邊緣云增強光無線融合網(wǎng)絡能效研究

楊靜 吳曉當 張若英 王汝言

(1.重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065；2.重慶高校市級光通信與網(wǎng)絡重點實驗室，重慶 400065； 3.泛在感知與互聯(lián)重慶市重點實驗室，重慶 400065；4.信息通信研究院，北京 100083)

隨著第五代移動通信系統(tǒng)的出現(xiàn)和智能設備的快速發(fā)展，各種各樣的時延敏感型應用將進入我們的生活，給現(xiàn)有網(wǎng)絡設施帶來巨大挑戰(zhàn)[1- 2]。雖然移動邊緣計算(Mobile Edge Computing，MEC)能增強用戶的移動體驗，但構建支持MEC功能的網(wǎng)絡基礎設施是具有挑戰(zhàn)性的[3]。鑒于光無線融合(Integrated Fiber-Wireless Access Network，F(xiàn)iWi)網(wǎng)絡可以將光纖網(wǎng)絡的高容量、可靠性與無線網(wǎng)絡的靈活性、普遍性相結合，不僅為移動用戶提供寬帶服務，還為固定用戶提供寬帶服務的優(yōu)點[4]，將云服務器集成到FiWi網(wǎng)絡的邊緣，以此形成的邊緣云增強FiWi網(wǎng)絡可以實現(xiàn)更高質量、更便捷的通信服務[5]。邊緣云增強FiWi網(wǎng)絡的架構如圖1所示。光域由位于中心局端的光線路終端(Optical Line Terminal，OLT)和多個光網(wǎng)絡單元(Optical Network Unit，ONU)組成。ONU可向單個或多個固定有線用戶提供光纖接入服務，也可配備網(wǎng)狀門戶點(Mesh Portal Point，MPP)與無線前端處的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(Wireless Mesh Network，WMN)相連接，網(wǎng)狀點(Mesh Point，MP)充當MPP和網(wǎng)狀接入點(Mesh Access Point，MAP)之間的中繼節(jié)點，每個MAP為其覆蓋區(qū)域內的用戶提供接入服務[6]。此外，ONU還可連接到增強型節(jié)點eNB，向用戶提供蜂窩服務。MEC服務器通過專用的可靠光纖鏈路連接到ONU-MPP，以便為WMN提供邊緣云服務。

圖1 邊緣云增強FiWi網(wǎng)絡Fig.1 Cloudlet-enhanced FiWi network

統(tǒng)計結果表明，預計在2020年接入網(wǎng)能耗將占網(wǎng)絡總能耗的70%以上[7]。因此，設計有效的節(jié)能方案對FiWi網(wǎng)絡的發(fā)展至關重要[8]。顯然，當無線設備選擇將任務遷移到邊緣云服務器時，設備本身能耗可能會得到優(yōu)化，但網(wǎng)絡中由于同時存在傳統(tǒng)業(yè)務和卸載業(yè)務，會導致光網(wǎng)絡單元所申請的帶寬以及處于輕負載的無線節(jié)點數(shù)量增多，光網(wǎng)絡單元活躍時長和無線節(jié)點能耗隨之增加，進而使得整個網(wǎng)絡的能量效率降低。因此，研究如何在保證兩種業(yè)務共存的前提下有效減少邊緣云增強FiWi網(wǎng)絡節(jié)點的能耗變得非常必要。

FiWi網(wǎng)絡節(jié)點能耗優(yōu)化最普遍的方式是在空閑時關閉網(wǎng)絡組件，主要是針對ONU睡眠模式，同時使無線前端網(wǎng)絡組件始終處于活動狀態(tài)，以便將流量遷移到活動的ONU[9]。文獻[10]中提出了一種ONU負載轉移機制，目的在于將低負載ONU業(yè)務轉移至其他活躍ONU上，從而使低負載節(jié)點進入休眠狀態(tài),降低網(wǎng)絡能耗。文獻[11]中綜合考慮業(yè)務服務質量與節(jié)能，針對業(yè)務優(yōu)先級的高低選用不同的路由方案，確保了業(yè)務時延性能與節(jié)能效率。上述研究雖然很大程度減少了網(wǎng)絡能耗，但并未考慮如何減少無線節(jié)點能耗或終端能耗。文獻[12]中提出了針對FiWi業(yè)務與MEC業(yè)務共存情況的資源管理方案，該方案為無線終端制定活躍時隙，使其可以在活躍時隙之外切換至休眠狀態(tài)，以此減少能量消耗。文獻[13]中提出了一種最優(yōu)能源效率管理，制定最小化傳統(tǒng)路由器與綠色路由器的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，以優(yōu)化WMN中的功耗，但算法的復雜度較高。文獻[14]中提出了一種用于FiWi網(wǎng)絡的能量和延遲感知路由算法，在較小的延遲范圍內基于動態(tài)閾值切換無線節(jié)點功率。文獻[15]中提出了一種帶有虛擬網(wǎng)嵌入的節(jié)能機制，將低負載虛擬流量映射到具有剩余資源的物理鏈路中，實現(xiàn)多個業(yè)務的鏈路重用，減少活躍節(jié)點數(shù)量，但該方案未考慮到可變信道狀態(tài)可能會使重用鏈路發(fā)生過載。

在上述節(jié)能方案中，部分方案僅考慮了ONU[10- 11]或無線節(jié)點[13- 14]的負載轉移，并沒有分析業(yè)務轉移目標節(jié)點的擁塞問題。文獻[12]中的管理方案僅考慮了業(yè)務共存與終端能耗節(jié)約問題，未考慮光節(jié)點與無線節(jié)點由于傳輸兩種業(yè)務帶來的能耗負擔。文獻[15]同時優(yōu)化了光節(jié)點與無線節(jié)點的能量消耗，但采用虛擬網(wǎng)集中控制器來調度映射過程，導致調度時延在端到端時延中所占比例較大，總時延性能較差。針對上述問題，文中提出一種協(xié)作休眠與調度的資源管理方案,該方案通過基于負載感知的帶寬分配算法搭建而成。在光域，引入信令幀獲取邊緣云服務器下行緩沖區(qū)積壓，基于FiWi業(yè)務時隙、MEC業(yè)務請求與緩沖區(qū)積壓分析計算光節(jié)點的動態(tài)卸載時隙，確定光節(jié)點與無線終端休眠的時隙長度；在無線域，基于負載水平與剩余網(wǎng)絡狀態(tài)配置無線節(jié)點功率，通過最大匹配理論指定負載轉移的目標節(jié)點，利用業(yè)務請求幀與時隙分配幀實現(xiàn)管理平臺與無線節(jié)點的調度信息交互，從而提高網(wǎng)絡能量效率。

1 協(xié)作休眠與調度的資源管理方案的構建

1.1 資源管理方案概述

時分多址技術(Time Division Multiple Access，TDMA)不僅被廣泛運用于以太無源光網(wǎng)絡(Ethernet Passive Optical Network，EPON)和無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Networks，WLAN)中，也非常適合時延敏感的MEC應用[16]。因此，為減少網(wǎng)絡管理的復雜度，文中利用TDMA的方式建立統(tǒng)一的資源管理方案。在所設計的方案中，利用信令幀獲取時隙請求信息，基于時隙請求為網(wǎng)絡節(jié)點分配時隙，這樣節(jié)點僅需在分配的時隙內為用戶提供服務，在時隙外可保持休眠，以此實現(xiàn)能耗節(jié)約。

圖2示出了所提出的協(xié)作休眠與調度資源管理方案。圖中Ai、Bi表示終端設備STAi的上行FiWi業(yè)務子時隙、上行MEC卸載業(yè)務子時隙，DSFiWi和DSMEC分別為ONU-MPP下行FiWi數(shù)據(jù)傳輸時隙和下行MEC卸載數(shù)據(jù)傳輸時隙，而上行FiWi數(shù)據(jù)傳輸時隙和上行MEC卸載數(shù)據(jù)傳輸時隙分別由USFiWi和USMEC呈現(xiàn)。管理方案通過2個TDMA層進行設計，以統(tǒng)一的方式對整個網(wǎng)絡進行輪詢，OLT依次服務于范圍中的N個ONU-MPP，MEC服務器為ONU-MPP提供邊緣云服務。不同于只實現(xiàn)MEC業(yè)務與FiWi共存功能的資源管理方案，文中提出的協(xié)作休眠與調度資源管理方案中,ONU-MPP在輪詢周期內擁有休眠時隙，而且無線節(jié)點調度憑借時隙分配得以實現(xiàn)。如圖2所示，MEC業(yè)務時隙以TDMA方式與FiWi業(yè)務時隙共存，OLT通過多點控制協(xié)議REPORT幀與GATE幀為ONU-MPP分配FiWi時隙。ONU-MPP一方面提取VEC幀與GATE幀信息為自身制定考慮上下行MEC流量條件的卸載活躍時隙，并根據(jù)PS-POLL幀中所請求的帶寬為M臺STA分配子時隙，由Beacon攜帶子時隙信息進行廣播；另一方面，利用PS-POLL幀獲取無線節(jié)點負載信息，執(zhí)行聯(lián)合帶寬分配與功率調度，睡眠調度信息附加在Beacon幀上傳輸至無線節(jié)點，而WON幀被定義為用于開啟節(jié)點發(fā)送機的信令幀。如此，網(wǎng)絡中ONU-MPP與STA將在制定的活躍時隙外切換到休眠模式，而無線節(jié)點在ONU-MPP配置子時隙過程中實現(xiàn)功率調度，達到光域與無線域節(jié)能的目的。

圖2 協(xié)作休眠與調度的資源管理方案

1.2 基于負載感知的帶寬分配算法

為建立上述資源管理方案，文中提出一種基于負載感知的帶寬分配算法，其中OLT接受ONU-MPP的時隙信息，制定保證業(yè)務共存的周期開始時間。其次，ONU-MPP面向上下行MEC數(shù)據(jù)制定負載感知的活躍時隙，并執(zhí)行聯(lián)合帶寬分配與功率調度算法來控制無線節(jié)點的功率狀態(tài)，減少能量消耗。不同于現(xiàn)有帶寬分配算法，ONU-MPP不僅可以制定休眠時隙，使自身在傳輸完FiWi業(yè)務與MEC業(yè)務后切換到休眠狀態(tài)節(jié)約能耗，而且具備調度無線節(jié)點功率的功能。

1.2.1 OLT執(zhí)行階段

OLT接收到ONU-MPP發(fā)送的REPORT幀時開始執(zhí)行帶寬分配算法，制定ONU-MPP下周期FiWi業(yè)務的時隙持續(xù)時間Tsl與開始時間onu_start，具體流程如下。

步驟2 分析計算。OLT分析計算Tsl，該時隙包括發(fā)送上下行FiWi數(shù)據(jù)與信令幀所需時間，可由式(1)表示：

(1)

OLT分析計算onu_start時需保證本周期所有ONU-MPP的FiWi業(yè)務傳輸完成，以及FiWi業(yè)務與MEC業(yè)務不相重疊，可以表示為

(2)

式中，T_sched+Tg表示ONU-MPP已經將指針更新到下一周期[12]，T_sched為OLT輪詢完所有ONU-MPP的時隙長度，Tg為保護時隙長度。

步驟3 廣播信息。最后，OLT將onu_start與Tsl搭載到GATE幀上發(fā)送到ONU-MPP，并在下周期活躍時隙內中繼ONU-MPP的FiWi數(shù)據(jù)。

1.2.2 ONU-MPP執(zhí)行階段

(3)

onu_startc需保證傳輸完自身FiWi業(yè)務，可由式(4)表示：

onu_startc=onu_start+Tsl

(4)

在已知活躍時隙的前提下得出ONU-MPP在一個輪詢周期內的睡眠時間，可表示為

(5)

步驟3 調度無線節(jié)點功率。ONU-MPP根據(jù)無線節(jié)點負載信息ηp，執(zhí)行聯(lián)合帶寬分配與功率調度算法，判斷是否將其切換至休眠狀態(tài)，并通過Beacon幀發(fā)送休眠信息，通過WON幀喚醒節(jié)點。

2 聯(lián)合帶寬分配與功率調度算法

為了減少邊緣云增強FiWi網(wǎng)絡前端無線節(jié)點的能耗，本節(jié)提出一種聯(lián)合帶寬分配與功率調度算法——首先，ONU-MPP接受無線節(jié)點的負載信息，并綜合網(wǎng)絡平均負載與剩余網(wǎng)絡狀態(tài)決定無線節(jié)點功率，利用Beacon幀休眠無線節(jié)點，通過WON幀喚醒節(jié)點；其次，提出轉移目標節(jié)點選取措施來防止活躍節(jié)點擁塞；最后，為新到達業(yè)務配置路由路徑。不同于現(xiàn)有調度算法，文中提出的算法將無線節(jié)點的調度并入光節(jié)點休眠過程，而且為保證服務質量提出轉移目標節(jié)點的選擇策略。

(1)初始階段

(6)

(7)

每個節(jié)點可通過鏈路狀態(tài)通告來從其他節(jié)點的PS-POLL幀中獲知任務請求，在節(jié)點容量已知的前提下得出鏈路容量等信息。

(2)接受負載信息階段

(3)調度無線節(jié)點功率階段

(4)遷移目標節(jié)點選擇階段

(5)新請求到達階段

3 性能分析

將網(wǎng)絡能耗、能耗效率與端到端時延作為主要性能指標，對所提出的資源管理方案的性能進行分析。

3.1 網(wǎng)絡能耗

包含一個ONU-MPP及其范圍中所有無線節(jié)點與STA在一次輪詢周期內的網(wǎng)絡能耗如式(8)所示：

E=Eoun-mpp+Esta+Ew

(8)

(9)

(10)

(11)

將式(9)-(11)代入式(8)，可求得網(wǎng)絡能耗。

3.2 能耗效率

為分析節(jié)能機制的能耗效率，與只考慮FiWi業(yè)務和MEC業(yè)務共存的文獻[12]進行比較分析。相較于文獻[12]，文中算法面向ONU-MPP與無線節(jié)點提出相應的節(jié)能措施，能耗效率表示為

(12)

(13)

式中，Tc為輪詢周期，NW為無線節(jié)點數(shù)量總和,E1為應用文中節(jié)能機制后的ONU-MPP與無線節(jié)點的總能耗，可由式(14)表示：

E1=Eoun-mpp+Ew

(14)

3.3 端到端時延

定義由STA發(fā)送至MEC服務器的端到端業(yè)務時延如下：

TMEC=T1+T2

(15)

式中，T1為STA到MEC服務器傳輸延遲，如式(16)所示：

(16)

分組延遲(T2)定義為MEC數(shù)據(jù)在PS-POLL幀之后到達，則必須在下周期發(fā)送請求，并在下下周期傳輸數(shù)據(jù)，包含4個延遲部分：分組到達與下周期PS-POLL請求之間的時間間隔、PS-POLL請求和REPORT幀之間的時間間隔、接收到REPORT幀與下周期Beacon幀之間的間隔、接收到Beacon幀與數(shù)據(jù)傳輸之間的間隔。因此，T2可以表示為

(17)

(18)

將式(16)和(17)代入式(15)，可得MEC業(yè)務端到端時延如下：

(19)

4 數(shù)值分析

圖3描述了能耗效率隨MEC業(yè)務負載的變化。由圖可知，隨著MEC業(yè)務負載的增加，文中算法的能耗效率呈下降趨勢，其主要原因是：在MEC業(yè)務負載較低時，下周期開始時間只需要保證所有ONU-MPP傳輸完自身的FiWi數(shù)據(jù)，使得ONU-MPP的睡眠時間較長，能耗效率也較高；隨著MEC負載增大，更多的睡眠時間被用于傳輸MEC數(shù)據(jù)，ONU-MPP的活躍時間變長，能耗效率降低。另外，由于文中算法在光節(jié)點休眠過程中調度無線節(jié)點功率，使得在負載較高時依然存在較明顯的節(jié)能效率。從圖3還可看出，較高的FiWi業(yè)務負載可以提高能耗效率，其主要原因在于：ONU-MPP自身MEC時隙與休眠時隙的總時隙也是其余ONU-MPP的FiWi總時隙，F(xiàn)iWi業(yè)務負載增大時FiWi總時隙變長，在MEC負載不變的前提下，休眠時隙變長，能耗效率也隨之變高。

圖3 MEC業(yè)務負載對能耗效率的影響Fig.3 Effect of MEC data load on energy efficiency

不同REPORT信令幀持續(xù)時間的網(wǎng)絡能耗變化情況如圖4所示。從圖中可以看出，隨著REPORT信令幀持續(xù)時間的增加，文中算法與HART算法的網(wǎng)絡能耗均呈上升趨勢，且HART算法能耗較高，其主要原因在于：REPORT幀持續(xù)時間主要作用于FiWi時隙長度與周期長度，隨著REPORT信令幀持續(xù)時間的增加，ONU-MPP活躍時長增加，網(wǎng)絡能耗隨之變大。HART算法在實現(xiàn)不同流量共存的前提下為STA制定活躍子時隙，以此降低STA的能耗。而文中算法不僅為STA配置子時隙，還為ONU-MPP制定總活躍時隙，使其可以在活躍時隙之外關閉發(fā)送機與接收機來節(jié)約能耗；同時，文中算法通過ONU-MPP集中調度無線節(jié)點功率，以此減少整個網(wǎng)絡能耗。另外，VNE算法需要無線終端始終保持開啟狀態(tài)，以此與虛擬網(wǎng)絡控制器進行信令交互，所以能耗較高。由圖4還可觀察到，隨著REPORT信令幀持續(xù)時間的增加，VNE算法的能耗保持恒定狀態(tài)，這主要是因為VNE算法由虛擬網(wǎng)控制器來控制鏈路嵌入，不受物理層傳輸協(xié)議的影響。

圖4 不同REPORT信令幀持續(xù)時間下的網(wǎng)絡能耗

無線節(jié)點休眠比是反映節(jié)能效率的重要指標。圖5給出了無線節(jié)點休眠比隨MEC業(yè)務負載的變化。由圖可知，隨著業(yè)務負載的增大，3種休眠機制的休眠比均呈現(xiàn)下降趨勢，主要原因在于：當業(yè)務負載增高時，需要為新到達的業(yè)務啟用休眠狀態(tài)的節(jié)點，休眠比下降。從圖5還可看出，文中算法相比其他兩種算法具有較高的關閉率，其主要原因在于：HPC-DRX算法根據(jù)預定義的流量優(yōu)先級來決定光節(jié)點是否切換至休眠狀態(tài)，若對多數(shù)流量均定義高優(yōu)先級，則需要啟用更多光節(jié)點來保證服務質量，活躍節(jié)點數(shù)量增加，休眠比隨之降低；而文中算法根據(jù)網(wǎng)絡平均負載來切換無線節(jié)點功率，在MEC負載較高時依然可以實現(xiàn)較好的休眠比；另外，VNE算法中光節(jié)點與前向節(jié)點分別根據(jù)CPU資源與地理位置偏移選擇物理節(jié)點，并沒有考慮如何增加重用節(jié)點數(shù)，導致總休眠比較低。

圖5 MEC負載對無線節(jié)點休眠比的影響Fig.5 Influence of MEC load on wireless node sleep ratio

端到端時延是評估服務質量的重要因素。圖6描述了MEC業(yè)務端到端時延隨MEC業(yè)務負載的變化。由圖可知，HART算法的端到端時延高于其他兩種算法，其主要原因在于：當MEC負載增加時，不僅會影響傳輸時延，也會對HART算法和文中算法的分組延遲造成影響，HART算法中的MEC時隙用于傳輸業(yè)務與等待下行數(shù)據(jù)，負載越高MEC時隙增加速度越快，分組延遲越高；而文中算法利用統(tǒng)一ONU-MPP卸載時隙的方式來減少等待下行數(shù)據(jù)造成的延遲，分組延遲隨MEC負載增加緩慢，端到端延遲較低。另外，HPC-DRX算法中為傳輸高優(yōu)先級流量，光節(jié)點與無線終端始終保持活躍狀態(tài)，使得端到端延遲不再受分組延遲的影響，總時延較低。

圖6 MEC業(yè)務負載對MEC業(yè)務端到端時延的影響

5 結語

為減少邊緣云增強FiWi網(wǎng)絡中網(wǎng)絡節(jié)點傳輸MEC數(shù)據(jù)的能耗負擔，文中提出了一種協(xié)作休眠與調度的資源管理方案，該方案由具備無線節(jié)點調度功能的帶寬分配算法來建立。方案中根據(jù)云端緩沖與FiWi時隙長度分析計算考慮上下行流量條件的光節(jié)點統(tǒng)一卸載時隙與休眠時隙，并將無線節(jié)點的功率調度并入時隙請求與分配過程，以此達到光域與無線域的協(xié)同休眠。仿真結果表明：文中提出的節(jié)能方案不僅能實現(xiàn)MEC業(yè)務與FiWi業(yè)務共存，而且降低了網(wǎng)絡節(jié)點能耗開銷，相對傳統(tǒng)節(jié)能算法有良好的時延性能。未來節(jié)能工作可集中于如何減少MEC服務器的能耗，這是因為訪問邊緣云的設備數(shù)量增多，可能導致某些MEC服務器處于低負載狀態(tài)，進一步造成能量浪費。具體可結合二維裝箱理論對每個MEC服務器所能承載的業(yè)務數(shù)量進行優(yōu)化，提高服務器利用率，以此減少能耗。