移動(dòng)邊緣計(jì)算的計(jì)算卸載技術(shù)分析研究

萬(wàn)里勇 南昌工學(xué)院人工智能學(xué)院 南昌市 330108；江西師范大學(xué)軟件學(xué)院 南昌市 330046

0 引言

近年來(lái)，隨著移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展和智能終端設(shè)備的普及，各種圍繞移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用服務(wù)不斷出現(xiàn)，用戶對(duì)移動(dòng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量、請(qǐng)求時(shí)延和能耗需要也不斷提升。然而，由于智能移動(dòng)終端設(shè)備本身在計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和電池容量等方面受限因素，智能移動(dòng)終端設(shè)備自身在處理計(jì)算密集型和時(shí)間敏感型的任務(wù)時(shí)，可能面臨能力不足的局面[1]。為此，通過利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)分析和處理數(shù)據(jù)的移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing, MEC）模式應(yīng)運(yùn)而生。

移動(dòng)計(jì)算卸載技術(shù)作為移動(dòng)邊緣計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)之一，在降低時(shí)延、節(jié)省能耗和提高終端用戶體驗(yàn)質(zhì)量等方面，起著至關(guān)重要作用。利用計(jì)算卸載技術(shù)將計(jì)算任務(wù)卸載到近處的邊緣服務(wù)器上來(lái)進(jìn)行計(jì)算處理，可以解決移動(dòng)終端自身資源受限的問題[2]。計(jì)算卸載技術(shù)的研究，已成為邊緣計(jì)算問題的主要研究方向。

1 計(jì)算卸載概念和特征

1.1 計(jì)算卸載定義

計(jì)算卸載（一般也叫計(jì)算遷移）[3]是指將移動(dòng)終端的計(jì)算任務(wù)按照一定卸載策略合理分配到資源充足的遠(yuǎn)程設(shè)備處理的過程。

譬如，當(dāng)智能移動(dòng)終端設(shè)備對(duì)處理密集型的數(shù)據(jù)任務(wù)，如人臉識(shí)別、視頻優(yōu)化等需要進(jìn)行復(fù)雜性的計(jì)算時(shí)，設(shè)備本身由于資源有限無(wú)法處理，這個(gè)時(shí)候可以借助于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，將這部分任務(wù)下載到遠(yuǎn)程的服務(wù)器上，交由服務(wù)器來(lái)處理，待數(shù)據(jù)處理完后，又將計(jì)算結(jié)果回傳給智能終端設(shè)備。

1.2 計(jì)算卸載特征

計(jì)算卸載主要特征，表現(xiàn)為交互性和置換型。

（1）交互性。智能終端設(shè)備在處理計(jì)算卸載在過程，需要與邊緣計(jì)算服務(wù)器進(jìn)行相互交互，主要包括計(jì)算和存儲(chǔ)等。

（2）置換型。智能終端設(shè)備在計(jì)算卸載過程，需要消耗一部分通信資源，將計(jì)算任務(wù)借助于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭吘壏?wù)器上，借助于邊緣服務(wù)器的強(qiáng)大硬件資源，完成相關(guān)任務(wù)的計(jì)算工作。

2 計(jì)算卸載的步驟和分類

2.1 計(jì)算卸載的步驟

在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算卸載主要包括代理發(fā)現(xiàn)、任務(wù)分割、卸載決策、任務(wù)提交、任務(wù)執(zhí)行和結(jié)果反饋等[4]。

（1）代理發(fā)現(xiàn)。智能移動(dòng)終端要把計(jì)算任務(wù)卸載到云端服務(wù)器上，需要從設(shè)備所在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中找到可用的代理資源。

（2）任務(wù)分割。任務(wù)分割功能就是按照某種算法或策略，將需要卸載的任務(wù)進(jìn)行劃分。

（3）卸載決策。卸載決策是計(jì)算卸載核心環(huán)節(jié)。它主要解決兩個(gè)問題：計(jì)算任務(wù)是否要卸載和計(jì)算任務(wù)卸載何處等。

（4）任務(wù)提交。當(dāng)智能移動(dòng)終端設(shè)備完成卸載決策后，就需要把計(jì)算任務(wù)提交到相應(yīng)服務(wù)器。

（5）任務(wù)執(zhí)行。云端服務(wù)器在接收到計(jì)算任務(wù)后，就會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的虛擬機(jī)，來(lái)處理計(jì)算任務(wù)。

（6）結(jié)果反饋。云端服務(wù)器在完成數(shù)據(jù)計(jì)算處理后，需要將計(jì)算結(jié)果回傳給終端設(shè)備。

2.2 計(jì)算卸載系統(tǒng)分類

通常情況下，MEC卸載執(zhí)行方式，分為本地執(zhí)行計(jì)算、卸載到MEC服務(wù)器和卸載在云計(jì)算中心服務(wù)器。現(xiàn)有的計(jì)算卸載系統(tǒng)按照計(jì)算任務(wù)劃分粒度的不同，計(jì)算機(jī)卸載方式分為：粗粒度計(jì)算卸載（又稱完全卸載）和細(xì)粒度計(jì)算卸載（又稱部分卸載）。計(jì)算卸載方式，如圖1所示。

圖1 移動(dòng)邊緣計(jì)算的兩種卸載方式

3 計(jì)算卸載的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 計(jì)算卸載決策

3.1.1 卸載決策因素

在MCE計(jì)算卸載決策中，影響計(jì)算卸載的相關(guān)因素有很多。然而，在諸多影響因素中，最主要需要考慮的因素是時(shí)延（t）和功率（p）。

（1）時(shí)延（t）

終端設(shè)備本地執(zhí)行計(jì)算時(shí)延：

計(jì)算任務(wù)卸載到服務(wù)器執(zhí)行所需時(shí)間：

（2）能耗（t）

終端設(shè)備本地執(zhí)行計(jì)算能耗：

計(jì)算任務(wù)上傳能耗：

3.1.2 卸載策略類型

從當(dāng)前主要研究成果來(lái)看，卸載決策類型，主要包括：最小化執(zhí)行時(shí)延的卸載策略、最小化能量損耗的卸載策略和基于時(shí)延和能耗權(quán)衡的卸載策略[6]。

（1）最小化執(zhí)行時(shí)延的卸載策略。基于最小化執(zhí)行時(shí)延的卸載策略，如圖2所示。

圖2 基于最小化執(zhí)行時(shí)延的卸載策略

（2）最小化能量損耗的卸載策略。基于最小化能量損耗的卸載策略，如圖3所示。

圖3 基于最小化能量損耗的卸載策略

（3）基于時(shí)延和能耗權(quán)衡的卸載策略。由于在不同場(chǎng)景下，對(duì)于時(shí)延和能耗的要求不一樣，因此，在時(shí)延和能耗的選擇方面需要權(quán)衡考慮。比如對(duì)于處理實(shí)時(shí)在線游戲的應(yīng)用任務(wù)中，對(duì)于時(shí)延的要求則相對(duì)較高；而當(dāng)用戶終端的電量處于極低情況下，此時(shí)對(duì)于能耗的考慮方面，則要求相對(duì)較高。因此，基于時(shí)延和能耗權(quán)衡的卸載策略通常可以通過設(shè)置時(shí)延和能耗的權(quán)重系數(shù)來(lái)考慮。例如：傳輸代價(jià)（）。其中，和分別表示時(shí)延和能耗的權(quán)重系數(shù)。

3.2 計(jì)算資源分配

一旦計(jì)算卸載完成后，下一步就需要考慮對(duì)計(jì)算資源的分配的問題。目前，計(jì)算資源分配通常可分為單節(jié)點(diǎn)和多節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源分配。

3.2.1單節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源分配

單節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源分配通常有兩種方案，分別為基于云計(jì)算輔助的單節(jié)點(diǎn)計(jì)算資源分配方案和基于基站間遷移的單節(jié)點(diǎn)計(jì)算資源分配。

基于云計(jì)算輔助的單節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)資源分配方案，如圖4所示。

圖4 基于云計(jì)算輔助的單節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源分配

當(dāng)用戶將計(jì)算任務(wù)通過基站提交給M E C服務(wù)器后，MEC服務(wù)器的調(diào)度器會(huì)檢查MEC的計(jì)算資源是否充足，如果資源充足，則計(jì)算任務(wù)將提交給MEC服務(wù)器；否則，將卸載到MCC服務(wù)器上進(jìn)行處理。

基于基站間遷移的單節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)資源分配方案，如圖5所示。

圖5 基于基站間遷移的單節(jié)點(diǎn)計(jì)算資源分配

UE1將任務(wù)卸載到eNB1基站MEC服務(wù)器，而UE2將計(jì)算任務(wù)卸載eNB2基站或eNB3基站的MEC服務(wù)器，但由于UE2卸載到eNB3基站的MEC服務(wù)器的執(zhí)行時(shí)延小，所以優(yōu)先選擇卸載到eNB3基站的MEC服務(wù)器計(jì)算。

3.2.2 多節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源分配

在多節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源分配中，通常采用基于簇內(nèi)基站間遷移的計(jì)算分配方案，如圖6所示。

圖6 基于簇內(nèi)基站間遷移的多節(jié)點(diǎn)計(jì)算資源分配

UE1和UE2都將計(jì)算任務(wù)卸載到SCeNB1基站1的MEC服務(wù)器，這時(shí)導(dǎo)致SCeNB1基站1的MEC服務(wù)器計(jì)算資源占滿，附近的UE3將任務(wù)進(jìn)行分割成兩部分，一部分提交SCeNB2基站2的MEC服務(wù)器；另一部分提交SCeNB3基站3的M E C服務(wù)器；U E4和U E5都將任務(wù)卸載到SCeNB2基站2的MEC服務(wù)器，UE6將任務(wù)卸載到SCeNB3基站3的MEC服務(wù)器進(jìn)行任務(wù)處理。

3.3 移動(dòng)性管理

3.3.1 基于功率控制的移動(dòng)性管理

目前，針對(duì)計(jì)算卸載的移動(dòng)性管理問題，通常有基于功率控制的移動(dòng)管理和基于虛擬機(jī)遷移的移動(dòng)性管理等兩種方案。

基于功率控制的移動(dòng)性管理，如圖7所示。

圖7 基于功率控制的移動(dòng)管理

這種移動(dòng)性管理方案，主要通過調(diào)節(jié)基站功率來(lái)進(jìn)行移動(dòng)管理，從而有效保證服務(wù)連續(xù)性。

3.3.2 基于虛擬機(jī)遷移的移動(dòng)性管理

基于虛擬機(jī)遷移的移動(dòng)性管理方案，如圖8所示。在虛擬機(jī)遷移管理過程中，主要考慮兩個(gè)指標(biāo)：一是遷移開銷，另一個(gè)是遷移增益開銷。如果，，本次虛擬機(jī)遷移不執(zhí)行操作；反之，執(zhí)行本次虛擬機(jī)的遷移操作，并選擇相應(yīng)基站。如圖8中，如果基站1計(jì)算進(jìn)程需要進(jìn)行虛擬機(jī)遷移基站2或基站3時(shí)，首先考慮遷移開銷和遷移增益，但由于，故不選擇遷移；當(dāng)計(jì)算進(jìn)程搜索到基站n時(shí)，由于，所以選擇基站n進(jìn)行卸載。

圖8 虛擬遷移的判決方案

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)移動(dòng)邊緣計(jì)算的計(jì)算卸載技術(shù)進(jìn)行了分析和闡述。首先，從邊緣計(jì)算的概念、特征、卸載步驟和卸載系統(tǒng)分類進(jìn)行了詳細(xì)的介紹；然后，重點(diǎn)就當(dāng)前計(jì)算卸載中關(guān)鍵技術(shù)的3個(gè)研究問題進(jìn)行闡述和說明。目前，移動(dòng)邊緣計(jì)算還處在初級(jí)階段，在落地之前還存在很多需要解決的問題，計(jì)算卸載技術(shù)就是重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。