一种智能物联网边缘网关服务器协作式任务卸载方法与流程

1.本发明研究智能物联网(intelligent internet of things,iiot)在边缘网关服务器协助下的任务卸载问题。物联网设备作为移动终端与承担卸载任务的边缘网关服务器构成端-边系统。物联网设备将部分运算量卸载到边缘网关服务器中，由边缘网关服务器对卸载运算量进行处理，再将结果反馈回来给物联网终端设备，这可以有效提高任务完成效率，提高物联网节点用户体验质量(quality of experience,qoe)。由于边缘网关服务器运算资源同样有限，为了提高整体性能，它们之间采用协作的方式进行二次卸载，在一定程度上均衡物联网终端设备卸载的运算量，以缓解任务运算量分布不均衡问题。


背景技术：

[0002]“万物互联”使事物变得简单便捷，随着物联网设备和基础设施的发展，物联网日益走进我们的生活。然而，真正的互联互通依赖于对采集到的大量数据的及时处理，这与物联网终端设备自身有限的运算能力形成一组矛盾。
[0003]
边缘网关服务器的出现为缓解这样的矛盾提供了可能。相比于云服务器，边缘网关服务器与物联网终端设备的近距离有效降低了数据传输时延，有利于提高物联网节点用户的用户体验质量。在不同的场景中，有很多不同的实体可以充当边缘网关服务器的功能，比如：在通信场景中的基站，在车联网场景中的路边侧单元等。
[0004]
尽管边缘网关服务器具有上述优点，但是单个边缘网关服务器的运算能力同样是有限的。而不同时刻边缘网关服务器接入的物联网节点用户数是不一样的，这意味着若当前时刻接入用户数过多，单个边缘网关服务器的运算资源不足于其所要承担的运算量，就会造成运算资源供不应求的问题。
[0005]
这时我们采用边缘网关服务器协作的方式来解决单个边缘网关服务器可能存在的运算资源不足的问题。然而，边缘网关服务器协作会增加能耗，因此在物联网节点用户做出具体的卸载决定时，需要考虑边缘网关服务器总体能耗的限制。虽然也有部分研究考虑到了边缘网关服务器协作的必要性，但是对于边缘网关服务器协作的关键配对问题却都没有给出好的解决方案。


技术实现要素：

[0006]
为了解决上述存在的问题，本发明的目的是提供一种智能物联网边缘网关服务器协作式任务卸载方法，本发明的模型是一个具有认知功能的两层智能物联网模型，包括边缘网关服务器和物联网终端设备。物联网终端设备将一部分运算量卸载到接入的边缘网关服务器中，如果当前运算量超过了该边缘网关服务器的运算负荷，则该边缘网关服务器可向周围有运算资源剩余的边缘网关服务器求助。
[0007]
首先，根据时延最小的原则，物联网节点用户做出卸载决定，得到每一个边缘网关服务器当前时刻下所需要承担的运算量。
[0008]
得到当前时刻运算量之后，将边缘网关服务器所需承担的运算量与自身的运算容
限进行对比以确定边缘网关服务器当前扮演的角色：若该边缘网关服务器运算资源资供不应求，即边缘网关服务器需要承担的卸载任务量多于其自身的运动能力，则该边缘网关服务器确定为需要周围边缘网关服务器帮助的热区边缘网关服务器；若边缘网关服务器运算资源供过于求，即边缘网关服务器需要承担的卸载任务量多于其自身的运动能力，则该边缘网关服务器为可以为热区边缘网关服务器提供帮助的非热区边缘网关服务器。
[0009]
基于边缘网关服务器确定的角色，需要得到边缘网关服务器协作过程中的互助策略，本发明中边缘网关服务器配对应该满足以下条件：
[0010]
第一：互助就近，热区边缘网关服务器只能由与其相邻的非热区边缘网关服务器提供帮助。
[0011]
第二：非热区边缘网关服务器提供的帮助量不能够超过自身的运算容限。
[0012]
为了提高边缘网关服务器协作效率，本方案以最小化全体边缘网关服务器能耗为目的，做出边缘网关服务器协作配对决定。在物联网终端设备任务卸载过程中边缘网关服务器能耗包括：
[0013]
运算能耗：e
comp
＝k(f
m
)2c
v
，其中k表示能耗系数，c
v
表示物联网终端设备任务运算量，f
m
表示边缘网关服务器运算速率。
[0014]
协作能耗：e
lch
＝λn
nh
，其中n
nh
表示边缘网关服务器协作时为热区边缘网关服务器提供帮助的边缘网关服务器数目。
[0015]
规划能耗：e
schl
＝ρn
h
，其中n
h
表示位于热点区域运算资源供给不足的边缘网关服务器。
[0016]
为了解决边缘网关服务器配对问题，本发明提出了一种基于非合作博弈的物联网终端设备任务卸载方法。热区边缘网关服务器是这场博弈的参与者，它们自私地独自做出配对决定，而不管这种决定是否会损害整体的利益。具体采用非合作博弈中的相关均衡做法完成边缘网关服务器有效配对，基于“后悔匹配”思想，边缘网关服务器做出配对决定，得到最优配对策略，旨在提高物联网终端设备用户体验质量的同时最大化边缘网关服务器能效
[0017]
首先将边缘网关服务器配对建立成以下非协作博弈论模型：
[0018][0019]
式中，是边缘网关服务器配对过程中的有限集合，表示边缘网关服务器配对的策略集合，k＝n
nh
，表示边缘网关服务器协作时为热区边缘网关服务器提供帮助的非热区边缘网关服务器数目；a
mk
＝1表示非热区边缘网关服务器k与热区边缘网关服务器m配对，否则表示不配对；是热区边缘网关服务器m的效用函数值集合，用来从非合作博弈的候选策略集中找到最优策略。
[0020]
最小化边缘网关服务器能耗是边缘网关服务器做出配对决定的一个主要依据，本发明将降低的能量消耗作为效用函数：
[0021]
u＝u-e
cpl
ꢀꢀꢀ
(2)
[0022]
e
cpl
＝e
comp
+e
lch
+e
schl
＝k(f
m
)2c
v
+λn
nh
+ρn
h
ꢀꢀꢀ
(3)
[0023]
式中，u表示效用函数值，u是保证u为正的常量，e
cpl
是边缘网关服务器总体能耗；e
comp
表示任务运算能耗，e
lch
表示边缘网关服务器之间帮助时的启动能耗，e
schl
表示当有多
个任务请求时，对任务执行时的规划能耗，k表示能耗系数，f
m
表示边缘网关服务器运算速率，c
v
表示物联网终端设备任务运算量，λ和ρ分别表示启动系数和规划系数，n
h
表示位于热区边缘网关服务器。
[0024]
最小化边缘网关服务器总体能耗做出边缘网关服务器配对策略，此外还需要满足以下约束条件:
[0025][0026][0027]
e
cpl
≤e
ꢀꢀꢀ
(6)
[0028]
式(4)-(6)中，n表示所有边缘网关服务器的总数，w
n
表示边缘网关服务器n承担的任务卸载量，g
n
表示边缘网关服务器n自身的运算量容限值，g
c
表示提供二次卸载帮助的非热区边缘网关服务器承担的来自热区边缘网关服务器的卸载量与自身原有运算量之和，n
nh
表示当前时刻非热区边缘网关服务器数量之和，c
n
表示边缘网关服务器n的运算容限值e
cpl
是边缘网关服务器总体能耗，e表示边缘网关服务器的能耗上限值；
[0029]
其中：式(4)表示所有边缘网关服务器承担的任务卸载量不应该超过自身运算量容限值；
[0030]
式(5)表示提供二次卸载帮助的非热区边缘网关服务器承担的来自热区边缘网关服务器的卸载量与自身原有运算量之和不应超过自身运算量容限；
[0031]
式(6)表示总体边缘网关服务器能耗不应超过其能耗上限值。
[0032]
在配对过程中，首先根据相关均衡是策略集合的可能性分布：
[0033][0034]
其中，表示在边缘网关服务器m不参与情况下的策略联合，表示包含有策略a
mi
的策略集。假定策略a
mi
在t-1时刻被应用，在t时刻趋于用a
mj
去替换它。根据“后悔匹配”的思想，如下表达效用函数差异值：
[0035][0036]
用来表示在t时刻采用策略a
mi
而未采用策略a
mj
的后悔程度：
[0037][0038]
根据表达式(1)，可以推导出下列策略a
mi
和用a
mj
被选中时的可能性分布：
[0039][0040][0041]
需要注意的是，本发明说明书中公式的序号与权利要求书中的公式序号并非一一对应，其采用的是独立序号，即权利要求书中的公式(1)并不等同于说明书中的公式(1),以此类推。
[0042]
需要注意的是，与其他现有研究不同，本发明提出的方案中，博弈参与者即热区边缘网关服务器的数目是变化的。这是因为，边缘网关服务器在不同时刻接入的物联网终端
设备数目是变化的。上一时刻需要承担较多运算量的热区边缘网关服务器在下一时刻可能成为助人的非热区边缘网关服务器。因此在本发明的方案中，策略集的规模和数目都是随时间变化而非固定的，且提出的智能物联网边缘网关服务器协作式任务卸载方法，其策略空间有限，所以本发明将应用数值迭代算法对此进行求解。
[0043]
综上所述，本发明提出的一种智能物联网边缘网关服务器协作式任务卸载方法，包括以下基本步骤：
[0044]
步骤1，获取物联网终端设备进行任务卸载的过程中，每个边缘网关服务器需要承担的卸载任务量；
[0045]
步骤2，将各边缘网关服务器需要承担的卸载任务量与其自身的运动能力进行对比，确定各边缘网关服务器在边缘网关服务器协作过程中所承担的角色：
[0046]
若边缘网关服务器需要承担的卸载任务量多于其自身的运动能力，则将该边缘网关服务器所承担的角色定义为热区边缘网关服务器；
[0047]
若边缘网关服务器需要承担的卸载任务量少于其自身的运动能力，则将该边缘网关服务器所承担的角色定义为非热区边缘网关服务器；
[0048]
步骤3，将热区边缘网关服务器与非热区边缘网关服务器一一配对，通过同一对中的非热区边缘网关服务器完成该对中热区边缘网关服务器的部分卸载任务量，其具体包括：
[0049]
步骤3.1，将边缘网关服务器配对建立成非协作博弈论模型；
[0050]
步骤3.2，遍历每一个热区边缘网关服务器，基于式(2)得到每一个热区边缘网关服务器的效用函数值集合：
[0051]
步骤3.3，基于式(9)每一个热区边缘网关服务器的效用函数值集合得到每一个热区边缘网关服务器从t-1时刻到t时刻将配对策略由策略a
mi
替换成策略a
mj
时的后悔程度值；
[0052]
步骤3.4，基于式(10)-式(11)得到每一个热区边缘网关服务器在t+1时刻采用每一种策略的概率分布；
[0053]
步骤3.5，基于每一个热区边缘网关服务器在t+1时刻采用每一种策略的概率分布更新非协作博弈论模型中边缘网关服务器配对的策略集合；
[0054]
步骤3.6，再次基于式(9)获取更新后非协作博弈论模型中边缘网关服务器配对的策略集合的后悔程度值，判断当前后悔程度值是否达到收敛值，若是则输出当前的配对策略，否则重复步骤3.2-步骤3.6。
[0055]
有益效果
[0056]
本发明提供的一种智能物联网边缘网关服务器协作式任务卸载方法，在物联网终端设备进行任务卸载至边缘网关服务器的过程中，在边缘网关服务器之间进行二次卸载，基于边缘网关服务器角色的划分，完成热区边缘网关服务器与非热区边缘网关服务器之间的匹配，在一定程度上均衡物联网终端设备卸载的运算量，以缓解任务运算量分布不均衡问题。
附图说明
[0057]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0058]
图1为本发明实施例中智能物联网边缘网关服务器协作式任务卸载方法的整体流程图；
[0059]
图2为本发明实施例中智能物联网边缘网关服务器协作式任务卸载方法的系统模型图；
[0060]
图3为本发明实施例中边缘网关服务器协作前后，相关热区边缘网关服务器所需承担运算量的变化示意图；
[0061]
图4为本发明实施例中智能物联网边缘网关服务器协作式任务卸载方法与rto方法在边缘网关服务器能耗方面的比较。
[0062]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0063]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0064]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0065]
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0066]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0067]
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0068]
如图1所示的为本实施例中智能物联网边缘网关服务器协作式任务卸载方法的整体流程图，其主要包括以下内容：
[0069]
步骤1，获取物联网终端设备进行任务卸载的过程中，每个边缘网关服务器需要承担的卸载任务量；
[0070]
步骤2，将各边缘网关服务器需要承担的卸载任务量与其自身的运动能力进行对比，确定各边缘网关服务器在边缘网关服务器协作过程中所承担的角色：
[0071]
若边缘网关服务器需要承担的卸载任务量多于其自身的运动能力，则将该边缘网关服务器所承担的角色定义为热区边缘网关服务器；
[0072]
若边缘网关服务器需要承担的卸载任务量少于其自身的运动能力，则将该边缘网关服务器所承担的角色定义为非热区边缘网关服务器；
[0073]
步骤3，将热区边缘网关服务器与非热区边缘网关服务器一一配对，通过同一对中的非热区边缘网关服务器完成该对中热区边缘网关服务器的部分卸载任务量，其具体包括：
[0074]
步骤3.1，将边缘网关服务器配对建立成非协作博弈论模型；
[0075]
步骤3.2，遍历每一个热区边缘网关服务器，基于式(2)得到每一个热区边缘网关服务器的效用函数值集合：
[0076]
步骤3.3，基于式(9)每一个热区边缘网关服务器的效用函数值集合得到每一个热区边缘网关服务器从t-1时刻到t时刻将配对策略由策略a
mi
替换成策略a
mj
时的后悔程度值；
[0077]
步骤3.4，基于式(10)-式(11)得到每一个热区边缘网关服务器在t+1时刻采用每一种策略的概率分布；
[0078]
步骤3.5，基于每一个热区边缘网关服务器在t+1时刻采用每一种策略的概率分布更新非协作博弈论模型中边缘网关服务器配对的策略集合；
[0079]
步骤3.6，再次基于式(9)获取更新后非协作博弈论模型中边缘网关服务器配对的策略集合的后悔程度值，判断当前后悔程度值是否达到收敛值，若是则输出当前的配对策略，否则重复步骤3.2-步骤3.6。
[0080]
如图2所示是具有认知功能的两层智能物联网模型，包括移动终端设备和边缘网关服务器。边缘网关服务器为其接入的物联网终端设备提供卸载服务。物联网终端设备根据时延最小的原则，将部分运算量卸载到边缘网关服务器。这里为了方便描述和简便表达，将物联网终端设备卸载的运算量，用运算量块表达。由于物联网终端设备分布差异，不同边缘网关服务器接入的物联网终端设备数目具有较大差异，这表现在不同边缘网关服务器所要承担的的运算量块不同。承担运算量大的，即热区边缘网关服务器，在图中用黑色色块标注，承担运算量小的，即非热区边缘网关服务器，在图中用网格表示。在边缘网关服务器协作时，图中由网格边缘网关服务器帮助黑色色块边缘网关服务器承担部分运算任务，以提高热区边缘网关服务器提高卸载服务的物联网终端设备用户体验质量。
[0081]
在本发明的的仿真场景中，假定边缘网关服务器分布在5*5的分布式网格中，物联网终端设备与边缘网关服务器的传输功率分别设置为10dbm和20dbm，物联网终端设备与边缘网关服务器的运算能力f
v
和f
m
分别设置为1ghz和10ghz。
[0082]
为评估本发明的性能，将本发明提出的方案与随机任务卸载方案(random task offloading，rto)进行对比。rto表示边缘网关服务器协作采用的是随机配对方式，热区边缘网关服务器随机选择其相邻区域内边缘网关服务器的帮助，而不管此时的选择是否是满足全体边缘网关服务器能耗最小要求的最佳选择，这是一种不考虑全局效益的做法。
[0083]
图3给出了边缘网关服务器协作前后相关热区边缘网关服务器所要承担运算量的变化情况。采用本发明所提出的方案做出边缘网关服务器配对的协作决定后，当前时刻下热区边缘网关服务器的运算量比协作前降低了很多。而对于物联网终端设备任务而言，热
区边缘网关服务器运算资源不足是制约其服务质量的主要因素。当前热度越高，边缘网关服务器覆盖范围下物联网终端设备数目越多，边缘网关服务器承担运算量越多，意味着其覆盖范围下的物联网终端设备的车载任务处理时延越长，qoe越低。所以，从热区边缘网关服务器承担运算量的情况，可以反映该方案是否确实具有有效性。需要说明：设置的边缘网关服务器的数目虽然是25个，但是在不同时刻下热区边缘网关服务器的数目是不同的，在做出边缘网关服务器配对策略时存在1帮多和多帮1的情况，受助的热区边缘网关服务器运算量由于得到帮助而减少，提供帮助的非热区边缘网关服务器承担运算量相应提高(仍不会达到热区边缘网关服务器运算量值)。存在一些边缘网关服务器在该协作过程中既不参与帮助又不寻求帮助，因此它们的运算量在这一次协作中不会发生变化。关注的焦点是热区边缘网关服务器运算量的缓解情况。
[0084]
图4表示采用不同方法在不同时刻，边缘网关服务器总体能耗情况。实验结果与不同时刻下热区边缘网关服务器和非热区边缘网关服务器的数目有关。因此将这三个时刻下的相关边缘网关服务器数目以表格的形式表示出来。
[0085]
表1
[0086][0087]
结合表1，可以看到热区边缘网关服务器的数目在8：00与12：00是相同的，而12：00非热区数目更多。对应地，在图3中所提方案在12：00的效用值更高，能耗越低。然而，非热区边缘网关服务器的数目8：00比20：00少，但是图3中在8：00所提方案的效用值反而更高，能耗更低。由此发现：热区边缘网关服务器数目对实验结果造成的影响比非热区边缘网关服务器数目要大。给出如下解释：首先，热区边缘网关服务器数目越多，表示采用的相关均衡做法具有更大的策略集；其次，非热区边缘网关服务器数目越多，意味着有更多边缘网关服务器配对的(单个)策略。于是热区边缘网关服务器可提供的搜索范围更大，更有利于找到最优的结果。根据图4同样可以看到，本发明所提出的做法比不考虑全局利益的rto效果更好，这也进一步证明了本发明所提出方案的正确性。
[0088]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明实施例进行了较为详细的说明，但是本发明实施例不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，本发明的范围由所附的权利要求范围决定，而非由实施例的具体描述所界定。