基于聯(lián)合決策模型的物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算資源分配

劉 明，龔 偉

(河北工業(yè)大學(xué)廊坊分校，河北 廊坊，065000)

1 引言

由于應(yīng)用需求與終端形式的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)也逐漸打破原有形態(tài)，被賦予更加多元的功能與存在形式。比如AR、VR和人工智能等技術(shù)的引入[1]，提升了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用功能和服務(wù)領(lǐng)域，與此同時(shí)，大量密集型計(jì)算也對(duì)終端資源提出了更高的要求[2]。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)資源受限問(wèn)題，當(dāng)前較為可行的辦法是引入邊緣計(jì)算[3]，并結(jié)合相應(yīng)的資源調(diào)度策略提供更好的應(yīng)用體驗(yàn)。例如，文獻(xiàn)[4]針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)終端與業(yè)務(wù)的差異性，采用D2HM來(lái)計(jì)算任務(wù)卸載策略，并通過(guò)博弈算法實(shí)現(xiàn)資源調(diào)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法在異構(gòu)任務(wù)方面的有效性，但是缺乏對(duì)時(shí)變環(huán)境的適用性。文獻(xiàn)[5]針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)計(jì)算與存儲(chǔ)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了MEC卸載算法。該方法主要研究了任務(wù)卸載策略，沒(méi)有對(duì)資源分配和效率進(jìn)行深入研究。文獻(xiàn)[6]針對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，提出了任務(wù)卸載與緩存分配決策模型，并采用actor-critic算法進(jìn)行求解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)時(shí)變特征具有較好的適應(yīng)性。文獻(xiàn)[7]針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中參數(shù)的不確定性，引入模糊思想構(gòu)造任務(wù)模型，并采用模因算法進(jìn)行求解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法能夠有效構(gòu)建虛擬控制器，完成任務(wù)與資源的合理調(diào)度。文獻(xiàn)[8]針對(duì)工業(yè)應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)計(jì)算性能的不足，構(gòu)造了任務(wù)處理模型，并分解成計(jì)算資源與任務(wù)卸載兩部分，以任務(wù)執(zhí)行時(shí)間作為目標(biāo)，采用模擬退火計(jì)算模型最策略，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法具有較好的跨域卸載效果。

由于物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算資源分配需要平衡多種因素，各種因素之間往往不是獨(dú)立的。不同約束條件得出的決策可能相互影響和干擾，因此，本文考慮了任務(wù)在本地與邊緣處執(zhí)行時(shí)，對(duì)時(shí)延、能耗和各類(lèi)資源的影響，并基于此構(gòu)建聯(lián)合決策模型，結(jié)合時(shí)延與資源作為物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算的總效用，以及各種相關(guān)約束條件，求解出最優(yōu)的任務(wù)卸載策略和資源分配策略，從而提高物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算的資源管理有效性和時(shí)延敏感性。

2 物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算資源模型

2.1 時(shí)間模型

(1)

(2)

其中，Ti，s代表邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中源服務(wù)器上的時(shí)延；λi，s代表源服務(wù)器上執(zhí)行的計(jì)算任務(wù)權(quán)重；pi，s代表源服務(wù)器對(duì)任務(wù)i的計(jì)算能力；Ti，d代表目標(biāo)服務(wù)器上的時(shí)延；pi，d代表目標(biāo)服務(wù)器對(duì)任務(wù)i的計(jì)算能力。

在一些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)位置并非固定不變的，這里考慮節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特征。設(shè)定節(jié)點(diǎn)i移動(dòng)的速率與距離依次是vi、si，那么任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸至處理單元j的過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)所需的移動(dòng)時(shí)間表示如下

(3)

si，d=(d-1)Smax-(si-sSmax)

(4)

(5)

2.2 能耗模型

考慮到物聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)能量有限，在節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行任務(wù)i時(shí)，產(chǎn)生的計(jì)算能耗表示如下

Ei=wiTi

(6)

其中，wi代表節(jié)點(diǎn)計(jì)算功率。如果任務(wù)i在邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)上執(zhí)行，則需要在處理單元之間傳輸數(shù)據(jù)，此過(guò)程中產(chǎn)生的傳輸能耗表示如下

Ei，j=wtTi，j

(7)

其中，wt代表傳輸功率；Ti，j代表任務(wù)傳輸至處理單元j所需的時(shí)間。

保護(hù)生物免受核設(shè)施的輻射影響，近二三十年中才逐漸受到各國(guó)重視。歐美在該方面的研究和應(yīng)用較早，不僅建立了完整的分析方法和體系，還將其編制成軟件，供其他國(guó)家和組織免費(fèi)試用。近些年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國(guó)家和民眾的環(huán)保意識(shí)也不斷增強(qiáng)。學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)外生物輻射影響方面的軟件和方法，可以在我國(guó)建設(shè)和使用核設(shè)施的過(guò)程中，評(píng)價(jià)其對(duì)于生物的影響，進(jìn)而保護(hù)我們賴以生存的生態(tài)環(huán)境。

2.3 計(jì)算資源模型

(8)

2.4 帶寬資源模型

在分析帶寬資源時(shí)，這里基于OFDM技術(shù)分析。利用香農(nóng)定理與信道參數(shù)，推導(dǎo)出傳輸性能如下

vi=biln(1+wsg/wn)

(9)

其中，vi代表任務(wù)數(shù)據(jù)傳遞速度；bi代表任務(wù)i獲得的帶寬，且所有任務(wù)對(duì)帶寬的占用應(yīng)符合總帶寬限制；ws、wn依次代表服務(wù)器與噪聲功率；g代表信道增益。根據(jù)任務(wù)數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)傳遞速度，便可以計(jì)算得到任務(wù)卸載至邊緣處理的傳輸時(shí)延。

3 聯(lián)合決策模型

基于對(duì)時(shí)間和各類(lèi)資源模型的分析，這里通過(guò)聯(lián)合模型來(lái)得到資源分配調(diào)度的最佳決策。根據(jù)任務(wù)是否在節(jié)點(diǎn)本地執(zhí)行，構(gòu)建變量數(shù)組E=[e1，e2，…，eN]。當(dāng)任務(wù)i在本地執(zhí)行，則令ei=0，否則說(shuō)明任務(wù)將被卸載至邊緣處，即ei=1。在保證最小卸載的情況下，可以得到如下模型

(10)

(11)

其中，Rtotal代表邊緣網(wǎng)絡(luò)計(jì)算資源上限；Tc代表任務(wù)完成時(shí)間；B代表網(wǎng)絡(luò)總帶寬。約束關(guān)系式①對(duì)邊緣網(wǎng)絡(luò)計(jì)算資源進(jìn)行限定；關(guān)系式②對(duì)卸載變量取值進(jìn)行限定；關(guān)系式③對(duì)時(shí)間范圍內(nèi)的任務(wù)資源量進(jìn)行限定；關(guān)系式④對(duì)計(jì)算資源進(jìn)行限定；關(guān)系式⑤對(duì)卸載時(shí)間進(jìn)行限定；關(guān)系式⑥對(duì)帶寬資源進(jìn)行限定。由于該模型包含混合非線性規(guī)劃，在求解過(guò)程中，需要大量的時(shí)空成本支撐。于是，這里將其轉(zhuǎn)換為求解物聯(lián)網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)總效用最高的情況，可以得到如下模型

(12)

(13)

在式(12)中，節(jié)點(diǎn)總效用考慮了時(shí)延與資源兩個(gè)因素，λ1與λ2依次代表兩種因素的加權(quán)系數(shù)；Ti代表系統(tǒng)在任務(wù)i上的時(shí)延，它由節(jié)點(diǎn)本地時(shí)延與卸載時(shí)間組成；Cu代表資源單位成本。約束關(guān)系式①對(duì)任務(wù)執(zhí)行的計(jì)算資源進(jìn)行限定；關(guān)系式②對(duì)任務(wù)時(shí)延進(jìn)行限定；關(guān)系式③對(duì)卸載率進(jìn)行限定。

針對(duì)非凸優(yōu)化，利用最速下降法對(duì)模型進(jìn)行分解，結(jié)果如下

(14)

圖1 基于聯(lián)合決策模型的物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算資源分配流程圖

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

基于Matlab搭建物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算資源分配仿真模型，具體仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示，節(jié)點(diǎn)的位置隨機(jī)產(chǎn)生，覆蓋范圍是100m。這里考慮具有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，能夠更好的驗(yàn)證方法在物聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)時(shí)變情況下的性能。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)從多個(gè)角度評(píng)價(jià)物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算資源分配性能，并采用文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]的邊緣計(jì)算資源分配方法進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證所提方法的有效性和優(yōu)越性。

4.2 仿真結(jié)果分析

首先通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到任務(wù)的完成率情況。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中改變網(wǎng)絡(luò)任務(wù)數(shù)量，從而使系統(tǒng)調(diào)整邊緣計(jì)算資源。得到各方法的任務(wù)完成率，結(jié)果如圖2所示。由于文獻(xiàn)[8]在資源調(diào)度與任務(wù)卸載模型構(gòu)造時(shí)，是基于任務(wù)執(zhí)行時(shí)延的，沒(méi)有直接考慮資源與時(shí)延的關(guān)系，所以在任務(wù)規(guī)模變化的過(guò)程中，其對(duì)應(yīng)的任務(wù)完成率一直處于波動(dòng)狀態(tài)。由于文獻(xiàn)[7]在模型中同時(shí)考慮了時(shí)間與資源，且引入了模糊理論求解，因此在任務(wù)規(guī)模為60之前，一直保持較高的任務(wù)完成率，但是在任務(wù)規(guī)模超過(guò)60之后，部分服務(wù)器出現(xiàn)過(guò)載，從而引發(fā)任務(wù)阻塞，完成率開(kāi)始波動(dòng)，且出現(xiàn)明顯下降。而本文方法在任務(wù)規(guī)模增加至70時(shí)，仍然保持接近100%的完成率，在超過(guò)70后出現(xiàn)微小的波動(dòng)，且波動(dòng)幅度不超過(guò)2%。結(jié)果表明本文方法提高了物聯(lián)網(wǎng)任務(wù)與資源調(diào)度能力，能夠有效避免任務(wù)執(zhí)行失敗的幾率。

圖2 任務(wù)完成率結(jié)果

然后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到任務(wù)執(zhí)行時(shí)間情況，結(jié)果如圖3所示。由于文獻(xiàn)[8]更注重任務(wù)時(shí)延，所以在任務(wù)數(shù)量較少時(shí)，確實(shí)能夠使邊緣計(jì)算資源得到合理分配，從而保證良好的執(zhí)行時(shí)間。但是當(dāng)任務(wù)規(guī)模增加時(shí)，確是以完成率為代價(jià)來(lái)?yè)Q取時(shí)間。文獻(xiàn)[7]的執(zhí)行時(shí)間較其它方法都要延長(zhǎng)一些，沒(méi)有任何優(yōu)勢(shì)。而在任務(wù)規(guī)模增加過(guò)程中，本文方法的執(zhí)行時(shí)間表現(xiàn)出越來(lái)越明顯的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)任務(wù)規(guī)模為100時(shí)，分別比其它兩種方法用時(shí)縮短176s和76s。

圖3 執(zhí)行時(shí)間結(jié)果

再通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)能耗情況，結(jié)果如圖4所示。在任務(wù)規(guī)模增加時(shí)，節(jié)點(diǎn)需要處理的任務(wù)隨之增加，能耗便由此增加。文獻(xiàn)[7]的能效優(yōu)于文獻(xiàn)[8]方法，這是由于文獻(xiàn)[7]方法在任務(wù)處理卸載過(guò)程中引入了能耗因素。而本文方法的能耗由于其它所有方法，這是由于方法建立了關(guān)于能耗模型，分析了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)本地與邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)兩種情況的能耗，同時(shí)在資源分配時(shí)，能夠根據(jù)資源狀態(tài)對(duì)任務(wù)進(jìn)行準(zhǔn)確卸載，更好的平衡網(wǎng)絡(luò)能耗。

圖4 能耗結(jié)果

最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)資源分配情況，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，在任務(wù)規(guī)模增加時(shí)，所有方法的資源分配量都會(huì)增長(zhǎng)，但是本文方法的剩余資源顯然較其它方法的更多，尤其在規(guī)模達(dá)到60以后，資源分配經(jīng)過(guò)了聯(lián)合決策的重新調(diào)整，提升了資源分配的效果。

圖5 資源分配結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)具有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)，提出了基于聯(lián)合決策模型的邊緣計(jì)算資源分配方法。將邊緣計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，來(lái)增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算能力和任務(wù)處理能力。結(jié)合時(shí)延、能耗、計(jì)算資源和帶寬資源的分析模型，構(gòu)建了聯(lián)合決策模型，進(jìn)而對(duì)物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算資源進(jìn)行合理分配。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明本文方法具有較高的任務(wù)完成率，同時(shí)降低了執(zhí)行時(shí)間和能耗，有效提高了資源分配性能，且對(duì)于任務(wù)規(guī)模和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)具有良好的適應(yīng)性。