CN109347739B - 为多接入边缘计算提供资源配置和接入点选择策略的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了为多接入边缘计算提供资源配置和接入点选择策略的方法，该方法包括初始分配方法和增量分配方法。初始分配方法用于将无线接入点和边缘服务器中的资源从全局的角度共同分配，以高效的提供VNF‑FGs。增量分配方法用以快速调整每个物联网设备的AP(接入)节点选择策略和系统资源重新分配，以应对物联网设备请求的可变性。本发明能够在动态工作负载下获得最优的VNF(虚拟网络功能)部署位置和接入到多接入边缘计算的无线接入点，以满足物联网服务的低延迟需求，同时最小化在时间段内所需的整体运营成本。

Description

为多接入边缘计算提供资源配置和接入点选择策略的方法

技术领域

本发明涉及物联网边缘计算领域，具体涉及为多接入边缘计算提供资源配置和接入点选择策略的方法。

背景技术

多接入边缘计算是增强物联网(IoT)能力的一种十分有前景的技术，而在边缘计算中使用网络功能虚拟化(NFV)可以提高边缘计算的执行效率。但是在使用启用网络功能虚拟化功能的边缘计算来提高物联网设备服务质量时，由于边缘环境的特征，出现了两个新的挑战。第一，要满足地理上分散的请求需要多少个功能服务链。通过在虚拟化网络功能中使用整合策略，可以大大降低资源提供成本，但是同时，端到端的时延将增大到超过物联网设备容忍的范围。因此需要权衡最小化网络延迟和最小化网络中活动的虚拟机(VirtualMachine,VM)数量。本发明为边缘网络中寻找最优的资源部署提供了策略，以满足实时应用程序的严格延迟要求。第二，每个物联网设备应该选择哪一个无线接入点(Access Point，AP)。物联网设备通常有多个可用的链接,如持续4g接口和多个无线接入点(APs)，但一次只能激活其中一个,因此实际连接取决于选定的链接的质量和在边缘的所请求的资源的分布。在以往研究在多接入无线干扰环境下多用户计算卸载问题中，只考虑了所选链路的质量。但在本发明中，考虑了边缘的资源分布，从而以稍稍增加端到端时延的代价进一步减少了网络中活动的VM数量。

发明内容

本发明提供了一种初始分配方法和一种增量分配方法。初始分配方法用于将无线接入点和边缘服务器中的资源从全局的角度共同分配，以高效的提供VNF-FGs。增量分配方法用以快速调整每个物联网设备的AP(接入)节点选择策略和系统资源重新分配，以应对物联网设备请求的可变性。本发明能够在动态工作负载下获得最优的VNF(虚拟网络功能)部署位置和接入到多接入边缘计算的无线接入点，以满足物联网服务的低延迟需求，同时最小化在时间段内所需的整体运营成本。

本发明通过下述技术方案实现：

为多接入边缘计算提供资源配置和接入点选择策略的方法，包括以下步骤：

步骤S1，进行初始分配：根据网络拓扑信息和用户信息得到边缘服务器中网络功能的部署策略和接入点的初始选择策略。

优选的，还包括步骤S2，进行增量分配：基于步骤S1的初始分配，遵循局部搜索原则，为新接入的物联网设备的请求提供选择策略。

优选的，所述步骤S1具体包括：

步骤S11，针对每个物联网设备的请求，处理服务链中最后一个虚拟网络功能VNF的位置，得到挑选过的S_v和和

其中，S_v表示节点v对物联网设备的覆盖集，

表示位于节点v的对于请求r的服务链中的最后一个虚拟网络功能VNF；

步骤S12，反向确定位于节点v的对于请求r的服务链中剩余虚拟网络功能VNF的位置。

优选的，所述步骤S11具体包括以下步骤：

步骤S111，确定每个节点v的覆盖集S_v，只要节点v到物联网设备的时延小于q_r，就将该物联网设备添加到这个节点的覆盖集S_v，其中，q_r为物联网设备请求r的时延限制；

步骤S112，依据标准选择能够覆盖所有物联网设备的最小的S_v的集合，同时循环删除拥有最大的f_r的物联网设备，直到节点v刚好不过载，其中，f_r指节点v属于的集合数目；

步骤S113，移除所有被覆盖集S_v覆盖的物联网设备，回到步骤S112，直到R＝Φ。

优选的，所述步骤S12具体包括以下步骤：

步骤S121，重新确定每个节点v的覆盖集S_v，如果节点v在物联网设备请求r和

的最短路径上，就直接将该物联网设备加入v的覆盖集S_v；

步骤S122，依据标准选择能够覆盖所有物联网设备的最小的S_v的集合，同时循环删除拥有最大的f_r的物联网设备，直到节点v刚好不过载，其中，f_r指节点v属于的集合数目；

步骤S123，重复步骤S122，直到R＝Φ，得到虚拟网络功能部署的位置以及它们所服务的物联网设备。

优选的，节点v到物联网设备的时延计算公式如下：

其中，T_slot表示传输时隙长度，l_c表示命令序列长度，N_r表示与物联网设备请求r竞争AP的物联网设备的数量，l_mn表示物理链路(m，n)上的命令序列长度，

表示在N_r个竞争节点的情况下节点的发送概率，

定义为：

优选的，选择能够覆盖所有物联网设备的最小的S_v的集合时，依据的标准为：

选取该值最小的S_v，r表示物联网设备请求，

代表从AP处返回结果，

代表

所需要的服务器资源。

优选的，所述步骤S2的新接入点选择策略包括：

Case1：新接入的物联网设备附近的AP节点正常工作且服务功能链SFC有能力服务该物联网设备，则选择指标M值更小的AP服务该物联网设备；

Case2：新接入的物联网设备附近的AP节点正常工作但服务功能链SFC没有能力服务该物联网设备，则利用步骤S1的初始分配重新初始化一个SFC，并选择指标M值更大的AP服务该物联网设备；

Case3：新接入的物联网设备附近的AP节点部分正常工作部分拥塞且拥塞的AP对应的SFC有能力服务该物联网设备，但正常的AP附近没有能服务该物联网设备的SFC，则首先交换现有的物联网设备以减轻该拥塞的AP节点的压力，若无法交换，则在工作正常的AP节点附近依据步骤S1的初始分配重新初始化一个SFC，并用该正常的AP节点和新初始化的SFC服务该物联网设备；

Case4：新接入的物联网设备附近的AP节点均拥塞，则拒绝为该物联网设备提供服务。

优选的，所述指标M的计算公式如下：

M＝(∑_v∈SFC|S_v|)/ω′_v。

其中，ω′_v表示节点v的资源利用率。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明的初始分配方法将无线接入点和边缘服务器中的资源从全局的角度共同分配，以高效的提供VNF-FGs。本发明的增量分配方法用以快速调整每个物联网设备的AP(接入)节点选择策略和系统资源重新分配，以应对物联网设备请求的可变性。本发明能够在动态工作负载下获得最优的VNF(虚拟网络功能)部署位置和接入到多接入边缘计算的无线接入点，以满足物联网服务的低延迟需求，同时最小化在时间段内所需的整体运营成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明物联网设备的新接入请求存在的4种情况。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提出了为多接入边缘计算提供资源配置和接入点选择策略的方法，包含初始分配方法和增量分配方法。

S1，初始分配方法：输入为网络拓扑信息G(V,E)、网络节点v∈V的容量W_v、对物联网设备请求r的时延限制q_r、资源请求d_r ^k，功能服务链长度l_r，输出为edge服务器中网络功能的部署策略。该方法分为两部分：第一部分主要针对每个物联网设备的请求，处理服务链中最后一个VNF(虚拟网络功能)的位置。第二部分解决了剩余网络功能的部署问题。具体如下：

第一部分S11：输出的是挑选过的能够覆盖所有物联网设备的S_v(节点v对物联网设备的覆盖集)和

(代表位于节点v的对于请求r的服务链中的最后一个虚拟网络功能VNF)：

S111，首先确定每个节点v的覆盖集S_v，只要节点v到物联网设备的时延小于q_r，就将该物联网设备添加到这个节点的覆盖集合S_v中，时延的计算公式为：

其中，T_slot表示传输时隙长度，l_c表示命令序列长度，N_r表示与物联网设备请求r竞争AP的物联网设备的数量，l_mn表示物理链路(m，n)上的命令序列长度，

表示在N_r个竞争节点的情况下节点的发送概率，由下面的二元二次方程组确定，其中τ为发送包时发生冲突的概率，W为发送窗口大小，m为发送成功的次数：

为决策变量，表示NFs(网络功能)到物理链接之间的路径图的映射，如果请求(r_k，r_k+1)需要经过物理链路(m，n)，则其值为1，否则为0，定义为：

S112，然后选择能够覆盖所有物联网设备的最小的S_v的集合，依据

的值作为指标为S_v排序，选择最小的那一个，这个指标指标试图过滤掉具有最强大覆盖能力的集合，并且集合中的每个元素拥有最少的资源。之后判断节点v是否过载，如果节点v过载，就在覆盖集合S_v中删除其中拥有最大的f_r(f_r指其属于的集合数目)的物联网设备。通过这样不断的循环删除，直到节点v刚好不过载。

S113，最后，移除所有被覆盖集合S_v覆盖的物联网设备，回到步骤S112，直到

第二部分S12：

S121，首先确定每个节点v的覆盖集S_v，但是这次如果节点v在物联网设备请求r和

的最短路径上，就直接将这个物联网设备加入v的覆盖集。因为任何网络功能的位置总是在它所服务的物联网设备的最短路径和之前的网络功能上，所以终端的延迟总是可以满足的。

S122，选择能够覆盖所有物联网设备的最小的S_v的集合，方法同第一部分步骤2。

S123，最后，就得到了网络功能部署的位置以及它们所服务的物联网。

S2，增量分配方法：遵循局部搜索原则，旨在及时地为MEC(多接入边缘计算)提供所需的最小资源，以应对临时出现的新设备的接入请求。方法针对图一4种情况分别提供解决策略。

Case1：这种情况下物联网设备附近的AP(AccessPoint)节点(wifi或LTE)允许物联网设备接入网络，同时功能服务链(SFC)也有能力服务该设备。则为AP节点及其对应的服务链选择的指标M的定义公式为：

M＝(∑_v∈SFC|S_v|)/ω′_v。

ω′_v代表节点v的资源利用率。方法将选择M值更小的AP节点以及该节点对应的功能服务链服务该物联网设备，这样可以尽可能的将空闲资源留给其他用户，以增加系统的灵活性。

Case2：这种情况下附近的AP节点允许物联网设备接入网络，但是附近的功能服务链(SFC)无法服务该设备。将初始化一个新的功能服务链(SFC)，部署策略依据之前的初始分配方法，然后选择M值更大的AP节点服务该物联网设备

Case3：这种情况下虽然附近的功能服务链(SFC)可用，但该AP的无线资源达到了极限，造成了拥塞，而可用的AP上无法提供新物联网设备请求的SFC。方法将交换现有的物联网设备以减轻该拥塞的AP节点的压力，交换的必要条件是不需要再建立一个新的SFC。如果没有可交换设备，将在另一个可用的AP节点周围初始化一个新的SFC。

Case4：这种情况下新物联网设备不仅无法接入到附近的网络，也没有可用的功能服务链(SFC)，将拒绝为该设备提供服务。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.为多接入边缘计算提供资源配置和接入点选择策略的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，进行初始分配：根据网络拓扑信息和用户信息得到边缘服务器中网络功能的部署策略和接入点的初始选择策略；

所述步骤S1具体包括：

步骤S11，针对每个物联网设备的请求，处理服务链中最后一个虚拟网络功能VNF的位置，得到挑选过的S_v和和

其中，S_v表示节点v对物联网设备的覆盖集，

表示位于节点v的对于请求r的服务链中的最后一个虚拟网络功能VNF；

步骤S12，反向确定位于节点v的对于请求r的服务链中剩余虚拟网络功能VNF的位置；

所述步骤S11具体包括以下步骤：

步骤S111，确定每个节点v的覆盖集S_v，只要节点v到物联网设备的时延小于q_r，就将该物联网设备添加到这个节点的覆盖集S_v，其中，q_r为物联网设备请求r的时延限制；

步骤S112，依据标准选择能够覆盖所有物联网设备的最小的S_v的集合，同时循环删除拥有最大的f_r的物联网设备，直到节点v刚好不过载，其中，f_r指节点v属于的集合数目；

步骤S113，移除所有被覆盖集S_v覆盖的物联网设备，回到步骤S112，直到R＝Φ；

所述步骤S12具体包括以下步骤：

步骤S121，重新确定每个节点v的覆盖集S_v，如果节点v在物联网设备请求r和

的最短路径上，就直接将该物联网设备加入v的覆盖集S_v；

步骤S122，依据标准选择能够覆盖所有物联网设备的最小的S_v的集合，同时循环删除拥有最大的f_r的物联网设备，直到节点v刚好不过载，其中，f_r指节点v属于的集合数目；

步骤S123，重复步骤S122，直到R＝Φ，得到虚拟网络功能部署的位置以及它们所服务的物联网设备；

节点v到物联网设备的时延计算公式如下：

其中，T_slot表示传输时隙长度，l_c表示命令序列长度，N_r表示与物联网设备请求r竞争AP的物联网设备的数量，l_mn表示物理链路(m，n)上的命令序列长度，

表示在N_r个竞争节点的情况下节点的发送概率，

为决策变量，表示NFs到物理链接之间的路径图的映射，如果请求(r_k，r_k+1)需要经过物理链路(m，n)，则其值为1，否则为0，定义为：

选择能够覆盖所有物联网设备的最小的S_v的集合时，依据的标准为：

选取该值最小的S_v，r表示物联网设备请求，

代表从AP处返回结果，

代表

所需要的服务器资源。

2.根据权利要求1所述的为多接入边缘计算提供资源配置和接入点选择策略的方法，其特征在于，还包括步骤S2，进行增量分配：基于步骤S1的初始分配，遵循局部搜索原则，为新接入的物联网设备的请求提供选择策略。

3.根据权利要求2所述的为多接入边缘计算提供资源配置和接入点选择策略的方法，其特征在于，所述步骤S2的为新接入的物联网设备的请求提供选择策略包括：

Case1：新接入的物联网设备附近的AP节点正常工作且服务功能链SFC有能力服务该物联网设备，则选择指标M值更小的AP服务该物联网设备；

Case2：新接入的物联网设备附近的AP节点正常工作但服务功能链SFC没有能力服务该物联网设备，则利用步骤S1的初始分配重新初始化一个SFC，并选择指标M值更大的AP服务该物联网设备；

Case3：新接入的物联网设备附近的AP节点部分正常工作部分拥塞且拥塞的AP对应的SFC有能力服务该物联网设备，但正常的AP附近没有能服务该物联网设备的SFC，则首先交换现有的物联网设备以减轻该拥塞的AP节点的压力，若无法交换，则在工作正常的AP节点附近依据步骤S1的初始分配重新初始化一个SFC，并用该正常的AP节点和新初始化的SFC服务该物联网设备；

Case4：新接入的物联网设备附近的AP节点均拥塞，则拒绝为该物联网设备提供服务。

4.根据权利要求3所述的为多接入边缘计算提供资源配置和接入点选择策略的方法，其特征在于，所述指标M的计算公式如下：

M＝(∑_v∈SFC|S_v|)/ω′_v

其中，ω′_v表示节点v的资源利用率。

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