基于邊緣計算的網(wǎng)絡(luò)時延精準(zhǔn)控制方法研究

蔡國琛,池鴻源,蔡汝健

(中國移動通信集團廣東有限公司汕頭分公司,廣東 汕頭 515041)

0 引言

邊緣計算在市場上屬于一種基于現(xiàn)代化技術(shù)的衍生技術(shù),作為一種全新的計算模式,核心目的是將計算內(nèi)容與計算能力進行邊緣化處理。 目前,相關(guān)方面的研究仍屬于全新的領(lǐng)域,一經(jīng)推行,便受到技術(shù)人員的重點關(guān)注。 當(dāng)計算環(huán)境為邊緣場景時,可采用將網(wǎng)絡(luò)DNN 模型部署在邊緣節(jié)點的方式,通過對云端與前端的計算,掌握網(wǎng)絡(luò)運行現(xiàn)狀。 但在此過程中,邊緣計算的節(jié)點數(shù)量較多,僅依靠一個獨立的設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)信息采樣,是無法滿足前端計算與處理需求。 因此,可以認為目前大多數(shù)邊緣計算的范圍與能力受限,但依靠一個邊緣節(jié)點是無法完成網(wǎng)絡(luò)任務(wù)判斷的[1]。 同時,在深入此方面的研究中發(fā)現(xiàn),現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸大多以光纖通道作為支撐,此種傳輸通道具有單程傳輸量大、運行可靠性高、常規(guī)通信技術(shù)無法代替等優(yōu)勢,但網(wǎng)絡(luò)信息在此種條件下進行管線傳輸,會受到外部環(huán)境與相關(guān)因素的干擾,此種干擾現(xiàn)象較為顯著,一旦沒有做好干擾項排除工作,便會造成網(wǎng)絡(luò)傳輸出現(xiàn)較高時延,而此種時延不僅會影響網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量,也會降低傳輸?shù)男蔥2]。

為解決此方面問題,緩解網(wǎng)絡(luò)時延對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)南拗?本文引用邊緣計算,設(shè)計一種全新的網(wǎng)絡(luò)時延精準(zhǔn)控制方法,以此提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木C合性能。

1 基于邊緣計算的網(wǎng)絡(luò)時延精準(zhǔn)控制方法研究

1.1 網(wǎng)絡(luò)時延變化分析

為確保對網(wǎng)絡(luò)時延的精準(zhǔn)控制,需要對網(wǎng)絡(luò)信道在傳輸信息時的時延變化進行分析。 當(dāng)前端進行網(wǎng)絡(luò)信息的遠距離多信道同步傳輸時,網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)時延的主要原因包括:信道環(huán)境的變化、網(wǎng)絡(luò)傳輸頻率發(fā)生震動、信道傳輸攜帶量變化、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)改變、傳輸距離改變、光譜信道的信道及寬度改變、傳輸距離變化、信號波長變化等[3]。 可將網(wǎng)絡(luò)時延表示為計算公式(1)。

公式(1)中:o表示為網(wǎng)絡(luò)信道傳輸時延;l表示為信道帶寬;Q表示為信道傳輸距離;c表示為平均傳播速率。

完成上述計算后,考慮到通信傳輸信道傳輸環(huán)境的變化也會在一定程度上對傳輸效果造成影響,因此,需要將遠距離多信道傳輸鏈路作為基礎(chǔ),對其進行網(wǎng)絡(luò)時延的描述,如公式(2)所示。

公式(2)中:VO表示為遠距離多信道傳輸鏈路網(wǎng)絡(luò)時延光纖波長,計算單位為μm;λ表示為傳輸效應(yīng);T表示為單程傳輸周期;Vodisp表示為網(wǎng)絡(luò)時延變化趨勢。 綜合上述計算公式,完成對網(wǎng)絡(luò)時延變化的分析。

1.2 基于邊緣計算的分支網(wǎng)絡(luò)傳輸補償

綜合上述分析結(jié)果可知,網(wǎng)絡(luò)時延受到多個外界因素的影響,為了降低時延,引進邊緣計算,進行分支網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的補償[4]。 補償架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)時延補償架構(gòu)

圖1 中,通信網(wǎng)絡(luò)與補償節(jié)點之間的對接是通過邊緣計算實現(xiàn),只有確保網(wǎng)絡(luò)通信邊緣具有可執(zhí)行性,才能在節(jié)點進行網(wǎng)絡(luò)負載傳輸時,實現(xiàn)對信號傳輸?shù)暮暧^調(diào)控[5]。 在此過程中,假設(shè)被控前端表示為x,h表示為信號采樣周期,則網(wǎng)絡(luò)信號在空間中的邊緣表達式如公式(3)。

公式(3)中:k表示為網(wǎng)絡(luò)信號在空間中的邊緣參數(shù);χ表示為網(wǎng)絡(luò)邊界;F表示為邊界條件;u表示為信道離散狀態(tài)。

在此過程中,為了降低邊緣參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)信道傳輸性能的影響,采用內(nèi)置預(yù)估器的方式,對被動信道與終端的實時狀態(tài)進行采樣與分析,同時增設(shè)一個信道隊列緩沖器,用于提高待傳輸對象的歷史輸出能力。 當(dāng)設(shè)置緩沖器的參數(shù)表示為1.0 時,對應(yīng)通信邊緣的控制信號分支傳輸量可表示為1.0 的倍數(shù)。 為了確保補償?shù)倪B續(xù)性,可采用控制補償開關(guān)的方式,進行通信線路與信道的整體調(diào)控。 以此種方式確保補償指令執(zhí)行的有效性,在網(wǎng)絡(luò)分支信道中,實現(xiàn)對信號發(fā)送時延、信息集中處理時延、信息傳播時延、隊列時延的精準(zhǔn)調(diào)控,從而實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)實驗的有效控制[6]。 綜上所述,完成基于邊緣計算的網(wǎng)絡(luò)時延精準(zhǔn)控制方法設(shè)計。

2 實驗分析

上文從理論層面,對基于邊緣計算的網(wǎng)絡(luò)時延精準(zhǔn)控制方法展開了詳細的設(shè)計與研究。 為了檢驗本次設(shè)計,選擇基于Lyapunov 函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)時延控制方法作為傳統(tǒng)方法,進行對比實驗。

實驗前,使用網(wǎng)絡(luò)模擬裝置在終端設(shè)備上布設(shè)一個網(wǎng)絡(luò)場景,將網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的分支結(jié)構(gòu)部署在場景中,見圖2。 為確保對實驗中相關(guān)數(shù)據(jù)的有效獲取,引進深入學(xué)習(xí)框架,建立一個具有多分支結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)DNN 模型,用于訓(xùn)練傳輸信道不同分支信道的網(wǎng)絡(luò)信息。 對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)分支信道為Network channel-1 ～Network channel-14,對接網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與DNN 模型后,在網(wǎng)絡(luò)模擬器中進行網(wǎng)絡(luò)傳輸場景的分布與部署,定位在傳輸過程中的數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)邊緣節(jié)點、云端服務(wù)設(shè)備等,確保網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備保持一種全連接狀態(tài)后,連接網(wǎng)絡(luò)卷積層。 為了滿足實驗中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信需求,設(shè)定邊緣設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)節(jié)點上。 在此基礎(chǔ)上,設(shè)定網(wǎng)絡(luò)有效傳輸參數(shù),如表1 所示。

圖2 實驗網(wǎng)絡(luò)場景結(jié)構(gòu)

表1 網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)設(shè)定

完成網(wǎng)絡(luò)傳輸相關(guān)參數(shù)的設(shè)定后,開啟前端的通信模擬器,進行網(wǎng)絡(luò)通信傳輸,使用DNN 模型進行網(wǎng)絡(luò)延遲的預(yù)測。 為了避免數(shù)據(jù)量冗余對網(wǎng)絡(luò)傳輸時延造成影響與干預(yù),此次實驗隨機選擇3.0 個分支信道作為時延信息獲取信道。 實驗中,獲取信道在傳輸信息時的發(fā)送時延A1、處理時延A2、傳播時延A3、排隊時延A4,用“A1+A2+A3+A4”得出最終計算結(jié)果為A,A 表示為網(wǎng)絡(luò)總時延。 在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中,使用基于邊緣計算的網(wǎng)絡(luò)時延精準(zhǔn)控制方法,與基于Lyapunov函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)時延控制方法,對傳輸信道時延進行宏觀調(diào)控,獲取控制后時延總量,對比本文方法與傳統(tǒng)方法的網(wǎng)絡(luò)總時延,當(dāng)本文方法的網(wǎng)絡(luò)總時延小于傳統(tǒng)方法的網(wǎng)絡(luò)總時延時,可以認為本文方法對網(wǎng)絡(luò)時延的控制效果較優(yōu);反之,當(dāng)本文方法的網(wǎng)絡(luò)總時延大于傳統(tǒng)方法的網(wǎng)絡(luò)總時延時,可以認為本文方法對網(wǎng)絡(luò)時延的控制效果較差。 基于此種理論,整理實驗結(jié)果,對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)時延精準(zhǔn)控制結(jié)果如表2 所示。

整理表2 實驗數(shù)據(jù)可知,在本文控制方法的應(yīng)用下,3 個分支信道的網(wǎng)絡(luò)時延分別為:6.56 ms,5.29 ms,5.93 ms;在傳統(tǒng)控制方法的應(yīng)用下,3 個分支信道的網(wǎng)絡(luò)時延分別為:20.06 ms,19.17 ms,24.18 ms。 綜合實驗結(jié)果分析可知,本文方法3 個分支信道的網(wǎng)絡(luò)時延均小于最高單點延遲(即<10.0 ms),而傳統(tǒng)方法3 個分支信道的網(wǎng)絡(luò)時延均大于最高單點延遲(即>10.0 ms)。 得出此次對比實驗結(jié)論:相比基于Lyapunov 函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)時延控制方法,本文設(shè)計的基于邊緣計算的網(wǎng)絡(luò)時延精準(zhǔn)控制方法,對于網(wǎng)絡(luò)分支信道時延的控制效果更優(yōu),可保證分支信道時延控制在最高單點延遲范圍內(nèi)。

表2 網(wǎng)絡(luò)時延精準(zhǔn)控制結(jié)果

3 結(jié)語

為了降低網(wǎng)絡(luò)時延,提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度,本文從網(wǎng)絡(luò)時延變化分析、基于邊緣計算的分支網(wǎng)絡(luò)傳輸補償、基于GPC 算法的遠距離多信道時延控制3 個方面,對網(wǎng)絡(luò)時延精準(zhǔn)控制方法展開了設(shè)計研究,并與基于Lyapunov 函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)時延控制方法進行實驗對比,得出實驗結(jié)論:本文設(shè)計的控制方法,對于網(wǎng)絡(luò)分支信道時延的控制效果更優(yōu),可保證分支信道時延控制在最高單點延遲范圍內(nèi)。 因此,可在后續(xù)的研究中,嘗試將本文方法投入市場使用,并結(jié)合市場的使用效果反饋,進一步完善與優(yōu)化控制方法。 綜上所述,通過對時延有效控制,可以提高前端網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)質(zhì)量,從而為終端需求群體提供更加優(yōu)質(zhì)與高效的通信服務(wù)。