the demand for delay-sensitive and computationally intensive video processing tasks， and cannot guarantee the security and privacy during task processing. For this reason， a blockchain-based MEC video streaming network architecture （B-SMEC） was proposed by combining Mobile Edge Computing （MEC） with video streaming. Based on the Stackelberg dynamic game to optimize the video resource allocation among mobile edge servers （MES）， video service providers （VSPs） and users， the benefits of MES and VSPs were maximized while satisfying users' dynamic video service requests. Blockchain technology was applied to record the whole resource transaction process to protect its security and privacy. The effectiveness of the proposed scheme is verified through simulation experiments.

Keywords：

mobile edge computing; blockchain; Stackelberg game; video streaming; resource allocation