邊緣計(jì)算動(dòng)態(tài)資源分配在通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延優(yōu)化的研究

賀承啟

（貴陽(yáng)桑力電子實(shí)業(yè)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

1 邊緣計(jì)算動(dòng)態(tài)資源分配數(shù)學(xué)模型

1.1 約束條件

在邊緣計(jì)算環(huán)境中，動(dòng)態(tài)資源分配的數(shù)學(xué)建模需要考慮多種約束條件。首先，邊緣節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)性約束意味著不同節(jié)點(diǎn)具有不同的計(jì)算能力、存儲(chǔ)容量以及傳輸速率。通常用N表示邊緣節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，Ci表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力，Si表示存儲(chǔ)容量，Ri表示傳輸速率。其次，地理分散性約束影響著節(jié)點(diǎn)之間的通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，在地理分散性這一約束條件中，Dij表示節(jié)點(diǎn)之間的地理距離，Tij表示2 個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，其中i、j分別表示2 個(gè)節(jié)點(diǎn)的索引[1]。最后，在動(dòng)態(tài)資源分配中需要考慮能量因果性約束，確保節(jié)點(diǎn)的能源消耗不超過(guò)其能量供給，該約束條件中通常用Ei表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量。為保障邊緣計(jì)算中動(dòng)態(tài)資源的合理分配，需要滿足邊緣節(jié)點(diǎn)異構(gòu)性、地理分散性、能量因果性等約束條件公式。邊緣節(jié)點(diǎn)異構(gòu)性約束條件公式為

地理分散性約束條件公式為

能量因果性約束條件公式為

1.2 優(yōu)化目標(biāo)

邊緣計(jì)算動(dòng)態(tài)資源分配的核心優(yōu)化目標(biāo)是降低通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，提高系統(tǒng)性能和用戶體驗(yàn)。為高效利用有限的資源，需要對(duì)邊緣計(jì)算的動(dòng)態(tài)資源分配進(jìn)行2 個(gè)方面的優(yōu)化。一方面，最小化整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的總時(shí)延，通過(guò)智能資源分配和合理任務(wù)調(diào)度來(lái)加快節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸[2]。另一方面，需要最大化邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)容量和傳輸速率，以保證系統(tǒng)在高負(fù)載時(shí)的高效運(yùn)行。

1.3 求解方法

為高效、智能地解決邊緣計(jì)算動(dòng)態(tài)資源分配的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，文章提出一種基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的創(chuàng)新性求解方法。該方法以通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延最小化、能源消耗最小化、資源利用率最大化等作為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建一個(gè)綜合考慮邊緣節(jié)點(diǎn)異構(gòu)性、地理分散性以及能量因果性的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)設(shè)計(jì)基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)資源分配算法，利用策略梯度方法訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，使其能夠自適應(yīng)地學(xué)習(xí)最優(yōu)的資源分配策略。同時(shí)，該算法使用多層感知器（Multi-Layer Perceptron，MLP）來(lái)逼近節(jié)點(diǎn)的策略函數(shù)，根據(jù)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)狀態(tài)靈活調(diào)整計(jì)算任務(wù)、計(jì)算頻率、發(fā)射功率等資源。

2 基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)資源分配算法

2.1 策略函數(shù)設(shè)計(jì)

基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)資源分配算法以MLP結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為策略函數(shù)，根據(jù)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)擁塞情況以及通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，動(dòng)態(tài)地調(diào)整邊緣節(jié)點(diǎn)的資源分配策略[3]。該函數(shù)的輸入層負(fù)責(zé)接收狀態(tài)信息，隱藏層采用多個(gè)神經(jīng)元進(jìn)行非線性映射，輸出層負(fù)責(zé)計(jì)算任務(wù)的分配、計(jì)算頻率的調(diào)整及發(fā)射功率的設(shè)定等。輸出層的激活函數(shù)為Sigmoid(·)，確保輸出在[0,1]范圍內(nèi)，方便調(diào)整比例。該策略函數(shù)表達(dá)式為

式中：Win和Wout分別表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重矩陣；bin和bout分別表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的偏置向量，bin和bout中的每個(gè)元素對(duì)應(yīng)輸出層中的一個(gè)神經(jīng)元的偏置；X表示輸入向量；H表示隱藏層輸出向量；O表示輸出層輸出向量。

為訓(xùn)練和調(diào)優(yōu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，本算法采用策略梯度方法，并定義損失函數(shù)為

式中：Ai表示期望的資源分配策略；Oi表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的實(shí)際資源分配策略。通過(guò)最小化損失函數(shù)，更新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，從而獲得最優(yōu)的資源分配策略。這種策略函數(shù)設(shè)計(jì)能夠更好地捕捉邊緣計(jì)算環(huán)境的特征，實(shí)現(xiàn)智能、靈活的資源分配策略，從而最小化通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，提高整體系統(tǒng)性能。

2.2 收益函數(shù)設(shè)計(jì)

為最小化通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，文章設(shè)計(jì)一個(gè)收益函數(shù)，并綜合考慮本地執(zhí)行、卸載執(zhí)行及數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間成本。其收益函數(shù)表達(dá)式為

式中：Tlocal、Toffload及Ttransmission分別表示本地執(zhí)行時(shí)間、卸載時(shí)間及數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。本地執(zhí)行時(shí)間、卸載時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的計(jì)算公式為

式中：W表示任務(wù)大??；Flocal表示本地執(zhí)行的計(jì)算頻率；Foffload表示卸載執(zhí)行的計(jì)算頻率；Dtransmission表示數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延；D表示數(shù)據(jù)大??；Rtransmission表示數(shù)據(jù)傳輸速率。收益函數(shù)profit 能夠全面考慮任務(wù)在邊緣節(jié)點(diǎn)執(zhí)行和卸載執(zhí)行之間的權(quán)衡，通過(guò)最小化綜合時(shí)間，找到最優(yōu)的資源分配策略，以降低通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，提高整體系統(tǒng)性能。

2.3 策略更新方法

基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)資源分配算法的策略優(yōu)化方法通過(guò)定義損失函數(shù)為負(fù)的收益函數(shù)，計(jì)算關(guān)于策略函數(shù)參數(shù)的梯度，并使用隨機(jī)梯度下降法更新參數(shù)。同時(shí)，在策略方法中引入經(jīng)驗(yàn)回放機(jī)制，將歷史經(jīng)驗(yàn)存儲(chǔ)于經(jīng)驗(yàn)池，并隨機(jī)抽樣進(jìn)行訓(xùn)練，以平穩(wěn)訓(xùn)練過(guò)程。該過(guò)程中，該方法通過(guò)設(shè)定停止準(zhǔn)則來(lái)控制訓(xùn)練過(guò)程，當(dāng)達(dá)到一定訓(xùn)練輪數(shù)或損失值閾值將結(jié)束訓(xùn)練。這一策略更新方法結(jié)合深度學(xué)習(xí)的表達(dá)能力，不斷優(yōu)化策略函數(shù)的參數(shù)，使其能夠更準(zhǔn)確地生成最優(yōu)的資源分配策略，以最小化通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與對(duì)比分析

3.1 仿真環(huán)境設(shè)置

為確定優(yōu)化的基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)資源分配算法的有效性，本研究搭建仿真環(huán)境進(jìn)行仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在仿真環(huán)境搭建中，借助ntel Xeon 處理器，內(nèi)存16 GB，存儲(chǔ)256 GB 固態(tài)硬盤(pán)（Solid State Disk，SSD）的邊緣服務(wù)器搭建硬件環(huán)境，并依靠Linux 操作系統(tǒng)，搭載Docker 容器化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)資源調(diào)度和任務(wù)卸載策略。同時(shí)，在仿真環(huán)境設(shè)置中，本研究將緣節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)置為50 個(gè)，邊緣服務(wù)器數(shù)量為5 個(gè)，云服務(wù)器數(shù)量為1 個(gè)，進(jìn)行1 000 輪仿真，以確保充分收斂并獲取穩(wěn)定的性能評(píng)估結(jié)果。

3.2 對(duì)比算法選擇

在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，本研究選用固定資源分配法和貪心資源分配法作為對(duì)比算法。其中，固定資源分配算法是一種簡(jiǎn)單而常見(jiàn)的資源分配策略，其將資源在整個(gè)仿真過(guò)程中保持不變，作為基準(zhǔn)對(duì)比[4]。貪心資源分配算法是一種基于貪心策略的資源分配算法，其可以根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和任務(wù)需求，選擇最優(yōu)的資源分配方案[5]。這2 種算法的選擇可以全面評(píng)估所提出的基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)資源分配算法的性能。

3.3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

固定資源分配法、貪心資源分配法與優(yōu)化的基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)資源分配算法（以下簡(jiǎn)稱優(yōu)化算法）的通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)比如表1 所示，資源利用效率對(duì)比如表2 所示。

表1 通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)比 單位：ms

表2 資源利用率對(duì)比 單位：%

通過(guò)表1 和表2 仿真實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延方面，優(yōu)化算法在平均時(shí)延、最大時(shí)延以及最小時(shí)延3 個(gè)指標(biāo)上均顯著優(yōu)于對(duì)比算法，相比固定資源分配算法、貪心資源分配算法的資源分配算法，優(yōu)化算法能夠更有效地降低通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，提高邊緣計(jì)算性能；在資源利用效率方面，優(yōu)化算法的平均利用率也遠(yuǎn)高于其他算法。由此表明，優(yōu)化算法能夠更靈活地適應(yīng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)狀態(tài)和需求，從而更充分和高效地利用資源。

4 結(jié) 論

文章提出優(yōu)化的基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)資源分配算法，成功解決邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的資源分配難題，顯著降低通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，并提高資源利用效率。與傳統(tǒng)算法相比，優(yōu)化算法在時(shí)延和利用率方面均取得明顯優(yōu)勢(shì)。通過(guò)充分考慮邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性、動(dòng)態(tài)性和多目標(biāo)性，為邊緣計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用提供高效和智能的解決方案。