84、网络备用容量分配与内容服务利润模型研究

网络备用容量分配与内容服务利润模型研究

1. WDM 网络备用容量分配

1.1 网络恢复需求

网络恢复方法有恢复速度、资源利用效率、对多重故障的鲁棒性等要求。在 WDM 网络中，路由和容量分配通过波长通道紧密耦合，因此研究共享备份路径和备用容量的方法对于提高资源共享效率至关重要。

1.2 拓扑信息恢复方法

拓扑信息恢复方法的基本思想是在网络拓扑图中嵌入虚拟循环。循环可以提供独立于主连接路由的备份路径，实现简单快速的恢复操作。以下是几种基于拓扑信息的恢复方法：
- 单环覆盖 ：每个链路至少包含在一个环中，但存在备用容量冗余高的问题。
- 循环双覆盖（CDC） ：在二连通图中，每个边恰好包含在两个循环中，可实现 100% 备用容量冗余的光纤保护，但大网络中部分循环可能过长，影响恢复质量和鲁棒性。
- 广义回环保护 ：单链路故障时备用容量冗余小于 100%，但对多重故障的鲁棒性降低，优点是小拓扑变化时无需全局重新配置。
- p - 循环配置 ：可提供接近最优的备用容量冗余，但也可能存在长保护循环的问题。

1.3 多环覆盖方法

多环覆盖方法中，每个网络链路包含在 m 个备份循环中，每个循环保护 1/m 的链路容量。分布式链路恢复使用预规划的循环，备份路径和备用容量可以共享。具体步骤如下：
1. 备份路径和备用容量预配置 ：在网络设计阶段进行，通过搜索链路端点之间的 k 最短路径（优先选择不相交最短路径）并与目标链路连接来确定备份循环。
2. 确定循环集合 ：目标是找到一组循环，使每个链路至少包含在 m 个循环中，且这些循环的共享链路数量最少。
3. 考虑恢复速度和质量 ：优先选择短备份循环。

1.4 基于割集的备用容量分配

割集是将拓扑图划分为两个分离部分所需消除的链路集合。在多环覆盖中，恢复通信链路所需的备用容量分布到 m 个备份循环中。为了有 m 条不相交的备份路由，链路应包含在割集 CS(m + 1) 中。不同割集类型和 m 值下的备用容量分配如下表所示：
| 割集类型 | m = 2 | m = 3 |
| ---- | ---- | ---- |
| CS(2) | 100% | - |
| CS(3) | 1/2 | 2/3, 1/3 |
| CS(4) | - | 1/3 |

1.5 性能分析

通过对 10 个示例网络拓扑进行模拟，假设每个光纤包含 60 个波长，所有网络链路光纤数量相同。结果表明，使用多备份循环可以显著提高备用容量利用率，密集网络的备用容量开销优于稀疏网络。通过割集计算的备用容量比率与计算机模拟结果高度一致，说明该方法可行且准确。

2. 基于用户体验质量的内容服务利润模型

2.1 背景与需求

随着互联网多媒体内容的增加，多媒体服务质量成为关键问题。内容提供商为满足更多用户需求需增加服务器和网络容量，这需要更多投资。传统的服务质量参数（QoS）在衡量用户真实满意度方面存在局限性，因此引入了用户体验质量（QoE）。

2.2 QoE 标准化

不同机构对 QoE 测量方法进行了研究：
- ITU - T ：主要关注 QoE 指标和测量方案，定义基于 QoE 的服务质量标准并提取相关服务质量因素。
- ITU - T FG IPTV ：定义了 IPTV QoS/QoE 指标，分为感知质量指标、视频流指标和传输指标三层。
- DSL 论坛 ：为三重服务的质量管理定义 QoE 要求，将质量指标分为服务层、应用层和传输层。

2.3 利润模型设计与分析

2.3.1 模型参数

• QoE 水平（Q） ：表示用户满意度，取值范围为 0（最低质量）到 1（最高质量），需定期测量。
• 服务器带宽（B） ：假设用户接入网络带宽充足，内容服务器通道带宽受限，可能成为服务质量瓶颈。
• 服务器带宽成本（C） ：内容提供商按固定费率支付带宽使用费用，C = bB。
• 服务器成本（S） ：假设与服务器带宽成正比，S = dB。
• 内容交付利润（P） ：与 QoE 成正比，P = aQ。

2.3.2 参数关系

• Q 与 P 的关系 ：Q 越高，感兴趣的用户数量增加，内容提供商利润增加。
• Q 与 B 的关系 ：Q = 1 - e⁻ᵏᴮ，k 表示特定用户组的服务敏感度。
• B 与 C 的关系 ：C = bB。
• S 与 B 的关系 ：S = dB。

2.3.3 总利润计算

总利润 T = P - C - S = aQ - (b + d)B = aQ + ((b + d)/k) · ln(1 - Q)。

2.3.4 最优 QoE 计算

对 T 关于 Q 求导并令其为 0，可得最优 QoE 为 Qₒₚₜ = 1 - (b + d)/(ak)。

2.4 示例分析

假设用户组最大数量为 100,000，单个用户每月利润为 1,000 KRW，b + d 为 4,000,000 KRW 每 1Mbps 每月。当 k = 0.1204 时，QoE 为 0.67 时总利润达到最大值 30,166,437 KRW。当 QoE 达到 0.95 时，总利润为 0。这表明过度投资提高 QoE 最终会导致利润下降，该分析可帮助内容提供商找到最优投资方案。

综上所述，WDM 网络的多环覆盖备用容量分配方法和基于 QoE 的内容服务利润模型，分别在网络资源利用和内容服务盈利方面提供了有效的解决方案。通过合理运用这些方法，可提高网络的可靠性和内容服务的经济效益。

3. 方法总结与对比

3.1 WDM 网络备用容量分配方法总结

为了更清晰地对比不同拓扑信息恢复方法在 WDM 网络备用容量分配中的特点，我们总结如下表：
| 恢复方法 | 优点 | 缺点 |
| ---- | ---- | ---- |
| 单环覆盖 | 实现简单 | 备用容量冗余高 |
| 循环双覆盖（CDC） | 可实现 100% 备用容量冗余的光纤保护 | 大网络中部分循环可能过长，影响恢复质量和鲁棒性 |
| 广义回环保护 | 单链路故障时备用容量冗余小于 100%，小拓扑变化时无需全局重新配置 | 对多重故障的鲁棒性降低 |
| p - 循环配置 | 可提供接近最优的备用容量冗余 | 可能存在长保护循环的问题 |
| 多环覆盖 | 分布式链路恢复，备份路径和备用容量可共享，效率和鲁棒性较好 | 需预配置备份路径和备用容量 |

从表中可以看出，多环覆盖方法在综合性能上表现较为出色，它结合了分布式恢复和资源共享的优势，同时通过合理选择备份循环，能够在一定程度上避免长循环带来的问题。

3.2 内容服务利润模型分析

在内容服务利润模型中，各个参数之间的关系相互影响，共同决定了总利润的大小。为了更直观地展示这些关系，我们给出如下 mermaid 流程图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([开始]):::startend --> B(服务器带宽 B):::process
    B --> C(服务器带宽成本 C = bB):::process
    B --> D(服务器成本 S = dB):::process
    B --> E(QoE 水平 Q = 1 - e⁻ᵏᴮ):::process
    E --> F(内容交付利润 P = aQ):::process
    F --> G(总利润 T = P - C - S):::process
    G --> H{是否达到最大利润?}:::decision
    H -->|是| I([结束]):::startend
    H -->|否| J(调整 QoE 水平 Q):::process
    J --> E

从流程图中可以看出，服务器带宽 B 是影响其他参数的关键因素。通过调整 B，可以改变 QoE 水平 Q，进而影响内容交付利润 P 和总利润 T。而最优 QoE 水平 Qₒₚₜ 的计算，则为内容提供商提供了一个明确的目标，帮助他们在投资和利润之间找到平衡。

4. 实际应用建议

4.1 WDM 网络备用容量分配应用

在实际的 WDM 网络中应用多环覆盖备用容量分配方法时，可按照以下步骤进行：
1. 网络拓扑分析 ：对网络的拓扑结构进行详细分析，确定节点和链路的分布情况。
2. 备份循环确定 ：通过搜索链路端点之间的 k 最短路径（优先选择不相交最短路径），找到一组循环，使每个链路至少包含在 m 个循环中，且这些循环的共享链路数量最少。
3. 备用容量分配 ：根据割集的概念，计算不同割集类型和 m 值下的备用容量分配比例，将备用容量合理分配到各个链路。
4. 预配置与测试 ：在网络设计阶段完成备份路径和备用容量的预配置，并进行测试，确保分布式链路恢复能够正常工作。
5. 监控与调整 ：对网络的运行状态进行实时监控，根据实际情况调整备份循环和备用容量的分配，以适应网络拓扑的变化。

4.2 内容服务利润模型应用

内容提供商在应用基于 QoE 的利润模型时，可参考以下步骤：
1. 用户群体分析 ：对用户进行分类，了解不同用户群体对服务质量的敏感度 k。
2. 参数确定 ：根据市场情况和运营成本，确定 a、b、d 等参数的值。
3. 最优 QoE 计算 ：使用公式 Qₒₚₜ = 1 - (b + d)/(ak) 计算不同用户群体的最优 QoE 水平。
4. 投资决策 ：根据最优 QoE 水平，确定服务器带宽的投资规模，以实现利润最大化。
5. 效果评估 ：定期对利润模型的效果进行评估，根据实际利润情况调整参数和投资策略。

5. 未来展望

5.1 WDM 网络发展趋势

随着网络技术的不断发展，WDM 网络将面临更高的带宽需求和更复杂的拓扑结构。未来，多环覆盖备用容量分配方法可能需要进一步优化，以适应这些变化。例如，结合人工智能算法，实现备份循环的动态调整和备用容量的智能分配，提高网络的自适应能力和可靠性。

5.2 内容服务利润模型优化

在内容服务领域，用户对服务质量的要求将不断提高，QoE 的测量和管理也将更加精细。未来的利润模型可能需要考虑更多的因素，如用户的行为模式、市场竞争情况等，以提供更准确的投资决策支持。同时，随着区块链等新技术的应用，内容服务的盈利模式也可能发生变革，利润模型需要不断适应这些变化。

综上所述，WDM 网络备用容量分配和基于 QoE 的内容服务利润模型在当前网络和内容服务领域具有重要的应用价值。通过深入研究和合理应用这些方法，能够提高网络资源的利用效率和内容服务的经济效益，为未来网络和服务的发展奠定坚实的基础。