基于霧計(jì)算的負(fù)載均衡策略

江 帆, 魏景章, 徐 帥

(1.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121; 2.西安財(cái)經(jīng)學(xué)院 文學(xué)院，陜西 西安 710100)

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量呈爆炸式趨勢(shì)增長(zhǎng)，基站的業(yè)務(wù)請(qǐng)求壓力越來越大。云計(jì)算[1]是一種由大量高性能計(jì)算機(jī)組成的資源池，負(fù)責(zé)為大量的業(yè)務(wù)請(qǐng)求按需提供資源，提供了大量數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算和存儲(chǔ)等問題的一種有效的方法，在一定程度上緩解了基站的壓力。隨著各種新應(yīng)用如超清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)等的出現(xiàn)，用戶對(duì)應(yīng)用延遲的要求越來越高，使得云計(jì)算受到了極大地挑戰(zhàn)。霧計(jì)算是對(duì)云計(jì)算的補(bǔ)充和完善，霧計(jì)算[2-3]部署于網(wǎng)絡(luò)邊緣，鄰近終端用戶，以降低終端用戶的業(yè)務(wù)請(qǐng)求時(shí)延，其時(shí)延遠(yuǎn)低于云計(jì)算模式下用戶請(qǐng)求時(shí)延。從而極大地緩解了云計(jì)算下的高時(shí)延問題。

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[4-5]下，引入霧計(jì)算，可以在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從高負(fù)載區(qū)域轉(zhuǎn)移到低負(fù)載區(qū)域的同時(shí)，提高終端用戶的計(jì)算資源利用率[6]。文獻(xiàn)[7]提出了基于霧計(jì)算的在線任務(wù)卸載算法，根據(jù)任務(wù)的大小選擇任務(wù)執(zhí)行方式，充分利用了終端設(shè)備的計(jì)算能力，降低了網(wǎng)絡(luò)擁塞，但是沒有考慮微小區(qū)間負(fù)載均衡問題。文獻(xiàn)[8]提出了一種霧架構(gòu)下多終端負(fù)載分發(fā)算法，提高了終端設(shè)備的資源利用率，并降低了系統(tǒng)時(shí)延，但是，該算法僅考慮到時(shí)延方面的優(yōu)化，未考慮到能耗方面的優(yōu)化。

基于以上兩種負(fù)載均衡策略的不足，本文擬提出了一種負(fù)載均衡策略。在微小區(qū)擁塞的情況下，為通信質(zhì)量較差的微小區(qū)邊緣用戶優(yōu)先建立D2D (Device to Device)[9-10]鏈路,實(shí)現(xiàn)高負(fù)載微小區(qū)到低負(fù)載微小區(qū)的負(fù)載轉(zhuǎn)移，然后將釋放的資源重新分配。為了降低系統(tǒng)的時(shí)延與能耗，采用基于用戶意愿的中繼選擇的改進(jìn)算法。算法根據(jù)用戶的意愿來選定最優(yōu)中繼，建立傳輸鏈路，在保證用戶通信質(zhì)量的前提下，以期降低系統(tǒng)的時(shí)延與能耗。

1 系統(tǒng)模型

通常的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。

圖1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型包括一個(gè)宏小區(qū)及若干微小區(qū)，其中宏基站(Macrocell Base Station, MBS)部署于宏小區(qū)中心提供整體覆蓋，微基站(Femtocell Base Station, FBS)部署于微小區(qū)中心，為宏小區(qū)邊緣及覆蓋盲區(qū)提供熱點(diǎn)覆蓋，表示為f∈F={1,2,…,m}。微小區(qū)間放置有中繼站，負(fù)責(zé)任務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)，表示為r∈R={1,2,…,n}。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，用戶下行通過正交頻分多址的方式接入系統(tǒng)，上行通過單載波頻分多址的方式接入系統(tǒng)。在資源復(fù)用方面，微小區(qū)復(fù)用宏小區(qū)資源。由于宏基站和微基站的抗干擾能力優(yōu)于終端設(shè)備，因此，設(shè)定D2D通信復(fù)用上行蜂窩鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[11]。

大量用戶的接入使得微基站(如FBS1)將會(huì)導(dǎo)致負(fù)載變高，從而降低了微小區(qū)內(nèi)用戶的通信質(zhì)量。如果微小區(qū)邊緣用戶與微基站建立直連鏈路進(jìn)行通信，鏈路距離較遠(yuǎn)，路徑損耗較大，無法保證用戶的通信質(zhì)量，因此，為了改善高負(fù)載微基站下的用戶體驗(yàn)，將處于微小區(qū)邊緣的用戶(如用戶1等)卸載到附近負(fù)載較低的微小區(qū)(如微小區(qū)2等)執(zhí)行，而對(duì)于距離微基站較近用戶(如用戶2等)通信質(zhì)量通常較好，可以在本小區(qū)內(nèi)通過與微基站建立蜂窩鏈路完成任務(wù)的執(zhí)行。

2 基于用戶意愿的中繼選擇算法

一般中繼選擇算法無法根據(jù)任務(wù)類型靈活選擇中繼，會(huì)導(dǎo)致用戶滿意度減低。為了考慮用戶的意愿，就需要對(duì)中繼選擇算法。根據(jù)用戶對(duì)時(shí)延和能耗的側(cè)重，選擇不同類型的中繼輔助任務(wù)的卸載，進(jìn)而對(duì)中繼選擇算法進(jìn)行改進(jìn)。

考慮到用戶意愿，可以分為對(duì)任務(wù)要求低時(shí)延和對(duì)任務(wù)要求低能耗兩種情況，然后，根據(jù)用戶對(duì)時(shí)延和能耗的側(cè)重選擇中繼。

當(dāng)用戶意愿為任務(wù)要求低時(shí)延時(shí)，宏基站優(yōu)先選擇中繼站作為中繼。所選擇中繼基站需要確保轉(zhuǎn)移用戶與中繼站能夠正常通信。轉(zhuǎn)移用戶與中繼站能夠正常通信的條件[9]為

(1)

當(dāng)中繼站滿足式(1)時(shí)，轉(zhuǎn)移用戶與該中繼站能夠正常通信。宏基站將該中繼站選為待選中繼，并根據(jù)其負(fù)載情況，從中選定最優(yōu)中繼站作為中繼。中繼站的負(fù)載計(jì)算公式[12]為

(2)

當(dāng)用戶意愿為任務(wù)要求低能耗時(shí)，宏基站優(yōu)先選擇宏小區(qū)空閑用戶作為中繼。首先，需要確保轉(zhuǎn)移用戶與宏小區(qū)空閑用戶能夠正常通信[9]，即滿足

(3)

當(dāng)宏小區(qū)空閑用戶滿足式(3)時(shí)，表明轉(zhuǎn)移用戶與該用戶能夠正常通信，宏基站將該用戶作為待選中繼。然后，根據(jù)宏小區(qū)空閑用戶的可用計(jì)算資源情況，從待選中繼中選定最優(yōu)宏小區(qū)空閑用戶作為中繼。用戶資源計(jì)算公式[6]為

(4)

式中φj表示宏小區(qū)空閑用戶j占用的計(jì)算資源，Cj表示宏小區(qū)空閑用戶j占用的組件指令數(shù)，ηj表示宏小區(qū)空閑用戶j的中央處理器的速率。根據(jù)式(4)計(jì)算出待選中繼的計(jì)算資源占用情況，并選擇計(jì)算資源占用最少的宏小區(qū)空閑用戶作為中繼輔助任務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

3 基于霧計(jì)算的負(fù)載均衡策略

基于用戶意愿的中繼選擇算法，未考慮微小區(qū)負(fù)載問題，負(fù)載均衡問題將會(huì)影響用戶的通信質(zhì)量。傳統(tǒng)負(fù)載均衡策略僅僅考慮了任務(wù)的轉(zhuǎn)移，未能考慮利用用戶的計(jì)算資源能力。為此，提出了一種基于霧計(jì)算的負(fù)載均衡策略。

霧計(jì)算的負(fù)載均衡策略既考慮用戶意愿，有考慮到終端設(shè)備的計(jì)算能力，即在用戶意愿確定的前提下，充分利用設(shè)備的計(jì)算資源。

在所考慮的霧架構(gòu)下，轉(zhuǎn)移用戶任務(wù)計(jì)算卸載需要滿足條件為中繼用戶的剩余計(jì)算資源不能超過終端設(shè)備計(jì)算資源門限，即

φj+φi≤φth。

(5)

其中φi表示轉(zhuǎn)移用戶i任務(wù)所需計(jì)算資源量，φth表示終端設(shè)備剩余計(jì)算資源量門限值。如果中繼用戶剩余計(jì)算資源高于門限值，表明設(shè)備剩余計(jì)算資源過少，會(huì)造成設(shè)備運(yùn)行崩潰和電池能力的快速消耗[11]。

基于霧計(jì)算的負(fù)載均衡策略具體步驟如下。

步驟1確定轉(zhuǎn)移微小區(qū)及其轉(zhuǎn)移用戶。

首先，計(jì)算微基站負(fù)載，確定需要進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移的微小區(qū)。微基站負(fù)載計(jì)算公式[12]為

(6)

其次，選定轉(zhuǎn)移微小區(qū)后，確定轉(zhuǎn)移用戶?？紤]到邊緣用戶通信質(zhì)量通常較差，因此，優(yōu)先選擇邊緣用戶中的有任務(wù)用戶作為轉(zhuǎn)移用戶。過載用戶數(shù)計(jì)算公式[12]為

(7)

其中nl表示轉(zhuǎn)移微小區(qū)l內(nèi)的過載用戶數(shù)，Ul表示微小區(qū)l內(nèi)有任務(wù)用戶總數(shù)。根據(jù)式(7)計(jì)算得到的過載用戶數(shù)即為需要轉(zhuǎn)移的用戶數(shù)，然后，從邊緣用戶中，選擇占用計(jì)算資源較多且有任務(wù)用戶作為轉(zhuǎn)移用戶。

步驟2選定目標(biāo)小區(qū)。

在選擇目標(biāo)小區(qū)前，需要確定轉(zhuǎn)移用戶與目標(biāo)微基站能否正常通信。轉(zhuǎn)移用戶與目標(biāo)微基站正常通信的條件為

(8)

若滿足式(8)條件，則表明中繼用戶與目標(biāo)微基站能夠正常通信。然后，根據(jù)式(6)判斷附近微基站能否提供接入，即如果ρl<1，則表明該微基站可以為轉(zhuǎn)移用戶提供接入，并選擇距離轉(zhuǎn)移用戶最近的附近微基站所在小區(qū)作為目標(biāo)微小區(qū)。否則，不能作為目標(biāo)基站提供接入。

步驟3選定最優(yōu)中繼。

根據(jù)基于用戶意愿的中繼選擇算法，確定中繼類型并選定最優(yōu)中繼，計(jì)算出最優(yōu)鏈路時(shí)延與能耗。時(shí)延和能耗計(jì)算公式分別為

Ti=αi(Si/γi,Rk+Si/γRr,Fl)+
(1-αi)(Si/γi,j+Si/γj,Ff),

(9)

Ei=μijαi[PRrTi,Rr+PcTRr,Fl]+
(1-μij)(1-αi)[Pd2dTi,j+PcTj,Ff]。

(10)

其中，Ti表示轉(zhuǎn)移用戶i執(zhí)行任務(wù)的時(shí)延，Ei表示轉(zhuǎn)移用戶i執(zhí)行任務(wù)的能耗。αi表示用戶i任務(wù)卸載執(zhí)行方式，且αi∈{0,1}，當(dāng)αi=1時(shí)表示本地執(zhí)行，αi=0表示卸載執(zhí)行。Si表示轉(zhuǎn)移用戶i的任務(wù)長(zhǎng)度。μij表示任務(wù)執(zhí)行方式，且μij∈{0,1}，當(dāng)μij=1時(shí)表示采用中繼站輔助任務(wù)卸載，μij=0表示采用中繼用戶進(jìn)行輔助任務(wù)執(zhí)行。Pd2d表示D2D功率，Pc表示蜂窩功率。Ti,Rk，Ti,j，TRk,Fl，Tj,Ff分別表示中繼站k或宏小區(qū)空閑用戶j時(shí)第一跳中繼鏈路傳輸時(shí)延和第二跳中繼鏈路傳輸時(shí)延。

在用戶意愿確定的情況下，根據(jù)式(9)、(10)計(jì)算出符合用戶意愿的鏈路對(duì)應(yīng)的傳輸時(shí)延與能耗，然后，根據(jù)用戶對(duì)時(shí)延能耗的側(cè)重選擇最優(yōu)中繼，并給出有任務(wù)用戶及中繼的信息。其對(duì)應(yīng)優(yōu)化問題的優(yōu)化目標(biāo)為

(11)

(12)

其中，V表示時(shí)延能耗權(quán)衡參數(shù)，且V>0。根據(jù)用戶對(duì)時(shí)延和能耗側(cè)重調(diào)整參數(shù)V的值，使得用戶執(zhí)行任務(wù)的時(shí)延與能耗之和在用戶意愿確定的前提下達(dá)到最小。在用戶意愿確定的情況下，計(jì)算出滿足式(5)，限制條件為式(12)的最優(yōu)中繼，在選定最優(yōu)中繼后，根據(jù)式(11)計(jì)算出系統(tǒng)最低能耗與時(shí)延之和。

步驟4建立鏈路，進(jìn)行任務(wù)的卸載。

根據(jù)用戶的意愿建立相應(yīng)的鏈路，即用戶意愿為低時(shí)延時(shí)，轉(zhuǎn)移用戶與中繼站通過建立蜂窩鏈路進(jìn)行任務(wù)的傳輸；用戶意愿為低能耗時(shí)，轉(zhuǎn)移用戶與宏小區(qū)空閑用戶通過建立D2D鏈路進(jìn)行任務(wù)的傳輸。

步驟5對(duì)釋放的資源塊進(jìn)行再分配，為新用戶提供接入。

微基站將釋放的資源重新分配給D2D中繼通信范圍外的孤立用戶提供接入服務(wù)。

在本文所提的負(fù)載均衡策略中，宏基站輔助微基站，通過基于用戶意愿的中繼選擇算法根據(jù)用戶意愿建立相應(yīng)中繼鏈路，將高負(fù)載微小區(qū)通信質(zhì)量較低的邊緣有任務(wù)用戶卸載到附近低負(fù)載微小區(qū)執(zhí)行。然后微基站釋放的資源分配給新接入用戶。

4 仿真分析

使用MATLAB軟件仿真驗(yàn)證本文的負(fù)載均衡策略有效性。仿真采用通用的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信模型。系統(tǒng)主要仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)表

4.1 權(quán)重參數(shù)與時(shí)延能耗關(guān)系

4.1.1 低時(shí)延用戶意愿的時(shí)延能耗關(guān)系

當(dāng)用戶意愿為低時(shí)延時(shí)，μij=1，αi=0，即選擇轉(zhuǎn)移用戶所在小區(qū)附近負(fù)載最低的中繼站作為中繼輔助任務(wù)的卸載執(zhí)行。利用式(2)、(9)計(jì)算得到最優(yōu)中繼，并通過式(6)、(8)計(jì)算得到最優(yōu)目標(biāo)小區(qū)，再利用式(10)計(jì)算得到最優(yōu)任務(wù)卸載執(zhí)行鏈路能耗。其仿真結(jié)果與速率均衡算法[13]結(jié)果如圖2所示。

圖2 低時(shí)延用戶意愿時(shí)延能耗關(guān)系

圖2為低時(shí)延情況下的時(shí)延與能耗關(guān)系?？梢?，隨著參數(shù)V的增加，本文改進(jìn)算法對(duì)應(yīng)的鏈路平均能耗，先快速下降，然后趨于平穩(wěn)。與速率均衡算法相比，本文改進(jìn)算法在用戶意愿為低時(shí)延時(shí)，在時(shí)延方面要略優(yōu)于速率均衡算法，但在能耗方面要劣于速率均衡算法。

4.1.2 低能耗用戶意愿的時(shí)延能耗關(guān)系

當(dāng)用戶意愿為低能耗時(shí)，μij=0，αi=0，即選擇轉(zhuǎn)移用戶所在小區(qū)附近負(fù)載最低的中繼站作為中繼輔助任務(wù)的卸載執(zhí)行。通過公式(4)、(5)計(jì)算得到可以計(jì)算資源最優(yōu)的宏小區(qū)空閑用戶作為中繼輔助任務(wù)的卸載執(zhí)行。同理，得到最優(yōu)任務(wù)卸載執(zhí)行鏈路，最后，由公式(10)計(jì)算得到最優(yōu)任務(wù)卸載執(zhí)行鏈路能耗。其仿真結(jié)果與速率均衡算法[14]結(jié)果如圖3所示。

圖3 低能耗用戶意愿時(shí)延能耗關(guān)系

圖中曲線表 示用戶意愿為低能耗情況下，時(shí)延與能耗隨著權(quán)重參數(shù)V的變化關(guān)系?？梢钥闯?，隨著參數(shù)V的增加，鏈路平均能耗先快速下降，然后趨于平穩(wěn)。與速率均衡算法相比，本文改進(jìn)算法在用戶意愿為低能耗時(shí)，在時(shí)延方面要劣于速率均衡算法，但在能耗方面要略優(yōu)于速率均衡算法。

4.2 計(jì)算資源與時(shí)延能耗關(guān)系

為了驗(yàn)證基于霧計(jì)算均衡策略在計(jì)算資源利用率方面的優(yōu)化效果，仿真計(jì)算資源和中繼處理數(shù)據(jù)的速率及能耗關(guān)系。利用式(4)、(5)計(jì)算中繼的可用計(jì)算資源量，再通過式(9)、(10)計(jì)算得到CPU占用率與鏈路傳輸時(shí)延和任務(wù)處理能耗的關(guān)系，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 CPU占用率與時(shí)延能耗關(guān)系

從圖4可以看出，隨著CPU占用率的增加，鏈路平均能耗先是快速增加，然后趨于平穩(wěn)；鏈路時(shí)延增長(zhǎng)趨勢(shì)先是較為平穩(wěn)，然后增長(zhǎng)趨勢(shì)越來越明顯，且較高CPU占用率會(huì)導(dǎo)致鏈路傳輸?shù)妮^高時(shí)延和任務(wù)處理的較高能耗，所以，本文提出的負(fù)載策略通過選擇CPU占用率較低的用戶作為中繼輔助任務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)，能夠有效地降低鏈路的時(shí)延和能耗。

5 結(jié)語

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下微小區(qū)間負(fù)載不均衡情況，給出了一種基于霧計(jì)算的負(fù)載均衡策略。該策略先根據(jù)信干噪比判斷較高負(fù)載微小區(qū)內(nèi)通信質(zhì)量較差的轉(zhuǎn)移用戶，建立相應(yīng)的中繼鏈路。然后，依據(jù)微基站負(fù)載值，并結(jié)合用戶對(duì)能耗和時(shí)延的意愿，采用微基站負(fù)載均衡的優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下微小區(qū)間負(fù)載衡。仿真結(jié)果表明，與速率均衡算法相比，本文采用的中繼選擇算法提高了計(jì)算資源的利用率，提出的基于霧計(jì)算的負(fù)載均衡策略降低了系統(tǒng)的時(shí)延和能耗，提升了用戶的應(yīng)用體驗(yàn)。

雖然，本文提出的負(fù)載均衡策略能夠降低系統(tǒng)的能耗和時(shí)延，但是，在選擇鏈路時(shí)為考慮用戶間的干擾問題。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，微小區(qū)間戶間的干擾問題會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)容量的降低，降低通信質(zhì)量。因此，考慮干擾消除問題的基于霧計(jì)算的負(fù)載均衡策略，還需進(jìn)行進(jìn)一步研究。