一种天地一体化网络中基于优先级的多属性资源拍卖方法

1.本发明属于天地网络领域，具体涉及一种天地一体化网络中基于优先级的多属性资源拍卖方法。


背景技术：

2.随着日益增长的用户需求多样化，我国大力推进天地一体化网络的构建，它是以空间平台为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。卫星网络与无人机是其中比较重要的部分，其具有覆盖范围广、全球直接通信、信息传输快速等特点。但是，卫星网络拓扑结构频繁变化，资源种类多、时变特性导致现有的资源分配策略不够灵活，算法稳定性差，网络中存在造价高、消耗大、资源利用率低等问题，因而如何突破当前网络资源管理的瓶颈，综合调度网络资源适应日益增长的业务需求具有重大的研究意义。
3.虽然现有工作已经在天地一体化网络资源分配方面取得了一定进展，但其依然存在不足之处。根据天地一体化网络是一个更加整体化的场景，如何合理调配网络中的多维资源，这些都是目前存在的问题。传统的资源分配方法难以使有限的网络资源满足如今的多业务需求，但现有的多维资源联合管理方法复杂度较高，且未能充分考量不同实时业务的服务质量需求。因此如何突破当前网络资源合理分配的瓶颈，综合调度分配网络资源适应日益增长的业务需求成为提高资源利用率的关键所在。
4.现有的资源分配方法大都针对单一资源的分配，面向链路资源的分配方法有拓扑快照法、动态路由法等。面向传输资源的分配主要是对带宽资源和频谱资源。这类方法在天地网络中资源利用率上并不是很高，另一方面天地一体化网络中时空变化也很频繁，这也对资源分配的效果产生了影响。
5.上述解决方案并没有涉及到能够以更高视角分配资源的机制设计。拍卖理论是一个经典的资源分配机制设计模型，它在经济学中得到了广泛的研究，并广泛应用于其他领域，尤其是资源竞争方面。在机制设计中考虑了四个关键属性，即预算平衡、计算效率、个体合理性和激励兼容性，天地一体化网络中的资源拍卖机制还是受传统地面网络集中控制的限制，用户的效用不能得到很好的满足。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述不足，提供一种天地一体化网络中基于优先级的多属性资源拍卖方法，在核心算法模块中提出了三种不同优先级计算方法，再结合投标价格、完成时间和协同情况等多属性进行资源的拍卖。同时，也能够对资源拍卖模型进行更好的优化，提高资源利用率。
7.为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
8.s1，提取天地一体化网络中的业务与资源；
9.s2，构建资源拍卖框架；
10.s3，分析资源拍卖框架并建模，得到卖方框架、拍卖方框架、买方框架和无人机框
架；
11.s4，基于拍卖理论，提出了分布式的解决方案；
12.s5，结合拍卖用户的不同属性，定义了多属性拍卖模型；
13.s6，根据拍卖过程中的用户优先级，制定多种不同的方式。
14.s2中，资源拍卖框架的方法如下：
15.设买方集合n＝{1,2,
…
,n}，无人机表示拍卖人的角色，作为可信任的第三方，决定分配规则、支付规则和优先级规则，每个虚拟资源池的资源容量都有一个上限，资源容量的集合表示为r＝{r1,r2,，
…
,rm}；
16.设买方占用的资源大小b＝{b1,b2,
…
,bu}，投标矩阵p＝{p
nm
,1≤n≤n,1≤m≤m}，其中p
nm
表示用户业务n对虚拟资源池m的投标价格，每个虚拟资源池宣布其固定价格fm，如果买入价p
nm
低于卖出价fm，则用户n和虚拟资源池m之间的拍卖将失败，否则，利用u
nm
＝1来记录这一对交易。
17.当买卖双方确定好投标以后，确定用户n的费用为虚拟资源池m的付款为拍卖方的收入为当用户成功投标时，确定用户的满意度sat
nm
，其含义是用户n从虚拟资源池m购买资源时的满意价值，虚拟资源池向用户业务提供各种资源，则需要承担维护费用等成本，则mt＝{mt1,mt2,
…
,mtm}表示虚拟资源池的成本；
18.用户的效用函数的计算公式如下：
[0019][0020]
虚拟资源池的效用函数的计算公式如下：
[0021][0022]
拍卖方的效用函数的计算公式如下：
[0023][0024]
s3中，资源拍卖框架包括卖方框架、核心框架、买方框架和无人机框架；
[0025]
核心框架包括拍卖信息传输层、核心算法层和决策收集层，拍卖信息传输层和无人机框架让虚拟资源池实时知道买方用户的需求是否有效，将信息传到投标处理模块处理，无人机框架包括接发模块和投标信息库，用于维护核心框架之间的实时通信。
[0026]
s4中，分布式的解决方案是通过在业务流和虚拟资源池之间形成拍卖博弈，用户业务为虚拟资源池中所需的每个资源竞标。
[0027]
s5中，多属性拍卖模型包括投标价格模型以及用户投标的完成时间和用户之间是否协同。
[0028]
s6中，优先级作为用户投标的多属性，拍卖失败与用户投标的优先级和退出拍卖的可能性成正比关系，优先级与用户赢得拍卖的机会成正比关系。
[0029]
统计投标属性集合根据收到的投标属性，并按照优先级进行完善，定义获胜函数公式如下：
[0030][0031]
按照投标成功的结果制定三种调整优先级的方法，建立了用户参与投标的资源拍卖数量tpi(ui)和投标用户赢得的拍卖次数vic(ui)之间的比率，优先级计算公式如下：
[0032][0033]
根据投标人的连续失败来定义优先级，用户投标连续失败的时间越长，其优先级就越高，为此，定义了一个失败阈值fts，优先级计算公式如下：
[0034][0035]
定义获胜/连续失败度fii，它是由获胜函数的比值决定的，计算公式如下：
[0036][0037]
优先级的计算方式与上述两种方法类似，公式所示：
[0038][0039]
其中，为用户将其对每个资源的报价，fti为用户投标的完成时间，coi为用户的协同情况，cfc(ui)为投标用户的连续失败系数，f(p
′i)为获胜函数，为当面拍卖所有适用性值的和。
[0040]
与现有技术相比，本发明对拍卖架构进行四种模型的设计，包括卖方框架、拍卖方框架、买方框架和无人机框架，本发明基于拍卖理论，提出了分布式的解决方案，为实现投标信息的实时更新，增加了无人机模型，更加适合这种时空频繁变化的网络，按照投标用户多属性进行拍卖，增加用户优先级的定义，进一步保证了整个资源分配方法的效率及整体效用。本发明在一方面满足了异构网络的复杂环境，另一方面考虑了业务之间的实时通信。本发明更全面地考虑了资源分配时用户的优先级，从而提高了资源分配的效率。
[0041]
进一步的，本发明能够表征资源拍卖的问题，无人机框架维护核心框架之间的实时通信，包括接发模块和投标信息库，提高了用户的满意度以及系统响应时间。
附图说明
[0042]
图1是本发明系统架构图；
[0043]
图2是本发明资源拍卖框架图；
[0044]
图3是本发明多属性图。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0046]
本发明公开了一种天地一体化网络中基于优先级的多属性资源拍卖方法，该方法
基于天地一体化网络系统架构下参见图1，在此基础上构建了资源拍卖框架图参见图2，图2中核心框架中的核心算法模块决定分配规则、支付规则和优先级规则，本拍卖方法是根据用户多属性的方式参见图3，具体包括以下步骤：
[0047]
步骤1，天地一体化网络中业务与资源的种类繁多，为了优化资源分配以及用户满意度，提取天地一体化网络中的业务与资源，将网络环境中需要参与资源拍卖的业务与所需的资源进行分类。
[0048]
步骤2，构建资源拍卖框架，如图1所示，天地一体化网络中拍卖的系统架构有3层，分别为买方层、卖方层和拍卖方层，基本功能如下：
[0049]
买方层：买家模块由业务模块组成，包括各种话音和视频类业务、应急场景下的观测业务和星地间的通信业务等，它的功能是在买方和拍卖方之间发送消息和接收消息，其中包括买方出价收集模块和买方通知模块，一种用于向拍卖人发出投标请求，另一种用于接收拍卖人发出的决定信息。最后业务模块确定投标报价并执行投标结果。
[0050]
卖方层：由空基、天基和地基虚拟资源池构成，作为资源的所有者，向拍卖方提供询问价格。
[0051]
拍卖方层：拍卖方框架是整个网络模型的核心部分，由核心框架和无人机框架组成。
[0052]
设集合n＝{1,2,
…
,n}表示买方集合，拍卖方作为可信任的第三方，决定分配规则、支付规则和优先级规则，每个虚拟资源池的资源容量都有一个上限，资源容量的集合表示为r＝{r1,r2,，
…
,rm,}。设b＝{b1,b2,
…
,bu}表示买方占用的资源大小，p＝{p
nm
,1≤n≤n,1≤m≤m}表示投标矩阵，其中p
nm
表示业务n对虚拟资源池m的投标价格，每个虚拟资源池宣布他的固定价格fm，如果买入价p
nm
低于卖出价fm，则用户n和虚拟资源池m之间的拍卖将失败，否则，利用u
nm
＝1来记录这一对交易；当买卖双方确定好投标以后，确定用户in的费用为虚拟资源池m的付款为拍卖方的收入为当用户成功投标时，用户的满意度用sat
nm
表示，其含义是用户n从虚拟资源池m购买资源时的满意价值，虚拟资源池向用户业务提供各种资源，则需要承担维护费用等成本，则mt＝{mt1,mt2,
…
,mtm}表示虚拟资源池的成本，每个用户的资源需求向量定义为资源使用量代表虚拟资源池中多维资源在单位时间内完成一个用户投标所需的资源量，业务处理量vk，表示对于每个虚拟资源池k在一个单位时间内可以执行的用户业务的数量。
[0053]
用户的效用函数的计算公式如下：
[0054][0055]
虚拟资源池的效用函数的计算公式如下：
[0056][0057]
拍卖方的效用函数的计算公式如下：
[0058]
[0059]
步骤3，分析并建模得到卖方框架、拍卖方框架、买方框架和无人机框架，核心框架是拍卖商框架的核心部分，由拍卖信息传输层、核心算法层和决策收集层三部分组成，拍卖信息传输层和无人机框架可以让虚拟资源池实时知道买方用户的需求是否有效，将信息传到投标处理模块处理，无人机框架的主要功能是维护核心框架之间的实时通信，包括接发模块和投标信息库；
[0060]
步骤4，由于传统网络集中式方法存在的问题，针对资源分配提出了分布式方案，分布式方案基于拍卖理论的应用，通过在业务流和虚拟资源池之间形成拍卖博弈，用户业务为虚拟资源池中所需的的每个资源竞标，根据用户业务提交的投标信息，确定每个虚拟资源池上每个资源的价格，并与计算出的业务处理量一起向用户公布。每个用户根据从虚拟资源池收到的价格最大化其收益，并更新其对下一轮的投标。
[0061]
步骤5，结合拍卖用户的多种不同属性定义多属性拍卖模型，如图3所示，属性集包括投标价格、投标的完成时间、用户的协同情况和优先级。
[0062]
对投标价格进行定义，每个投标用户为虚拟资源池k中的资源l提供投标价格为每个虚拟资源池计算每种资源的价格：资源价格矩阵为p＝(p
l,k
)，单位时间内的业务处理量：每个虚拟资源池的资源价格以及单位时间内的业务处理量都会向用户公布，计算其最终业务处理量：每个虚拟资源池进一步使用资源价格通过最大化其整体效用来更新其业务处理量：
[0063]
对优先级进行定义，为了维护整个拍卖过程中的相对公平性，由于用户投标是重复得去竞争资源，因为系统可以跟踪用户在过去拍卖中的记录，识别出有可能退出拍卖的用户，并做出公平的决定来保持用户对拍卖的信任。为了这一目标，根据资源分配过程中的历史记录为用户分配优先级。
[0064]
除了优先级及价格外，我们还应该考虑用户投标的完成时间以及用户中间是否协同。
[0065]
步骤6，对拍卖过程中的用户优先级进行三种方式的制定：获得投标系数、连续失败系数和基于多属性的中标系数。
[0066]
按照投标成功的结果可以制定三种调整优先级的方法，获得投标系数是计算优先级的最直观方式，建立了用户参与投标的资源拍卖数量tpi(ui)和投标用户赢得的拍卖次数vic(ui)之间的比率，优先级计算公式如下：
[0067][0068]
该系数为拍卖师提供了自拍卖师进入拍卖市场以来每个投标用户赢得拍卖的比占比。使用此优先级，赢得所有拍卖的投标用户将拥有优先级而从未赢得拍卖的投标人将拥有接近1的优先级。
[0069]
根据投标人的连续失败来定义优先级，用户投标连续失败的时间越长，其优先级
就越高，为此，定义了一个失败阈值fts，这样在输掉一定数量的连续拍卖后，只要达到fts，投标人与输掉的投标人一样容易离开拍卖，优先级计算公式如下：
[0070][0071]
cfc(ui)是投标用户的连续失败系数。刚刚投标成功的竞拍者有优先级si＝0，而参加过fts拍卖但未获胜的投标用户具有优先级si＝1.与obf方法相比，我们可以说cfc方法没有长期记忆，因为投标用户在赢得拍卖后会看到其优先级降低到0，而这与他过去的结果记录无关。
[0072]
基于多属性的中标系数方法以相同的方式对待几乎赢得拍卖的投标用户和提供最差投标的用户。一方面，这种情况可能会鼓励一些投标用户提供没有获胜机会的虚拟投标，以增加他们的优先级，获得更高的机会赢得拍卖。另一方面，当意识到投标的属性值对优先级的评定没有影响时，一些提供几乎中标的投标用户可能会感到沮丧。为了避免这种情况，在优先级定义中考虑所提供投标的属性。定义获胜/连续失败度fi，它是由获胜函数的比值决定的，计算公式如下：
[0073][0074]
优先级的计算方式与上述两种方法类似，公式所示：
[0075][0076]
其中，为用户将其对每个资源的报价，fti为用户投标的完成时间，coi为用户的协同情况，cfc(ui)为投标用户的连续失败系数，f(p
′i)为获胜函数，为当面拍卖所有适用性值的和。
[0077]
如果有两个投标用户赢得了相同数量的拍卖，则提供更高质量属性的投标用户将获得最高优先级。