一种基于二进制卸载的边缘计算资源分配方法

1.本发明属于边缘计算技术领域，具体涉及一种基于二进制卸载的边缘计算资源分配方法。


背景技术：

2.随着物联网的快速发展，应用于物联网中的许多无线设备由于计算资源、工作功率及电池容量受限，无法很好地处理计算密集型和延迟敏感型计算任务。而移动边缘计算(mec)技术允许无线节点将计算负载卸载到边缘计算服务器上，从而大幅度地增强了无线节点的任务处理能力。
3.现有的许多边缘计算网络研究工作都采用了部分卸载模式，即认为无线设备的计算任务可任意划分，一部分任务卸载给边缘服务器计算，另一部分任务留在本地计算。然而在实际应用中，许多任务往往具有不可拆分性。因此，本技术考虑到任务的不可拆分性和更高的网络速率，提出了一种基于二进制卸载的边缘计算资源分配方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对上述问题，提出一种基于二进制卸载的边缘计算资源分配方法，可快速确定二进制卸载决策并同时求解卸载决策对应的资源分配结果，达到较高的网络总计算速率。
5.为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
6.本发明提出的一种基于二进制卸载的边缘计算资源分配方法，包括如下步骤：
7.s1、建立边缘计算网络，边缘计算网络包括边缘服务器和n个无线节点，每个无线节点在时隙t作出的决策mi∈{0,1}，i＝1,2,
…
,n，若mi＝1，表示第i个无线节点选择通过时分复用方式将计算任务完全卸载至边缘服务器，记为第一类无线节点，若mi＝0，表示第i个无线节点选择完全本地计算，记为第二类无线节点；
8.s2、初始化n个无线节点的卸载决策m0＝[m1,m2,
…
,mi,
…
,mn]，获取m0的资源分配结果及对应的网络总速率，资源分配结果包括第一类无线节点的卸载传输时长和卸载发射功耗、以及第二类无线节点的cpu计算频率；
[0009]
s3、根据第l次迭代的卸载决策m
l
产生n个候选卸载决策{m
l
(1),m
l
(2),
…
,m
l
(j),
…
,m
l
(n)}，其中，表示二进制求和，即变换第l次迭代过程中第j个无线节点的决策，l＝0,1,2,
…
；
[0010]
s4、获取当前迭代过程中n个候选卸载决策各自的资源分配结果及对应的网络总速率；
[0011]
s5、将当前迭代过程中网络总速率最大的候选卸载决策作为最佳候选卸载决策m
l
(j
*
)；
[0012]
s6、判断m
l
(j
*
)对应的网络总速率是否大于m
l
对应的网络总速率，若是，将m
l
(j
*
)作为下一次迭代的卸载决策m
l+1
，并将m
l
(j
*
)对应的网络总速率作为m
l+1
对应的网络总速率，返
回步骤s3执行下一次迭代，否则，将m
l
及对应的资源分配结果作为最终决策分配结果。
[0013]
优选地，资源分配结果及对应的网络总速率计算如下：
[0014]
1)第一类无线节点的卸载传输时长和卸载发射功耗，公式如下：
[0015][0016]
其中，为第o个无线节点的卸载发射功耗，为第o个无线节点卸载任务的最大发射功耗，为第o个无线节点的卸载传输时长，ho为第o个无线节点到边缘服务器的信道增益，为第i个无线节点卸载任务的最大发射功耗，hi为第i个无线节点到边缘服务器的信道增益，t为一个时隙的长度；
[0017]
2)第二类无线节点的cpu计算频率，公式如下：
[0018][0019]
其中，为第k个无线节点的cpu计算频率，为第k个无线节点本地计算的最大cpu频率，为第k个无线节点本地计算的最大功耗上限，κ为无线节点的计算能效系数；
[0020]
3)网络总速率公式如下：
[0021][0022]
其中，n0为噪声功率，φ为无线节点本地计算一比特任务所需的cpu周期数，为第i个无线节点的卸载传输时长，为第i个无线节点的卸载发射功耗。
[0023]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：该方法相比于现有的优化方法，通过在边缘计算网络中使用时分复用(tdma)通信方式和二进制卸载模式，将卸载决策与计算资源分配问题从一个连续问题转变为一个混合整数规划问题，且无需穷举所有的二进制卸载决策，避免维度爆炸、算法运行速度缓慢的问题，达到快速求解出二进制卸载决策及对应的资源分配结果(包括完全本地计算无线节点的cpu计算频率、完全任务卸载节点的卸载传输时长和卸载发射功耗分配)，并获得较高的网络总计算速率。
附图说明
[0024]
图1为本发明基于二进制卸载的边缘计算资源分配方法的流程图；
[0025]
图2为本发明的边缘计算网络结构示意图。
[0026]
附图标记说明：1、边缘服务器；2、基站。
具体实施方式
[0027]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0028]
需要说明的是，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本技术。
[0029]
如图1-2所示，一种基于二进制卸载的边缘计算资源分配方法，包括如下步骤：
[0030]
s1、建立边缘计算网络，边缘计算网络包括边缘服务器和n个无线节点，每个无线节点在时隙t作出的决策mi∈{0,1}，i＝1,2,
…
,n，若mi＝1，表示第i个无线节点选择通过时分复用方式将计算任务完全卸载至边缘服务器，记为第一类无线节点，若mi＝0，表示第i个无线节点选择完全本地计算，记为第二类无线节点；
[0031]
s2、初始化n个无线节点的卸载决策m0＝[m1,m2,
…
,mi,
…
,mn]，获取m0的资源分配结果及对应的网络总速率，资源分配结果包括第一类无线节点的卸载传输时长和卸载发射功耗、以及第二类无线节点的cpu计算频率；
[0032]
s3、根据第l次迭代的卸载决策m
l
产生n个候选卸载决策{m
l
(1),m
l
(2),
…
,m
l
(j),
…
,m
l
(n)}，其中，表示二进制求和，即变换第l次迭代过程中第j个无线节点的决策，l＝0,1,2,
…
；
[0033]
s4、获取当前迭代过程中n个候选卸载决策各自的资源分配结果及对应的网络总速率；
[0034]
s5、将当前迭代过程中网络总速率最大的候选卸载决策作为最佳候选卸载决策m
l
(j
*
)；
[0035]
s6、判断m
l
(j
*
)对应的网络总速率是否大于m
l
对应的网络总速率，若是，将m
l
(j
*
)作为下一次迭代的卸载决策m
l+1
，并将m
l
(j
*
)对应的网络总速率作为m
l+1
对应的网络总速率，返回步骤s3执行下一次迭代，否则，将m
l
及对应的资源分配结果作为最终决策分配结果。
[0036]
在一实施例中，资源分配结果及对应的网络总速率计算如下：
[0037]
1)第一类无线节点的卸载传输时长和卸载发射功耗，公式如下：
[0038][0039]
其中，为第o个无线节点的卸载发射功耗，为第o个无线节点卸载任务的最大发射功耗，为第o个无线节点的卸载传输时长，ho为第o个无线节点到边缘服务器的信道增益，为第i个无线节点卸载任务的最大发射功耗，hi为第i个无线节点到边缘服务器的信道增益，t为一个时隙的长度；
[0040]
2)第二类无线节点的cpu计算频率，公式如下：
[0041]
[0042]
其中，为第k个无线节点的cpu计算频率，为第k个无线节点本地计算的最大cpu频率，为第k个无线节点本地计算的最大功耗上限，κ为无线节点的计算能效系数；
[0043]
3)网络总速率公式如下：
[0044][0045]
其中，n0为噪声功率，φ为无线节点本地计算一比特任务所需的cpu周期数，为第i个无线节点的卸载传输时长，为第i个无线节点的卸载发射功耗。
[0046]
具体地，如图2所示，边缘服务器1可配备至基站2，本实施例中共有5个具有计算需求的无线节点，无线节点的任务计算是基于时间帧来工作的，每个无线节点在时隙t中需要做出决策，即选择完全卸载计算任务到边缘服务器或完全本地计算，其中选择完全卸载计算任务到边缘服务器的无线节点通过时分复用(tdma)的方式来进行任务卸载通讯。
[0047]
初始化5个无线节点的卸载决策m0＝[1,0,1,0,1]，代表该边缘计算网络中，第1、3、5号无线节点(即第一类无线节点)选择将计算任务全部卸载到边缘服务器，第2、4号无线节点(即第二类无线节点)选择完全本地计算。并获取m0的资源分配结果及对应的网络总速率，资源分配结果包括第一类无线节点的卸载传输时长和卸载发射功耗、以及第二类无线节点的cpu计算频率。
[0048]
根据初始化的卸载决策m0产生5个候选卸载决策{m0(1),m0(2),m0(3),m0(4),m0(5)}，其中，表示二进制求和(或)，即变换第0次迭代过程中第j个无线节点的决策，如m0(1)＝[0,0,1,0,1]。
[0049]
对5个候选卸载决策，分别计算出各自的资源分配结果及对应的网络总速率，即对于完全本地计算的无线节点，计算出cpu计算频率，对于完全任务卸载的无线节点，计算出卸载传输时长和卸载发射功耗，并根据给定的卸载决策中各无线节点的cpu计算频率、卸载传输时长和卸载发射功耗计算出对应的网络总速率。
[0050]
如以候选卸载决策m0(1)＝[0,0,1,0,1]为例，其他候选卸载决策m0(2)、m0(3)、m0(4)、m0(5)以及卸载决策m0同理，确定其资源分配结果及对应的网络总速率，具体如下：
[0051]
1)第3、5号无线节点(即第一类无线节点)的卸载传输时长和卸载发射功耗计算如下：
[0052][0053]
2)第1、2、4号无线节点(即第二类无线节点)的cpu计算频率计算如下：
[0054][0055]
3)在时隙t下，可实现的网络总速率计算如下：
[0056][0057]
其中，n0为噪声功率，φ为无线节点本地计算一比特任务所需的cpu周期数。同理，可获得卸载决策m0及其对应的其他4个候选卸载决策各自的网络总速率。
[0058]
比较所有候选卸载决策的资源分配结果对应的网络总速率，选取网络总速率最大的候选卸载决策作为最佳卸载决策m0(j
*
)，其中，若最佳卸载决策m0(j
*
)对应的网络总速率大于卸载决策m0，表示m0(j
*
)所对应的资源分配结果优于m0所对应的资源分配结果，那么将m0(j
*
)作为下一次迭代的卸载决策m1，将m0(j
*
)对应的网络总速率作为下一次迭代的卸载决策m1对应的网络总速率，并返回继续迭代更新，直到所有候选卸载决策对应的网络总速率都不大于对应迭代过程中的卸载决策，则以对应迭代过程中的卸载决策及其对应的资源分配结果作为输出，若最佳卸载决策m0(j
*
)对应的网络总速率小于或等于卸载决策m0，则直接输出卸载决策m0及其对应的资源分配结果作为最终的卸载任务分配方案。
[0059]
该方法相比于现有的优化方法，通过在边缘计算网络中使用时分复用(tdma)通信方式和二进制卸载模式，将卸载决策与计算资源分配问题从一个连续问题转变为一个混合整数规划问题，且无需穷举所有的二进制卸载决策，避免维度爆炸、算法运行速度缓慢的问题，达到快速求解出二进制卸载决策及对应的资源分配结果(包括完全本地计算无线节点的cpu计算频率、完全任务卸载节点的卸载传输时长和卸载发射功耗分配)，并获得较高的网络总计算速率。
[0060]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0061]
以上所述实施例仅表达了本技术描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。