基于D2D通信技術(shù)的邊緣計算框架研究

呂立新

(安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院 信息與人工智能學院，安徽 蕪湖 241000)

物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展促進了智慧城市、智能家居和車聯(lián)網(wǎng)等不同領(lǐng)域的發(fā)展[1-2]。大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和用戶所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)流量為移動網(wǎng)絡(luò)帶來巨大的壓力，邊緣計算技術(shù)能將數(shù)據(jù)從傳感設(shè)備卸載到網(wǎng)絡(luò)邊緣，有助于減少網(wǎng)絡(luò)流量和響應(yīng)時間，提高用戶的QoE[3]。網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點負責執(zhí)行計算任務(wù)，無需將任務(wù)調(diào)度至遠程的云計算中心，從而有效緩解核心網(wǎng)絡(luò)的擁塞，降低端到端延遲?，F(xiàn)有的研究分別從提高能效[4-6]、降低端到端時延[7-8]以及實現(xiàn)能效-時延均衡[9]的角度研究邊緣計算任務(wù)卸載問題。盡管上述的研究驗證了邊緣計算卸載在提高無線網(wǎng)絡(luò)計算性能方面的有效性，但有限的基站計算資源并不足以支持其覆蓋范圍內(nèi)的所有移動設(shè)備。而且，如果邊緣計算仍然使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)進行通信，那么稀缺的頻譜資源無法保證通信所需的帶寬，從而影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能。對此，結(jié)合設(shè)備到設(shè)備(Device-to-Device，D2D)通信技術(shù)，將部分計算任務(wù)卸載到相鄰的移動設(shè)備，能有效提高移動計算系統(tǒng)的能效和延遲性能。D2D通信技術(shù)允許設(shè)備之間可以通過復用資源直接通信，從而避免了由于頻譜資源稀缺帶來的網(wǎng)絡(luò)性能下降問題[10]。有研究者通過D2D鏈接將任務(wù)卸載到附近的移動設(shè)備，有效地提高了移動計算系統(tǒng)的能效和時延性能[11-12]。還有研究開發(fā)了名為D2D霧化的移動任務(wù)卸載框架，其中移動設(shè)備可以共享通信和計算資源以提高能源效率[13]。但是，目前的研究并沒有考慮如何聯(lián)合D2D卸載和邊緣卸載來最大化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的計算能力。對此，本文提出了融合蜂窩通信和D2D通信技術(shù)的邊緣計算框架(D2D based Edge Computing Framework，D2DEC)，以提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的計算能力。D2DEC采用部分卸載模型，任務(wù)可以分為三個部分：一個用于本地計算，其余部分分別用于邊緣卸載和D2D卸載。通過利用邊緣計算和D2D通信的優(yōu)勢，充分利用邊緣節(jié)點和D2D設(shè)備的計算資源，有效提升系統(tǒng)計算能力。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，包括兩層：用戶層和邊緣層。用戶層包含各種終端設(shè)備，用戶層設(shè)備之間使用D2D技術(shù)進行連接和通信。邊緣層包含基站和無線接入點等實體，主要提供計算、網(wǎng)絡(luò)接入和資源管理功能。用戶層和邊緣層之間可以采用D2D通信進行交互，也可以采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)進行通信。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

用戶層用于設(shè)備之間的通信和計算卸載，包含具有內(nèi)置Wi-Fi功能的各種移動終端設(shè)備。終端設(shè)備需要開啟Wi-Fi功能，并且在彼此的通信范圍內(nèi)才可以進行通信。在基于Wi-Fi的D2D通信架構(gòu)中，設(shè)備之間通過綁定器相互連接，綁定器構(gòu)建一個組以創(chuàng)建連接，而連接方式可以是一對一或一對多。當距離超過閾值時，D2DEC結(jié)合蜂窩通信方法，以提高系統(tǒng)的魯棒性。如果Wi-Fi信號穩(wěn)定，系統(tǒng)將首先使用Wi-Fi進行網(wǎng)絡(luò)傳輸；否則將自動切換到使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信。邊緣層是提供邊緣計算資源的計算平臺，邊緣層的服務(wù)器主要對邊緣設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)訪問和資源管理，同時也部署不同的應(yīng)用。邊緣服務(wù)器中部署了計算模塊、顯示模塊和數(shù)據(jù)庫模塊。計算模塊用于處理計算相關(guān)的任務(wù)，圖形模塊用于顯示結(jié)果，數(shù)據(jù)庫用于存儲各種數(shù)據(jù)。

為了易于闡述，假設(shè)該系統(tǒng)中有N個終端設(shè)備。用(Vn，Cn)表示終端設(shè)備n的任務(wù)，其中Vn是計算任務(wù)的數(shù)據(jù)大小，Cn是計算任務(wù)所需的單位處理器(CPU)周期。令T表示所有任務(wù)的最大延遲容限。令fn表示終端設(shè)備n的計算資源，F(xiàn)e表示邊緣節(jié)點的計算資源，該資源可以被分配給終端設(shè)備以進行并行邊緣計算。任務(wù)的計算過程分為本地計算、D2D卸載和邊緣卸載三種。本框架使用如圖2所示的卸載模型，每個設(shè)備將其任務(wù)分成三部分，其中一部分用于本地計算，而另外兩部分分別卸載到邊緣節(jié)點和鄰居的設(shè)備。

圖2 卸載模型

2 計算卸載優(yōu)化模型

根據(jù)設(shè)備的工作量和計算資源，將所有終端設(shè)備分為兩組：κ={1，2，…，K}是指由無法通過本地計算完成計算任務(wù)的節(jié)點組成的集合；L={K+1，…，N}指由能夠通過本地計算按時完成任務(wù)的節(jié)點組成的集合。

(1)

(2)

(3)

(4)

設(shè)備k的D2D卸載的總延遲可以表示為：

(5)

為了最大化D2DEC系統(tǒng)的計算能力，提出了如下所示的優(yōu)化模型：

(6)

其中，第一個約束條件確保了邊緣卸載和D2D卸載的時間限制，第二個約束條件限制了每個設(shè)備的最大發(fā)射功率，第三個約束條件保證了卸載到邊緣節(jié)點的任務(wù)大小不小于零，第四個約束條件是邊緣節(jié)點的總計算資源限制。該優(yōu)化問題是一個混合整數(shù)非線性問題，難以求解。

3 模型求解

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4 實驗評估

實驗部分采用仿真實驗驗證所提出的D2DEC系統(tǒng)的性能。仿真實驗使用Matlab實現(xiàn)，實驗環(huán)境為工作站，其配置為：英特爾i7-12700K 3.6 GHz處理器，32 GB內(nèi)存，1 T容量的固態(tài)硬盤?；镜陌霃綖?00米，覆蓋范圍內(nèi)隨機分布有80個終端設(shè)備，每個設(shè)備可以與BS建立一個蜂窩鏈接，并與位于通信范圍內(nèi)的設(shè)備建立一個D2D鏈路。每個設(shè)備的通信范圍為50米。所有鏈路的信道增益是根據(jù)獨立同分布的瑞利隨機變量生成，所有設(shè)備的最大發(fā)射功率設(shè)置為24 dBm。所有任務(wù)的延遲容忍為1秒。每個設(shè)備的計算資源服從[0.5×109，2×109]的均勻分布。對于計算任務(wù)，數(shù)據(jù)大小和CPU計算周期數(shù)分別服從[0.1，4]和[500，1500]的均勻分布。所有隨機變量對于不同的設(shè)備都是獨立的。邊緣節(jié)點的總計算資源設(shè)置為每秒40×109個CPU周期。

實驗將所提出的D2DEC系統(tǒng)的性能與以下兩個基準系統(tǒng)進行比較：MEC系統(tǒng),每個任務(wù)可以通過本地計算和邊緣計算協(xié)同處理；D2D系統(tǒng),每個任務(wù)可以通過本地計算和D2D卸載進行協(xié)作處理[14]。

圖3描繪了三個不同系統(tǒng)中支持的設(shè)備數(shù)量與邊緣節(jié)點計算資源的關(guān)系。如圖3所示，D2DEC系統(tǒng)取得最佳性能。MEC系統(tǒng)和D2DEC系統(tǒng)中支持的設(shè)備數(shù)量隨著邊緣計算資源的增加而增加，而由于D2D系統(tǒng)并不利用邊緣計算資源，因此D2D系統(tǒng)所支持的設(shè)備數(shù)量不變。當邊緣計算資源不足時，D2DEC系統(tǒng)明顯優(yōu)于MEC系統(tǒng)，D2DEC系統(tǒng)可以充分利用終端設(shè)備和邊緣節(jié)點的計算資源，能提供遠大于MEC系統(tǒng)的計算能力。此外，由結(jié)果可知，在支持相同數(shù)量設(shè)備的情況下，D2DEC系統(tǒng)所需的計算資源要小于MEC系統(tǒng)，這表明借助D2D通信可以節(jié)省系統(tǒng)的邊緣計算資源。

圖3 支持的設(shè)備數(shù)量與邊緣計算資源的關(guān)系

圖4 接入比例與設(shè)備總數(shù)的關(guān)系

圖4展示了接入比例與設(shè)備總數(shù)的關(guān)系，其中接入比例是指可以支持的設(shè)備與設(shè)備總數(shù)的比例。由于邊緣計算資源有限，MEC系統(tǒng)和D2DEC系統(tǒng)的訪問率都隨著設(shè)備數(shù)量的增加而降低，而D2D系統(tǒng)的接入比例會相應(yīng)提高。這是因為在MEC系統(tǒng)和D2DEC系統(tǒng)中，為每個設(shè)備分配的邊緣計算資源會隨著設(shè)備總數(shù)的增加而減少，導致可以支持的接入比例更小。隨著D2D系統(tǒng)中設(shè)備總數(shù)的增加，D2D系統(tǒng)可以充分利用設(shè)備的計算資源，提高接入比例。由于D2DEC系統(tǒng)可以利用設(shè)備計算資源來增強計算容量，因此其接入比例比MEC系統(tǒng)下降得慢。

圖5展示了所需的平均邊緣計算資源與設(shè)備總數(shù)的關(guān)系。D2DEC系統(tǒng)平均所需的邊緣計算資源隨著設(shè)備總數(shù)的增加而減少，原因是隨著設(shè)備的增多，每個設(shè)備有更多機會將計算任務(wù)卸載到附近的設(shè)備，從而減少邊緣節(jié)點計算資源的使用。由于沒有利用D2D卸載，MEC系統(tǒng)的平均所需邊緣計算資源幾乎保持不變。

圖5 平均邊緣計算資源與設(shè)備總數(shù)的關(guān)系

圖6展示了平均邊緣計算資源與最大D2D通信范圍的關(guān)系。當鏈路的最大范圍變大時， 每個設(shè)備都有更多的鄰居設(shè)備來卸載數(shù)據(jù)，因此D2DEC系統(tǒng)所需的計算資源比MEC系統(tǒng)要小。

圖6 平均邊緣計算資源與最大通信范圍的關(guān)系

5 結(jié)論

本研究利用D2D通信技術(shù)對邊緣計算框架進行優(yōu)化，提出了面向多用戶的D2DEC系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過本地計算、D2D卸載和邊緣計算的協(xié)作，提高了整個系統(tǒng)的計算能力。D2DEC建立了計算能力最大化的數(shù)學模型，利用KKT條件推導出最優(yōu)發(fā)射功率分配和卸載策略。實驗結(jié)果表明，與基準系統(tǒng)相比，D2DEC能夠有效提高系統(tǒng)的計算能力。未來的工作將考慮子信道復用，聯(lián)合計算卸載、資源分配和干擾管理，以進一步提高系統(tǒng)性能。