5G移動(dòng)邊緣計(jì)算環(huán)境下的任務(wù)卸載方法研究

邱丹青，許宇輝

（廣東曼拓信息科技有限公司，廣東廣州 510635）

0 引言

當(dāng)今，移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展和邊緣計(jì)算的興起使得5G 移動(dòng)邊緣計(jì)算中任務(wù)卸載方法備受關(guān)注，任務(wù)卸載能夠有效優(yōu)化移動(dòng)設(shè)備的能耗，延長(zhǎng)電池壽命，并提高計(jì)算任務(wù)的響應(yīng)速度和性能。通過將部分或全部計(jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)移到邊緣服務(wù)器上進(jìn)行處理，可以減輕移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算負(fù)擔(dān)，降低能源消耗，并實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)時(shí)間，該研究能夠?yàn)橛脩籼峁└悄堋⒏咝Ш捅憷囊苿?dòng)體驗(yàn)，對(duì)于推動(dòng)移動(dòng)邊緣計(jì)算的應(yīng)用和發(fā)展具有重要意義。

劉可欣等［1］提出了基于移動(dòng)邊緣計(jì)算的車聯(lián)網(wǎng)任務(wù)卸載方法，建立了以關(guān)鍵值為基礎(chǔ)的工件調(diào)度策略。在時(shí)分多址系統(tǒng)中，每一個(gè)時(shí)隙的使用者都會(huì)把一部分的資料傳送給MEC伺服器，使其能夠根據(jù)使用者對(duì)信道的品質(zhì)、本地功耗以及使用者間的公平程度決定其工作內(nèi)容，結(jié)合調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)任務(wù)卸載。張海波等［2］提出了一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)邊緣計(jì)算的任務(wù)卸載方法，通過引入軟件定義車載網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了資源控制管理、設(shè)備信息采集以及任務(wù)信息分析。然后通過任務(wù)卸載優(yōu)先級(jí)機(jī)制算法，實(shí)現(xiàn)任務(wù)優(yōu)先級(jí)劃分，根據(jù)任務(wù)劃分結(jié)果采用乘子法進(jìn)行模型求，得到任務(wù)卸載結(jié)果。上述方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)卸載，但是在卸載效率方面仍然存在不足。因此，本文選擇5G移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)進(jìn)行任務(wù)卸載研究。

1 5G移動(dòng)邊緣計(jì)算環(huán)境下的任務(wù)卸載方法

1.1 計(jì)算任務(wù)建模

在5G 移動(dòng)邊緣計(jì)算環(huán)境下，以降低能耗和滿足移動(dòng)計(jì)算所需的執(zhí)行時(shí)限為目的，展開任務(wù)卸載方法研究。

為了保證任務(wù)計(jì)算效率，在一個(gè)時(shí)隙中，一個(gè)信道與運(yùn)算資源最多只能被一個(gè)終端占用。此外，由于計(jì)算任務(wù)是不可分的，因此在一個(gè)時(shí)隙中，每個(gè)終端最多只能選擇一個(gè)通道或一個(gè)資源模塊。本文選用一個(gè)經(jīng)典計(jì)算任務(wù)模型描述5G 移動(dòng)邊緣計(jì)算任務(wù)，其表達(dá)式如下：

其中：t表示時(shí)隙；o表示終端；p表示信道；xo,k表示信道選擇約束；xo,p表示計(jì)算資源選擇約束。

為了降低任務(wù)卸載時(shí)延，需要考慮不同終端所承載業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)，使整體卸載時(shí)延最小化，其表達(dá)公式如下：

其中：w表示網(wǎng)絡(luò)延遲；D表示移動(dòng)設(shè)備與邊緣服務(wù)器之間的距離；n表示移動(dòng)設(shè)備數(shù)量；εo表示邊緣服務(wù)器負(fù)載［3］。

5G 移動(dòng)邊緣計(jì)算中，數(shù)據(jù)收集終端所攜帶的電量通常都是有限的，為了避免頻繁更換電池，需要在任務(wù)遷移的過程中加入長(zhǎng)時(shí)間的能量約束，從而解決因頻繁更換電池而引起的服務(wù)中斷問題，則任務(wù)卸載能耗約束的表達(dá)公式如下：

其中：qo,max代表終端o任務(wù)卸載的最大能耗。

通過上述分析可知，任務(wù)建模、目標(biāo)函數(shù)和約束條件在任務(wù)卸載方法的研究中起著關(guān)鍵的作用。通過這些研究工作，可為移動(dòng)邊緣計(jì)算中任務(wù)卸載的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)提供重要的理論基礎(chǔ)和方法支持［4］。

1.2 計(jì)算任務(wù)分配

在建立任務(wù)卸載目標(biāo)函數(shù)和約束條件的基礎(chǔ)上，引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)作為公平性保證機(jī)制，確保任務(wù)卸載決策的公正性和可信度。區(qū)塊鏈的去中心化特點(diǎn)能夠確保所有參與節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)一個(gè)可信的賬本，防止單個(gè)實(shí)體控制資源分配，并確保獲得公開透明的任務(wù)分配結(jié)果。同時(shí)，區(qū)塊鏈的分布式共識(shí)機(jī)制保證了數(shù)據(jù)的一致性和完整性，提升了系統(tǒng)的可信度。所有交易和操作都被記錄在區(qū)塊鏈上，具有高度的透明性和可追溯性，同時(shí)增強(qiáng)了任務(wù)分配過程的審計(jì)能力。在加密算法的保障下，區(qū)塊鏈技術(shù)能夠確保數(shù)據(jù)不被篡改，實(shí)現(xiàn)公平的任務(wù)卸載和資源分配［5-7］。以下是區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用在5G移動(dòng)邊緣計(jì)算分配中的具體步驟。

（1）任務(wù)卸載驗(yàn)證：區(qū)塊鏈可以記錄任務(wù)卸載的過程和結(jié)果，確保任務(wù)的可靠性和安全性。通過區(qū)塊鏈的不可篡改性，驗(yàn)證任務(wù)在卸載過程中是否遵循了約定的規(guī)則和協(xié)議。

（2）資源分配和交易：區(qū)塊鏈可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備與邊緣服務(wù)器之間的資源分配和交易。移動(dòng)設(shè)備可以向區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)提交資源需求，而邊緣服務(wù)器則可以提供相應(yīng)的計(jì)算、存儲(chǔ)和帶寬資源。借助區(qū)塊鏈的透明性和去中心化的特點(diǎn)，確保了資源分配的公平性和可追溯性。

（3）去中心化管理：區(qū)塊鏈可以實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算資源的去中心化管理，讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)都參與資源分配和任務(wù)協(xié)作。這樣可以提高計(jì)算資源的利用率，降低單個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載，同時(shí)增加系統(tǒng)的可伸縮性和魯棒性。

（4）安全保障：區(qū)塊鏈的安全特性可以提升5G移動(dòng)邊緣計(jì)算的安全性。通過區(qū)塊鏈的身份驗(yàn)證和數(shù)據(jù)加密功能，可以有效防止惡意攻擊和數(shù)據(jù)泄漏，并能保護(hù)用戶的隱私和數(shù)據(jù)安全。

基于區(qū)塊鏈的5G 移動(dòng)邊緣計(jì)算分配有望提供一種安全、公平和高效的資源管理機(jī)制，為移動(dòng)邊緣計(jì)算的發(fā)展提供有力支持。

1.3 計(jì)算任務(wù)卸載

基于計(jì)算任務(wù)分配結(jié)果，展開計(jì)算任務(wù)卸載研究。首先根據(jù)任務(wù)的計(jì)算復(fù)雜度、數(shù)據(jù)依賴關(guān)系或?qū)崟r(shí)性要求等將計(jì)算任務(wù)分解為多個(gè)子任務(wù)，其次根據(jù)計(jì)算任務(wù)的屬性選擇卸載類型，計(jì)算任務(wù)卸載示意圖如圖1所示。

圖1 計(jì)算任務(wù)卸載示意圖

由圖1 可知，在任務(wù)卸載中，部分卸載和完全卸載是使用兩種不同的方式將計(jì)算任務(wù)從移動(dòng)設(shè)備轉(zhuǎn)移到邊緣服務(wù)器進(jìn)行處理。其中，部分卸載（Partial Offloading）是指將任務(wù)的一部分計(jì)算任務(wù)卸載到邊緣服務(wù)器上進(jìn)行處理，而另一部分任務(wù)仍然在移動(dòng)設(shè)備上執(zhí)行。通常情況下，部分卸載是基于任務(wù)的特性和需求策略進(jìn)行的。例如，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的任務(wù)（如輸入感知或用戶交互等），可以選擇將這些組件卸載到邊緣服務(wù)器上，以降低延遲和提高響應(yīng)速度。部分卸載的優(yōu)勢(shì)在于能夠平衡移動(dòng)設(shè)備和邊緣服務(wù)器之間的負(fù)載，同時(shí)滿足任務(wù)的時(shí)效性需求。完全卸載（Complete Offloading）是指將整個(gè)計(jì)算任務(wù)完全卸載到邊緣服務(wù)器上進(jìn)行處理，移動(dòng)設(shè)備僅負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收結(jié)果。完全卸載適用于需要大量計(jì)算資源或存儲(chǔ)容量的任務(wù)，通過將任務(wù)在移動(dòng)設(shè)備上運(yùn)行的計(jì)算負(fù)荷完全轉(zhuǎn)移給邊緣服務(wù)器，可以減輕移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算負(fù)擔(dān)，提高設(shè)備響應(yīng)速度，同時(shí)延長(zhǎng)設(shè)備電池的壽命。

總體來看，部分卸載和完全卸載是在任務(wù)卸載過程中針對(duì)任務(wù)性質(zhì)的不同選擇，用于優(yōu)化計(jì)算資源、提高能效和響應(yīng)速度。根據(jù)具體任務(wù)的特性和需求，可以選擇適當(dāng)?shù)男遁d策略實(shí)現(xiàn)最佳的性能和效果［8-9］。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證本文所提方法的有效性，將其運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)景中，對(duì)其卸載效果進(jìn)行檢驗(yàn)。將傳統(tǒng)基于移動(dòng)邊緣計(jì)算的車聯(lián)網(wǎng)任務(wù)卸載方法（方法1）和基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)邊緣計(jì)算的任務(wù)卸載方法（方法2）作為對(duì)比方法，與本文所提方法進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在開始實(shí)驗(yàn)測(cè)試之前，需要做一些準(zhǔn)備工作，保證本次實(shí)驗(yàn)的可信度。本文實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景主要面向某大型商場(chǎng)，具體的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)如下。

（1）邊緣服務(wù)器：在商場(chǎng)內(nèi)部設(shè)置5 臺(tái)邊緣服務(wù)器作為MEC 設(shè)備，設(shè)置多臺(tái)邊緣服務(wù)器為系統(tǒng)提供了良好的擴(kuò)展性，隨著移動(dòng)設(shè)備和任務(wù)數(shù)量的增加，可以通過增設(shè)邊緣服務(wù)器擴(kuò)展系統(tǒng)的處理能力，滿足不斷增長(zhǎng)的計(jì)算需求。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見表1。該服務(wù)器應(yīng)具備足夠的計(jì)算資源和存儲(chǔ)空間，能夠支持邊緣計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

（2）移動(dòng)設(shè)備：選擇多個(gè)智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備作為任務(wù)源，模擬商場(chǎng)顧客使用移動(dòng)應(yīng)用的場(chǎng)景，這些設(shè)備具有不同的操作系統(tǒng)和處理能力。移動(dòng)設(shè)備參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 移動(dòng)設(shè)備參數(shù)設(shè)置

在實(shí)驗(yàn)中，移動(dòng)設(shè)備通過用戶交互、傳感器數(shù)據(jù)等方式生成任務(wù)，并將任務(wù)發(fā)送給邊緣服務(wù)器進(jìn)行處理。

（3）網(wǎng)絡(luò)連接：建立5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋商場(chǎng)，并確保MEC 服務(wù)器和移動(dòng)設(shè)備之間有穩(wěn)定、可靠的高速網(wǎng)絡(luò)連接，保證任務(wù)卸載和數(shù)據(jù)傳輸。圖2 為服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系示意圖。

圖2 服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系示意圖

（4）任務(wù)卸載實(shí)驗(yàn)：在實(shí)驗(yàn)中采用不同的任務(wù)卸載方法，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析各個(gè)方法在商場(chǎng)環(huán)境下的應(yīng)用性能和效果。

為了保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性和驗(yàn)證性，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)并記錄結(jié)果，以得出準(zhǔn)確的結(jié)論。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以卸載時(shí)間為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)比3種方法的應(yīng)用效果，卸載時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 卸載時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由3 表中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以清楚地看出，使用3 種方法進(jìn)行任務(wù)卸載時(shí)，卸載任務(wù)量與卸載時(shí)間之間呈現(xiàn)出線性關(guān)系，具體表現(xiàn)在隨著卸載任務(wù)的增加，卸載時(shí)間也呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。通過對(duì)比可知，本文所提方法的卸載時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于其余兩種方法，說明本文方法的卸載效率更高，能夠在更短的時(shí)間內(nèi)滿足任務(wù)卸載需求。

以任務(wù)卸載能耗作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，繼續(xù)對(duì)比3種方法的應(yīng)用效果，結(jié)果見表4。

表4 卸載能耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表4 中的數(shù)據(jù)可知，隨著卸載任務(wù)的增加，3種方法的能耗均呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但是相比較之下，本文所提方法的能耗更低，說明其能夠有效降低任務(wù)卸載能耗，具有更高的應(yīng)用價(jià)值。

進(jìn)一步驗(yàn)證在5G移動(dòng)邊緣計(jì)算環(huán)境下不同的時(shí)隙對(duì)累計(jì)功耗和累計(jì)平均時(shí)延的影響，其結(jié)果見表5。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著時(shí)隙設(shè)置的增加，累計(jì)功耗也相應(yīng)增大，表明在任務(wù)卸載中較長(zhǎng)的時(shí)隙會(huì)引起更高的累計(jì)功耗。隨著時(shí)隙設(shè)置的增加，累計(jì)平均時(shí)延也會(huì)增加，這表明較長(zhǎng)的時(shí)隙會(huì)引起較高的累計(jì)平均時(shí)延。

3 結(jié)語

為了降低移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算負(fù)擔(dān)、提高能效和響應(yīng)速度，同時(shí)滿足任務(wù)的時(shí)效性需求，提出一種5G移動(dòng)邊緣計(jì)算環(huán)境下的任務(wù)卸載方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提方法有效降低了任務(wù)卸載時(shí)間和能耗，能夠?yàn)橛脩魩砀鼉?yōu)質(zhì)的移動(dòng)體驗(yàn)。但是，本文所提方法沒有充分考慮用戶需求的變化和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的波動(dòng)，因此未來將重點(diǎn)研究基于機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)的任務(wù)卸載決策優(yōu)化方法，以實(shí)現(xiàn)更智能、自適應(yīng)的任務(wù)卸載。