網(wǎng)絡(luò)資源規(guī)劃配置優(yōu)化技術(shù)探究

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摘要：5G特色的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量有極高的要求，需要網(wǎng)絡(luò)提供確定性的服務(wù)，包括確定性低延遲、確定性網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)等。邊緣計(jì)算技術(shù)對(duì)于提供超低時(shí)延和抖動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)具有優(yōu)勢(shì)，但在確定性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)上還存在不足。針對(duì)以上問(wèn)題，本文擬以基于邊緣計(jì)算的確定性網(wǎng)絡(luò)為主要研究對(duì)象，結(jié)合新興應(yīng)用的確定性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求，運(yùn)用軟件定義和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)，研究計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源的聯(lián)合優(yōu)化機(jī)制，提供確定性的延遲、抖動(dòng)等網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，充分發(fā)揮邊緣計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，提供確定性的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：V2X；MEC；任務(wù)卸載；資源分配

1引言

5G網(wǎng)絡(luò)是指第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，他相對(duì)于4G網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳輸，有更加穩(wěn)定、高速和安全性能高的優(yōu)點(diǎn)，大大增強(qiáng)了這個(gè)系統(tǒng)容量和各種大規(guī)模設(shè)備間的連接效果，為各種用戶的智能化設(shè)備提供優(yōu)秀的信息服務(wù)，進(jìn)一步挖掘網(wǎng)絡(luò)的潛在應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)結(jié)合整個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)用戶服務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)本身的功能特點(diǎn)，使得數(shù)據(jù)資源使用更加高效和低能，在提高用戶服務(wù)滿意度的基礎(chǔ)上，減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的延遲。隨著5G技術(shù)的不斷成熟完善和運(yùn)營(yíng)推廣，5G創(chuàng)新應(yīng)用生態(tài)的發(fā)展已成為決定未來(lái)5G產(chǎn)業(yè)成功的關(guān)鍵因素。

2網(wǎng)絡(luò)資源聯(lián)合優(yōu)化的意義

國(guó)際電信聯(lián)盟ITU召開(kāi)的ITU-RWP5D第22次會(huì)議上確定了未來(lái)的5G創(chuàng)新應(yīng)用場(chǎng)景：3D超高清晰度視頻、云辦公和游戲、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、工業(yè)自動(dòng)化、移動(dòng)醫(yī)療、緊急任務(wù)應(yīng)用、自動(dòng)駕駛汽車(chē)等。這些應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量（QoS,QualityofService）提出了極高的要求，即確定性網(wǎng)絡(luò)（DeterministicNet⁃working）服務(wù)，包括確定性低延遲、確定性網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)等。而移動(dòng)蜂窩網(wǎng)數(shù)據(jù)回傳網(wǎng)絡(luò)（Backhaul）采用多重匯聚架構(gòu)，基站到核心網(wǎng)需要途徑多重匯聚轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)，距離往往相隔幾百公里，難以保障傳輸?shù)牡脱舆t。邊緣計(jì)算（MEC,Multi-accessEdgeComputing）作為一種基于云計(jì)算的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN,RadioAccessNetworks）架構(gòu)，被認(rèn)為是提升移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)整體性能的重要手段。MEC不僅可以通過(guò)在靠近接入網(wǎng)的邊緣處進(jìn)行流量卸載和計(jì)算卸載（Offloading），減少移動(dòng)蜂窩網(wǎng)匯聚路由（AR,Ag⁃gregationRouting）和核心網(wǎng)（EPC,EvolvedPacketCore）的流量，緩解移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算壓力，還可以通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)邊緣的應(yīng)用部署來(lái)降低應(yīng)用響應(yīng)延遲，可以有效彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)匯聚帶來(lái)的問(wèn)題。但是面向工業(yè)自動(dòng)化、移動(dòng)醫(yī)療、自動(dòng)駕駛等創(chuàng)新應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸確定性的嚴(yán)苛要求，邊緣計(jì)算依然存在一些亟待解決的問(wèn)題：（1）移動(dòng)用戶密度大、移動(dòng)性強(qiáng)，容易造成移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的不均衡、短時(shí)間內(nèi)負(fù)載的劇烈變化。MEC要求在網(wǎng)絡(luò)邊緣配置網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)資源，而移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)的資源容量較小，部署分散，這給資源的優(yōu)化配置和管理帶來(lái)了極大的困難。（2）邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的計(jì)算、存儲(chǔ)、傳輸能力有限，不同應(yīng)用的需求也存在差異，如計(jì)算密集型、存儲(chǔ)密集型、網(wǎng)絡(luò)密集型任務(wù)等。如何在滿足應(yīng)用差異化的網(wǎng)絡(luò)需求的同時(shí)，優(yōu)化邊緣的計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源，這是一個(gè)NP難題。（3）確定性的網(wǎng)絡(luò)傳輸需求要求網(wǎng)絡(luò)提供細(xì)粒度的QoS保障能力，采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN,SoftwareDefinedNetwork）技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)（NFV,NetworkFunctionsVirtualiza⁃tion）[6]實(shí)現(xiàn)確定性的網(wǎng)絡(luò)路由轉(zhuǎn)發(fā)，以及細(xì)粒度的流量管控能力。同時(shí)避免細(xì)粒度的流量控制帶來(lái)的OpenFlow流表規(guī)模的激增的問(wèn)題。本文圍繞“服務(wù)配置、服務(wù)調(diào)度、服務(wù)質(zhì)量”三個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容展開(kāi)，研究確定性網(wǎng)絡(luò)資源聯(lián)合優(yōu)化策略等關(guān)鍵技術(shù)，為確定性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的邊緣計(jì)算性能優(yōu)化提供重要的依據(jù)和技術(shù)儲(chǔ)備，對(duì)新興應(yīng)用的發(fā)展具有積極推動(dòng)作用。

3基于Markov決策過(guò)程的資源聯(lián)合優(yōu)化

網(wǎng)絡(luò)資源聯(lián)合優(yōu)化需要綜合新興應(yīng)用的需求和網(wǎng)絡(luò)資源均衡的目標(biāo)?？梢约僭O(shè)應(yīng)用的資源請(qǐng)求服從泊松過(guò)程，服務(wù)執(zhí)行時(shí)間服從指數(shù)分布，將資源分成固定大小的分塊（block）,則資源的使用過(guò)程可以用Markov狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程來(lái)描述，其中資源使用的狀態(tài)向量包含各類(lèi)資源的使用狀態(tài)，可以得到Markov狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程的平衡方程，利用平衡方程的求解可以得到多維資源使用和服務(wù)性能指標(biāo)之間的關(guān)系，再根據(jù)用戶的應(yīng)用需求映射的服務(wù)性能指標(biāo)，選擇相應(yīng)的資源以滿足應(yīng)用的需求。結(jié)合資源效用最大化的目標(biāo)，本項(xiàng)目擬采用合作博弈策略來(lái)實(shí)現(xiàn)資源的效用整體最優(yōu)和公平性?；诤献鞑┺恼?，對(duì)各類(lèi)資源之間的互相合作決策行為進(jìn)行建模，使資源以相互競(jìng)爭(zhēng)且相互妥協(xié)的方式達(dá)成一致，實(shí)現(xiàn)效用最大化。依據(jù)合作博弈理論的原理，給定資源效用函數(shù)，以資源效用最大化為目標(biāo)，設(shè)定合作資源提供者的收益函數(shù)，建立多維資源協(xié)作聯(lián)盟。利用Shapley準(zhǔn)則對(duì)協(xié)作聯(lián)盟進(jìn)行公平資源分配，資源提供者從聯(lián)盟中獲取收益最大化的同時(shí)，也達(dá)到了整體資源效用的最大化。要實(shí)現(xiàn)資源聯(lián)合優(yōu)化，基本條件是具備對(duì)各類(lèi)資源的管控能力，通過(guò)OpenFlow協(xié)議的擴(kuò)展，來(lái)實(shí)現(xiàn)各類(lèi)資源的統(tǒng)一調(diào)度和監(jiān)控，SDN控制器可以根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)和用戶資源請(qǐng)求分布，進(jìn)行全局的資源優(yōu)化配置。

（1）網(wǎng)絡(luò)模型

首先給定最大計(jì)算資源得到完成任務(wù)所需的最低信噪比；然后，利用凸優(yōu)化理論進(jìn)行最佳功率分配，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的吞吐量增益，比較增益得到卸載決策；最后，利用二分圖最大匹配算法解決信道分配問(wèn)題，并計(jì)算最終的計(jì)算資源分配。假設(shè)場(chǎng)景中一個(gè)RSU覆蓋范圍內(nèi)有T個(gè)目標(biāo)數(shù)據(jù)，用集合表示為T(mén)={TUEt|t=1,2,…,T}，移動(dòng)用戶TUEt有K個(gè)協(xié)助移動(dòng)用戶提供輔助數(shù)據(jù)運(yùn)輸相關(guān)數(shù)據(jù)，用集合表示為K={AUEk|k=1,2,…,K}?？紤]上行鏈路是OFDMA的，其可用頻帶B被平分為L(zhǎng)個(gè)子帶，則每個(gè)子信道帶寬大小為W=B/L。假設(shè)做出卸載決策后，所有協(xié)助移動(dòng)用戶中分別有M個(gè)CUE和N個(gè)DUE，分別用集合表示為ℳ={CUEm|m=1,2,…,M}和N={DUEn|n=1,2,…N}。令ℎm,B表示為CUEm與RSU之間的信道功率增益，ℎn為DUEn復(fù)用CUEm信道時(shí)DUEn的信道功率增益。ℎn,B為DUEn發(fā)射端與CUEm上行鏈路中為接收端的RSU之間的干擾信道功率增益。ℎm,n為CUEm與DUEn接收端之間的干擾信道功率增益。CUEm的信噪比（SINR）可表示為：γcm=Pcmℎm,Bσ2+∑n∈Nρm,nPdnℎn,B(1)類(lèi)似可得DUEn的SINR為：γdn=Pdnℎnσ2+∑m∈ℳρm,nPcmℎm,n(2)其中Pcm和Pdn分別表示CUEm和DUEn的發(fā)射功率。σ2為系統(tǒng)噪聲功率。ρm,n表示CUEm和DUEn之間的頻譜分配指標(biāo)，當(dāng)CUEm和DUEn復(fù)用CUEm的信道時(shí)，ρm,n=1，反之為0。

（2）計(jì)算模型

定義協(xié)助移動(dòng)用戶AUEk的計(jì)算任務(wù)為Rk={D}k,Ck,Tk，其中Dk表示協(xié)助移動(dòng)用戶AUEk從本地設(shè)備上傳任務(wù)時(shí)的輸入數(shù)據(jù)量，單位為bit。Ck表示完成任務(wù)所需的計(jì)算量，單位為cysles，Tk表示任務(wù)可容忍的最大完成時(shí)延，單位為s。假設(shè)移動(dòng)用戶本身具有一定的計(jì)算能力，AUEk可選擇將任務(wù)Rk卸載到鄰近移動(dòng)用戶或MEC服務(wù)器，也可以由移動(dòng)用戶本身的處理單元進(jìn)行計(jì)算，定義所有集合K內(nèi)的移動(dòng)用戶任務(wù)卸載決策為A={a1,a2,…,aK}，并且有ak={alk,avk,aok}，其中k∈K，參數(shù)alk,avk,aok∈{}0,1，alk+avk+aok=1。①本地執(zhí)行：移動(dòng)用戶本身的計(jì)算能力為flk，單位為cy⁃cles/s，定義Tlk為本地執(zhí)行總延遲，根據(jù)文獻(xiàn)[9]，下載速率通常遠(yuǎn)高于上傳速率，并且輸出數(shù)據(jù)量大小一般遠(yuǎn)小于輸入數(shù)據(jù)量，則Tlk為：Tlk=Ckflk(3)②V2V卸載：與本地相比，新增了將輸入數(shù)據(jù)Dk上傳到鄰近移動(dòng)用戶的時(shí)間，任務(wù)卸載到鄰近移動(dòng)用戶的總延遲Tvk為：Tvk=Dkrk+Ckfvk(4)其中為rk移動(dòng)用戶的傳輸速率，fvk為移動(dòng)用戶分配給任務(wù)Rk的計(jì)算資源。③V2I卸載：令fok為MEC服務(wù)器分配給任務(wù)Rk的計(jì)算資源任務(wù)卸載到MEC服務(wù)器的總延遲Ton為：Tok=Dkrk+Ckfok(5)綜上，任務(wù)Rk執(zhí)行完成的總時(shí)延可表示為：Ttotalk=alkTlk+avkTvk+aokTok(6)其中k∈K，參數(shù)alk,avk,aok∈{}0,1，alk+avk+aok=1。

（3）算法

CUE和DUE的數(shù)量變化取決于協(xié)助移動(dòng)用戶的卸載決策，而求解最大化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)吞吐量的前提是需要知道CUE與DUE的用戶集合，因此卸載決策直接影響了系統(tǒng)吞吐量的大小。需要綜合考慮卸載決策、計(jì)算資源分配、功率分配以及網(wǎng)絡(luò)信道分配等因素，分別求解功率分配與任務(wù)卸載決策問(wèn)題和信道匹配與計(jì)算資源分配問(wèn)題。

（4）仿真

本文仿真主要在NS3平臺(tái)上完成，主要分析了任務(wù)數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)速度對(duì)系統(tǒng)吞吐量的影響，并評(píng)估了本文所提算法與其它算法的計(jì)算資源使用情況，以驗(yàn)證所提算法的有效性。此外，本文選擇V2Vfirst和V2Ifirst兩種方案作為對(duì)照組，并進(jìn)行了仿真比較。

4結(jié)束語(yǔ)

本文研究了互聯(lián)網(wǎng)局部融合邊緣計(jì)算技術(shù)在移動(dòng)用戶通過(guò)場(chǎng)景中的任務(wù)卸載與資源分配問(wèn)題，并提出了一種吞吐量最大化的任務(wù)卸載與資源分配算法，將優(yōu)化問(wèn)題分成兩步進(jìn)行處理，首先根據(jù)凸優(yōu)化理論求解最優(yōu)功率分配，并計(jì)算最優(yōu)功率值下的吞吐量增益，比較兩種卸載方式下吞吐量增益的大小作出卸載決策。然后利用KM算法解決信道劃分問(wèn)題，根據(jù)最終的信道匹配可以得出在任務(wù)可容忍時(shí)延下對(duì)應(yīng)的計(jì)算資源分配。

作者:李春艷 單位:湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心