面向移動(dòng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算卸載策略分析

摘要：隨著移動(dòng)設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)的普及，近年來(lái)人們對(duì)計(jì)算能力和網(wǎng)絡(luò)資源的需求顯著增加。為了降低網(wǎng)絡(luò)延遲、提高用戶體驗(yàn)，移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）應(yīng)運(yùn)而生，將云計(jì)算與邊緣計(jì)算相結(jié)合成為解決方案。MEC通過(guò)將計(jì)算資源移動(dòng)到靠近終端用戶的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。然而，隨著移動(dòng)設(shè)備數(shù)量和生成數(shù)據(jù)量的增加，對(duì)MEC網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算資源分配進(jìn)行優(yōu)化。其中計(jì)算卸載是一種實(shí)現(xiàn)方式，它將資源密集型任務(wù)從移動(dòng)設(shè)備轉(zhuǎn)移到MEC服務(wù)器，以便更高效地處理。故此，本文主要分析了適用于MEC網(wǎng)絡(luò)的不同計(jì)算卸載策略，以期為后續(xù)的相關(guān)研究和工作開(kāi)展提供幫助。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)邊緣；計(jì)算網(wǎng)絡(luò)；計(jì)算卸載；具體策略

MEC是一種分布式計(jì)算架構(gòu)，旨在將云計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)帶到接近終端用戶的位置。在MEC中，計(jì)算資源被部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣，以提供低延遲和高帶寬的服務(wù)。MEC服務(wù)器可以以多種形式進(jìn)行部署，例如基站、接入點(diǎn)和小型數(shù)據(jù)中心。計(jì)算卸載則是MEC中采用的一種技術(shù)，通過(guò)將資源密集型任務(wù)遷移到MEC服務(wù)器上，以減輕移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算負(fù)擔(dān)。通過(guò)分析針對(duì)移動(dòng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算卸載策略，可以更好地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的應(yīng)用，并提升互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展水平。這些卸載策略可以根據(jù)任務(wù)的特性和網(wǎng)絡(luò)狀況來(lái)選擇，從而實(shí)現(xiàn)更高效的計(jì)算資源分配。通過(guò)將任務(wù)部分或完全卸載到MEC服務(wù)器上進(jìn)行處理，可以降低移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算負(fù)載，提高任務(wù)的執(zhí)行效率和用戶體驗(yàn)。

一、移動(dòng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的定義及優(yōu)勢(shì)

（一）定義

移動(dòng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)（Mobile Edge Computing，MEC）是一種分布式計(jì)算架構(gòu)，旨在將云計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)帶到接近終端用戶的附近。在MEC網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算資源被部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣，以提供需要低延遲和高帶寬的服務(wù)。MEC服務(wù)器可以采用多種形式進(jìn)行部署，如基站、接入點(diǎn)和小型數(shù)據(jù)中心。這種部署方式可以實(shí)現(xiàn)將計(jì)算資源盡可能地靠近終端用戶，從而可以更快速地響應(yīng)用戶的請(qǐng)求，并提供近乎實(shí)時(shí)的服務(wù)。

（二）應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.降低網(wǎng)絡(luò)延遲

使用MEC可以將計(jì)算資源部署在靠近終端用戶的網(wǎng)絡(luò)邊緣位置，從而縮短數(shù)據(jù)傳輸距離和減少延遲，進(jìn)而提升應(yīng)用程序的響應(yīng)速度和用戶體驗(yàn)[1]。對(duì)于需要低延遲和高帶寬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的應(yīng)用程序，如視頻流媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)等，MEC可以提供所需的服務(wù)。通過(guò)在MEC網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行計(jì)算，可以減少移動(dòng)設(shè)備和云端之間的通信量，從而有效降低網(wǎng)絡(luò)延遲。

2.提高應(yīng)用程序的執(zhí)行效率

MEC可以提供高性能的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，從而提高應(yīng)用程序的執(zhí)行效率和響應(yīng)速度。對(duì)于需要大量計(jì)算和存儲(chǔ)資源的應(yīng)用程序，如機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等，可以將它們部署在MEC服務(wù)器上，從而減輕移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算負(fù)擔(dān)。通過(guò)將復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)卸載到MEC服務(wù)器上進(jìn)行處理，可以提高應(yīng)用程序的性能和效率。

3.支持邊緣分析和邊緣安全

MEC可以提供邊緣分析和邊緣安全等服務(wù)，以支持應(yīng)用程序的快速部署和響應(yīng)。通過(guò)將數(shù)據(jù)分析和處理推送到網(wǎng)絡(luò)邊緣，MEC可以減少數(shù)據(jù)傳輸和處理時(shí)間，從而提高應(yīng)用程序的效率和響應(yīng)速度。

4.提高網(wǎng)絡(luò)安全性

MEC可以在網(wǎng)絡(luò)邊緣提供網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)保護(hù)等服務(wù)，以保障用戶數(shù)據(jù)的安全和隱私。通過(guò)在MEC節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行安全檢查和防御，可以減少網(wǎng)絡(luò)攻擊和數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。MEC可以監(jiān)測(cè)和識(shí)別潛在的網(wǎng)絡(luò)威脅，并采取相應(yīng)的安全措施，如防火墻、入侵檢測(cè)系統(tǒng)等，來(lái)阻止惡意攻擊和未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。此外，MEC還可以使用隔離和虛擬化等技術(shù)來(lái)保護(hù)用戶數(shù)據(jù)的隱私和安全。

5.提高網(wǎng)絡(luò)可靠性

MEC可以在網(wǎng)絡(luò)邊緣提供冗余計(jì)算和存儲(chǔ)資源，以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和韌性，同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)故障對(duì)用戶的影響。通過(guò)在MEC節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行數(shù)據(jù)備份和復(fù)制，可以防止數(shù)據(jù)丟失和系統(tǒng)崩潰。同時(shí)，MEC還可以利用負(fù)載均衡和故障轉(zhuǎn)移等技術(shù)，保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。

二、計(jì)算卸載類型

（一）部分卸載

部分卸載是一種有效的計(jì)算卸載策略，它將任務(wù)的一部分卸載到MEC服務(wù)器，而將其余部分保留在移動(dòng)設(shè)備上本地執(zhí)行[2]。這種策略可以減輕移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算負(fù)擔(dān)，并提高應(yīng)用程序的執(zhí)行效率。部分卸載的主要優(yōu)點(diǎn)是可以減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，并保持較低的延遲，因?yàn)橹挥幸徊糠秩蝿?wù)需要在MEC服務(wù)器上執(zhí)行。舉個(gè)例子，對(duì)于圖像處理任務(wù)，可以將圖像上傳到MEC服務(wù)器，在服務(wù)器上進(jìn)行一些計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果返回到移動(dòng)設(shè)備。這種方式在需要移動(dòng)設(shè)備和MEC服務(wù)器之間進(jìn)行交互的任務(wù)中非常有效。然而，部分卸載也存在一些缺點(diǎn)。首先，任務(wù)拆分需要合理劃分，并處理好本地執(zhí)行和MEC服務(wù)器執(zhí)行之間的協(xié)調(diào)，這可能會(huì)增加系統(tǒng)的開(kāi)銷和復(fù)雜性。其次，部分卸載涉及網(wǎng)絡(luò)通信，可能會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)延遲和可靠性的影響。

（二）完全卸載

完全卸載是一種將整個(gè)任務(wù)都卸載到MEC服務(wù)器上執(zhí)行的計(jì)算卸載策略。它具有很多優(yōu)點(diǎn)，如釋放移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算資源、提高應(yīng)用程序的執(zhí)行效率等。完全卸載適用于需要大量計(jì)算資源的任務(wù)，如機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等。這些任務(wù)通常需要大量的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，而移動(dòng)設(shè)備的資源是有限的。通過(guò)將任務(wù)傳輸?shù)組EC服務(wù)器上進(jìn)行執(zhí)行，可以充分利用服務(wù)器的高性能計(jì)算資源，同時(shí)減輕移動(dòng)設(shè)備的負(fù)擔(dān)。但是，完全卸載也有缺點(diǎn)需要考慮。首先，它要求較高的網(wǎng)絡(luò)帶寬和較低的延遲，以便及時(shí)傳輸任務(wù)和返回結(jié)果，否則會(huì)影響應(yīng)用程序的執(zhí)行效率。其次，完全卸載也需要考慮數(shù)據(jù)安全性和隱私保護(hù)等問(wèn)題，因?yàn)閿?shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。

因此，在選擇卸載策略時(shí)，需要考慮應(yīng)用程序的需求和網(wǎng)絡(luò)條件。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)任務(wù)的特點(diǎn)和性能需求，靈活地選擇部分卸載或完全卸載，甚至結(jié)合兩種策略，以達(dá)到更好的性能和效率。

三、面向移動(dòng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算卸載策略

（一）靜態(tài)卸載方法

1.基于負(fù)載均衡的靜態(tài)卸載方法

基于負(fù)載均衡的靜態(tài)卸載方法是一種通過(guò)合理分配任務(wù)到移動(dòng)設(shè)備和MEC服務(wù)器上來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的卸載策略[3]。在這種方法中，任務(wù)的分配需要考慮到設(shè)備的計(jì)算能力、內(nèi)存大小、網(wǎng)絡(luò)帶寬和負(fù)載情況等因素。常用的負(fù)載均衡算法有輪詢算法、加權(quán)輪詢算法、最小連接數(shù)算法和最小負(fù)載算法等。

2.基于閾值的靜態(tài)卸載方法

基于閾值的靜態(tài)卸載方法是一種根據(jù)移動(dòng)設(shè)備的CPU利用率來(lái)決定任務(wù)是在設(shè)備上本地執(zhí)行還是卸載到MEC服務(wù)器上執(zhí)行的卸載策略。這種方法相對(duì)簡(jiǎn)單直觀，不需要考慮網(wǎng)絡(luò)資源和設(shè)備的負(fù)載情況，適用于計(jì)算需求相對(duì)穩(wěn)定的應(yīng)用程序。閾值的選擇需要綜合考慮任務(wù)的計(jì)算復(fù)雜度和設(shè)備的計(jì)算能力，以確保在合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行卸載，充分利用MEC服務(wù)器的計(jì)算資源，同時(shí)避免不必要的卸載開(kāi)銷。

3.基于任務(wù)特征的靜態(tài)卸載方法

基于任務(wù)特征的靜態(tài)卸載方法是一種根據(jù)任務(wù)的特征將其劃分為本地執(zhí)行和卸載執(zhí)行兩個(gè)部分的卸載策略[4]。這種方法通過(guò)對(duì)任務(wù)特征的分析和研究，確定任務(wù)的優(yōu)化分配，從而提高任務(wù)執(zhí)行的效率。例如，對(duì)于圖像處理任務(wù)，可以將任務(wù)分為預(yù)處理和后處理兩個(gè)部分。預(yù)處理部分可能涉及圖像上傳、特征提取等計(jì)算密集型操作，可以卸載到MEC服務(wù)器上執(zhí)行；而后處理部分可能包括結(jié)果合成、圖像渲染等相對(duì)簡(jiǎn)單的操作，可以在移動(dòng)設(shè)備上本地執(zhí)行。這樣可以利用MEC服務(wù)器的高性能計(jì)算資源，同時(shí)減輕移動(dòng)設(shè)備的負(fù)擔(dān)，提高任務(wù)執(zhí)行效率。

除了基于任務(wù)特征的靜態(tài)卸載方法，還存在其他一些靜態(tài)卸載方法，如基于能耗的靜態(tài)卸載方法、基于QoS的靜態(tài)卸載方法、基于數(shù)據(jù)冗余的靜態(tài)卸載方法等。這些方法都針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，具有各自的優(yōu)點(diǎn)和限制。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體需求綜合考慮多種靜態(tài)卸載方法，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行選擇和實(shí)現(xiàn)，以提高計(jì)算卸載的效率和質(zhì)量。

（二）動(dòng)態(tài)卸載方法

1.基于QoS的動(dòng)態(tài)卸載方法

基于QoS的動(dòng)態(tài)卸載方法是一種根據(jù)應(yīng)用程序的質(zhì)量要求來(lái)決定任務(wù)是否卸載到MEC服務(wù)器上執(zhí)行的卸載策略[5]。這種方法在保證應(yīng)用程序的QoS的前提下，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)的優(yōu)化分配。通過(guò)對(duì)應(yīng)用程序的QoS需求進(jìn)行分析和研究，可以確定哪些任務(wù)部分需要卸載執(zhí)行，而哪些任務(wù)部分可以在移動(dòng)設(shè)備上本地執(zhí)行。在卸載到MEC服務(wù)器上執(zhí)行的任務(wù)部分，可以利用服務(wù)器的高性能計(jì)算資源，從而保證應(yīng)用程序的執(zhí)行質(zhì)量和響應(yīng)時(shí)間。例如，對(duì)于實(shí)時(shí)語(yǔ)音通話應(yīng)用程序，語(yǔ)音編碼和解碼是計(jì)算密集且對(duì)通話質(zhì)量要求較高的任務(wù)。因此，可以將這部分任務(wù)卸載到MEC服務(wù)器上執(zhí)行，以保證語(yǔ)音通話的質(zhì)量和流暢性。而其他任務(wù)部分，如用戶界面的渲染等，可以在移動(dòng)設(shè)備上本地執(zhí)行。

2.基于能耗的動(dòng)態(tài)卸載方法

基于能耗的動(dòng)態(tài)卸載方法是一種根據(jù)移動(dòng)設(shè)備的電量來(lái)決定任務(wù)是否卸載到MEC服務(wù)器上執(zhí)行的卸載策略。在該方法中，需要對(duì)移動(dòng)設(shè)備的電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，以確定需要卸載執(zhí)行的任務(wù)部分和本地執(zhí)行的任務(wù)部分。例如，在移動(dòng)設(shè)備的電量較低時(shí)，可以將計(jì)算密集型任務(wù)卸載到MEC服務(wù)器上執(zhí)行，以延長(zhǎng)電池壽命。

3.基于資源預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)卸載方法

基于資源預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)卸載方法是一種根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源和計(jì)算資源的預(yù)測(cè)來(lái)決定任務(wù)是否卸載到MEC服務(wù)器上執(zhí)行的卸載策略。通過(guò)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)資源和計(jì)算資源的情況，可以確定需要卸載執(zhí)行的任務(wù)部分和本地執(zhí)行的任務(wù)部分，從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)的優(yōu)化分配。例如，在網(wǎng)絡(luò)擁塞或計(jì)算資源不足時(shí)，可以將任務(wù)卸載到MEC服務(wù)器上執(zhí)行，以保證應(yīng)用程序的執(zhí)行效率[6]。

除了基于資源預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)卸載方法，還存在其他的動(dòng)態(tài)卸載方法，如基于時(shí)延的動(dòng)態(tài)卸載方法、基于容錯(cuò)性的動(dòng)態(tài)卸載方法、基于隱私保護(hù)的動(dòng)態(tài)卸載方法等。每種方法都有其適用的場(chǎng)景和特點(diǎn)，可以根據(jù)實(shí)際需求選擇和實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以綜合考慮多種動(dòng)態(tài)卸載方法，根據(jù)具體需求來(lái)提高計(jì)算卸載的效率和質(zhì)量。

四、應(yīng)用案例

基于移動(dòng)邊緣計(jì)算的智能家居應(yīng)用程序需要實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制，例如溫度、濕度、燈光等。為了達(dá)到這些功能，數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸將消耗大量的計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)資源。在這個(gè)應(yīng)用程序中，使用計(jì)算卸載技術(shù)可以將部分計(jì)算任務(wù)卸載到MEC服務(wù)器上執(zhí)行，以減輕移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算負(fù)擔(dān)，并提高應(yīng)用程序的執(zhí)行效率。具體的卸載策略可以根據(jù)應(yīng)用程序的需求和網(wǎng)絡(luò)資源狀況來(lái)進(jìn)行選擇和優(yōu)化。在實(shí)驗(yàn)中，采用基于閾值的動(dòng)態(tài)卸載方法進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化，具體如表1所示：

在該實(shí)驗(yàn)中，將任務(wù)的卸載閾值設(shè)置為50%。當(dāng)移動(dòng)設(shè)備的CPU利用率超過(guò)50%時(shí)，將部分任務(wù)卸載到MEC服務(wù)器上執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)該動(dòng)態(tài)卸載方法，可以將移動(dòng)設(shè)備的CPU利用率降低到40%，計(jì)算延遲降低到80ms，能耗降低到40J，并且能夠保證應(yīng)用程序的質(zhì)量和實(shí)時(shí)性。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在智能家居應(yīng)用程序中，計(jì)算卸載技術(shù)可以有效地提高應(yīng)用程序的執(zhí)行效率和質(zhì)量。通過(guò)合理選擇卸載策略，可以使應(yīng)用程序更加智能化、高效化和可靠化。將部分任務(wù)卸載到MEC服務(wù)器上執(zhí)行可以降低移動(dòng)設(shè)備的負(fù)載，減少計(jì)算延遲，并且降低能耗，提供更好的用戶體驗(yàn)和節(jié)能效果。

五、面向移動(dòng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算卸載發(fā)展趨勢(shì)

（一）智能化

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能化已經(jīng)成為計(jì)算卸載發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)[7]。通過(guò)應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源和設(shè)備負(fù)載情況的智能分析和預(yù)測(cè)，從而更加智能地進(jìn)行任務(wù)的卸載和分配。

（二）優(yōu)化算法

在計(jì)算卸載中，優(yōu)化算法起著至關(guān)重要的作用。目前已經(jīng)有許多優(yōu)化算法應(yīng)用于計(jì)算卸載，如遺傳算法、模擬退火算法、粒子群算法等。未來(lái)，優(yōu)化算法將繼續(xù)發(fā)展和完善，以實(shí)現(xiàn)更高效和精確的任務(wù)卸載。

（三）邊緣云協(xié)同

邊緣計(jì)算和云計(jì)算之間的協(xié)同是計(jì)算卸載發(fā)展的另一個(gè)重要趨勢(shì)。邊緣計(jì)算和云計(jì)算可以相互協(xié)作，以實(shí)現(xiàn)更好的任務(wù)卸載效果。例如，通過(guò)邊緣計(jì)算進(jìn)行任務(wù)的初步處理，再將結(jié)果傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行進(jìn)一步處理，以實(shí)現(xiàn)任務(wù)的高效處理。

（四）安全性

隨著移動(dòng)邊緣計(jì)算的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，安全性也成為一個(gè)重要的問(wèn)題。在計(jì)算卸載中，需要確保數(shù)據(jù)的安全性和隱私性，預(yù)防數(shù)據(jù)泄露和攻擊。因此，未來(lái)的計(jì)算卸載發(fā)展將注重安全性成為一個(gè)重要的方向[8]。

（五）多樣化的卸載策略

在計(jì)算卸載中，需要根據(jù)應(yīng)用程序的需求和網(wǎng)絡(luò)資源狀況選擇適合的卸載策略。未來(lái)，隨著應(yīng)用程序的多樣化和網(wǎng)絡(luò)資源的不斷變化，多樣化的卸載策略將成為一種趨勢(shì)。同時(shí)，卸載策略的選擇也需要更加智能化和靈活化。

六、結(jié)束語(yǔ)

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力不斷提高，移動(dòng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。未來(lái)，隨著移動(dòng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，計(jì)算卸載技術(shù)也將不斷創(chuàng)新和完善。為了推動(dòng)移動(dòng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，需要結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈等技術(shù)手段，深入挖掘卸載策略的潛力和優(yōu)化空間，為移動(dòng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供更加強(qiáng)大的支撐和保障。

作者單位：陳彬 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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