CN110830390B - 一种QoS驱动的移动边缘网络资源分配方法 - Google Patents

Abstract

一种QoS驱动的移动边缘网络资源分配方法，包括如下步骤，步骤S1、对任意用户

，判断计算任务

是否满足约束条件，若满足，则用户

向拍卖者提交出价向量

，否则，用户

放弃计算任务

；步骤S2、获取计算任务

的紧急程度

，并计算归一化紧急程度

；步骤S3、根据紧急程度

计算用户

的单位计算资源出价

和单位通讯资源出价

；步骤S4、拍卖者收集各等级的用户提交的出价向量，并计算出各等级用户获取的资源块数目；步骤S5、为每个等级的用户分配资源并确立胜者及其支付费用；步骤S6、依次判断是否有等级为

的任务被拒绝，若存在，则从其他有空余资源的资源块中抽取资源。该方法根据不同等级用户的QoS需求，利用拍卖理论为用户提供差异化服务，最大化运营商收益。

Description

一种QoS驱动的移动边缘网络资源分配方法

技术领域

本发明属于移动边缘技术领域，具体涉及一种QoS驱动的移动边缘网络资源分配方法。

背景技术

近年来爆炸性的流量增长迫使移动网络架构的变革，传统的云计算中心已经不能满足诸如虚拟现实，实时全息投影等新应用的要求，计算下沉已经成为一种趋势。移动边缘计算作为一种新计算模式，一方面由于其在网络边缘，可以减少传输时延和网络拥塞；另一方面由于其相对用户有着丰富的计算资源，可以减少计算时延，因此其能够为用户提供便捷的云服务。但是由于用户的数目众多，不同用户的QoS也各不相同，如何分配边缘服务器的资源显得尤为重要。

拍卖理论经济学中有着广泛的应用，它是一种分配资源的有效手段。近年来随着学者的不断研究，其在无线网络中的应用也越来越广泛。有许多学者利用拍卖理论来解决无线网络中频谱分配的问题，频谱资源剩余的运营商可以出售其频谱资源给那些需要频谱资源的运营商，从而实现了动态频谱分配。类似的，在无线网络中可以通过拍卖的方式联合分配运营商的计算资源和通信资源，运营商作为卖家出售资源，用户作为买家购买资源。利用拍卖理论，可以有效的分配移动边缘网络的资源。

然而基于拍卖理论的传统资源分配方案并没有考虑到用户的差异化需求。不同等级的用户追求不同的用户体验，在资源分配过程中要考虑用户等级以及其QoS需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种QoS驱动的移动边缘网络资源分配方法，根据不同等级用户的QoS需求，利用拍卖理论为用户提供差异化服务，最大化运营商收益。

本发明提供一种QoS驱动的移动边缘网络资源分配方法，该移动边缘网络包括N个用户、一个拍卖者和一个边缘服务器，N个用户共分为P个等级，且每个用户i只有一个计算任务k_i，分配的具体步骤如下；

步骤S1、对任意用户i，判断计算任务k_i是否满足约束条件，若满足，则用户i向拍卖者提交出价向量B_i，否则，用户i放弃计算任务k_i；

步骤S2、获取计算任务k_i的紧急程度ζ_i，并计算归一化紧急程度

步骤S3、根据紧急程度

计算用户i的单位计算资源出价/>

和单位通讯资源出价

步骤S4、拍卖者收集各等级的用户提交的出价向量，并计算出各等级用户获取的资源块数目；

步骤S5、为每个等级的用户分配资源并确立胜者及其支付费用；

步骤S6、依次判断是否有等级为p的任务被拒绝，若存在，则从其他有空余资源的资源块中抽取资源。

作为本发明的进一步技术方案，步骤S1中，约束条件为s_i+τ_i＞t_ψ+t_i，upl+t_i，exe，其中，s_i为计算任务k_i的产生时间，τ_i为计算任务k_i的时延要求，t_ψ为当前时间，t_i，upl为计算任务k_i的上传时间，

中，d_i为计算任务k_i所需要的计算资源，h_i为信道增益，f_i为用户设备的发射功率，δ²为噪声功率，t_i，exe为计算任务k_i的执行时间，

λ_i为计算任务k_i的大小，z_i为计算任务k_i的强度，c_i为计算任务k_i所需要的通信资源；用户i向拍卖者提交出价向量/>

其中，p_i为用户的等级。

进一步的，步骤S2中、根据公式

计算k_i的紧急程度ζ_i，ζ_i∈[0，1]，再根据公式/>

计算归一化紧急程度/>

其中，t_ψ为当前时间，s_i为计算任务k_i的产生时间，τ_i为计算任务k_i的时延要求，∫_max为观测用户i前θ个任务中任务紧急程度的最大值，θ为观测周期。

进一步的，步骤S3中，单位计算资源出价

其中，/>

分别为用户i对边缘服务器的单位计算资源和单位通信资源的最低估值；单位通讯资源出价

其中，/>

分别为用户i对边缘服务器的单位计算资源和单位通信资源的最高估值；用户的出价位于最低出价和最高出价之间。

进一步的，步骤S4中，计算各等级用户获取的资源块数目的公式为：

其中，D_p，C_p分别为分配给等级为p的资源块的计算资源和通信资源的数目，D，C分别为边缘服务器拥有的计算资源和通信资源，

分别为计算资源和通信资源分配公平因子，K为所有用户的数目，K_p为等级为p的用户数目。

进一步的，步骤S5中，为用户等级为p＝{1，2，...，P}的用户分配资源，对于任意用户i∈{1，2，...，K_p}，其单位计算资源和单位通信资源的加权值为

其中，β为权重因子；拍卖者计算出所有用户单位计算和通信资源出价的加权值的向量

按照γ_i降序对用户出价向量排序，获取矩阵出价向量矩阵

依次判断每个出价向量B_i，若满足/>

A^d和A^c分别为单位计算资源和单位通信资源的要价，且资源块还有足够的资源时，则会接受该用户的任务请求，并支付费用/>

否则，暂时拒绝该用户的任务请求。

进一步的，步骤S6中，抽取资源的数目为被拒绝的用户任务请求的资源需求和与最大空余资源中的较小值；利用抽取的剩余资源为用户等级为p的用户分配资源；资源的抽取顺序为依次从等级为p+1，p+2，...P的资源块中抽取剩余资源，若此时资源依然不足，则依次从等级为1，2，..p-1的资源块抽取空余资源。

本发明将拍卖理论与移动边缘网络分配技术相结合，提出了一种QoS驱动的移动边缘网络资源分配方法，根据不同等级用户的QoS需求，利用拍卖理论为用户提供差异化服务，最大化运营商收益。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的系统模型示意图。

具体实施方式

本实施例提供一种QoS驱动的移动边缘网络资源分配方法，其中，如图2所示，移动边缘网络系统由N个用户，一个拍卖者和一个边缘服务器组成。假设移动边缘网络中的用户共分为P个等级并且对于每个用户i其只有一个计算任务k_i需要卸载到边缘服务器上。在每轮拍卖开始时，每个用户i向拍卖者提交出价向量

其中s_i表示k_i的开始时间，τ_i表示k_i的时延要求，d_i表示k_i所需要的计算资源，c_i表示k_i所需要的通信资源，/>

和/>

分别表示用户i对单位计算资源和单位通信资源的出价，λ_i表示k_i的大小，z_i表示k_i的强度，p_i表示用户的等级。定义任务的执行时间分成上传，执行和下载三个部分，由于下载阶段的任务量很小，忽略不计。t_i，upl表示k_i的上传时间，t_i，exe表示k_i的执行时间。拍卖者在接收到所有用户的出价请求后，将移动边缘网络所拥有的计算资源和通信资源分成P个资源块。在每个资源块内，为对应等级的用户分配计算资源和通信资源。考虑到运营商的运营成本，其单位计算资源和单位通信资源的要价为A^d和A^c。

请参阅图1，其具体步骤如下，

步骤1，对任意i＝{1，2，...N}，判断k_i是否满足约束s_i+τ_i＞t_ψ+t_i，upl+t_i，exe，如果满足约束，用户i向拍卖者提交B_i，否则用户i放弃k_i。其中t_ψ表示当前时间，

h_i表示信道增益，f_i表示用户设备的发射功率，δ²表示噪声功率。/>

步骤2，根据公式

计算k_i的紧急程度ζ_i。根据公式/>

计算k_i的归一化紧急程度/>

其中ζ_max是观测用户i前θ个任务中任务紧急程度的最大值，ζ_i∈[0，1]。θ是常量，表示观测周期。

步骤3，用户i的单位计算资源出价表示为

单位通信资源的出价表示为/>

其中/>

分别表示用户i对边缘服务器的单位计算资源和单位通信资源的最低估值，/>

分别表示用户i对边缘服务器的单位计算资源和单位通信资源的最高估值，用户的出价应该在最低出价和最高出价之间。

步骤4，拍卖者首先收集各个等级的用户提交的出价向量，并根据如下公式计算各个等级用户获得的资源块数目：

其中D_p，C_p分别表示分配给等级为p的资源块的计算资源和通信资源的数目，D，C分别表示边缘服务器拥有的计算资源和通信资源，

分别表示计算资源和通信资源分配公平因子，K表示所有用户的数目，K_p表示等级为p的用户数目。

步骤5，为每个等级的用户分配资源并确立胜者及其支付费用。为用户等级为p＝{1，2，...，P}的用户分配资源，以等级p为例。对于任意用户i∈{1，2，...，K_p}，其单位计算资源和单位通信资源的加权值为

其中β表示权重因子。向量

表示所有用户的单位计算和通信资源出价的加权值。拍卖者计算向量γ，然后按照γ_i降序对用户出价排序，得到矩阵/>

依次判断每个出价向量B_i，如果满足/>

并且资源块还有足够的资源时，会接受该用户的任务请求，否则暂时拒绝该用户的任务请求。如果用户i的请求被接受，则其需要支付的费用为

步骤6，依次判断是否有用户等级为p＝{P，P-1，...，1}的任务被拒绝，如果存在等级为p的任务被拒绝，则从其他有空余资源的资源块中抽取资源。抽取资源的数目为被拒绝的用户任务请求的资源需求和与最大空余资源中的较小值。利用抽取的剩余资源为用户等级为p的用户分配资源，具体步骤如步骤5所示。其中，资源的抽取顺序如下所示：首先依次从等级为p+1，p+2，...P的资源块中抽取剩余资源，如果此时资源依然不足，则依次从等级为1，2，..p-1的资源块抽取空余资源。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种QoS驱动的移动边缘网络资源分配方法，其特征在于，该移动边缘网络包括N个用户、一个拍卖者和一个边缘服务器，N个用户共分为P个等级，且每个用户i只有一个计算任务k_i，分配的具体步骤如下；

步骤S1、对任意用户i，判断计算任务k_i是否满足约束条件，若满足，则用户i向拍卖者提交出价向量B_i，否则，用户i放弃计算任务k_i；

步骤S2、获取计算任务k_i的紧急程度ζ_i，并计算归一化紧急程度

步骤S3、根据紧急程度

计算用户i的单位计算资源出价/>

和单位通讯资源出价/>

步骤S4、拍卖者收集各等级的用户提交的出价向量，并计算出各等级用户获取的资源块数目；

步骤S5、为每个等级的用户分配资源并确立胜者及其支付费用；

步骤S6、依次判断是否有等级为p的任务被拒绝，若存在，则从其他有空余资源的资源块中抽取资源；

所述步骤S1中，约束条件为s_i+τ_i＞t_ψ+t_i，upl+t_i，exe，其中，s_i为计算任务k_i的开始时间，τ_i为计算任务k_i的时延要求，t_ψ为当前时间，t_i，upl为计算任务k_i的上传时间，

中，d_i为计算任务k_i所需要的计算资源，h_i为信道增益，f_i为用户设备的发射功率，δ²为噪声功率，t_i，exe为计算任务k_i的执行时间，/>

中，λ_i为计算任务k_i的大小，z_i为计算任务k_i的强度，c_i为计算任务k_i所需要的通信资源；用户i向拍卖者提交出价向量/>

其中，p_i为用户的等级；

所述步骤S2中、根据公式

计算k_i的紧急程度ζ_i，ζ_i∈[0，1]，再根据公式

计算归一化紧急程度/>

其中，t_ψ为当前时间，s_i为计算任务k_i的产生时间，τ_i为计算任务k_i的时延要求，ζ_max为观测用户i前θ个任务中任务紧急程度的最大值，θ为观测周期；

所述步骤S3中，单位计算资源出价

其中，/>

分别为用户i对边缘服务器的单位计算资源和单位通信资源的最低估值；单位通讯资源出价

其中，/>

分别为用户i对边缘服务器的单位计算资源和单位通信资源的最高估值；用户的出价位于最低出价和最高出价之间；

所述步骤S4中，计算各等级用户获取的资源块数目的公式为：

/>

其中，D_p，C_p分别为分配给等级为p的资源块的计算资源和通信资源的数目，D，C分别为边缘服务器拥有的计算资源和通信资源，

分别为计算资源和通信资源分配公平因子，K为所有用户的数目，K_p为等级为p的用户数目；

所述步骤S5中，为用户等级为p＝{1，2，...，P}的用户分配资源，对于任意用户i∈{1，2，...，K_p}，其单位计算资源和单位通信资源的加权值为

其中，β为权重因子；拍卖者计算出所有用户单位计算和通信资源出价的加权值的向量

按照γ_i降序对用户出价向量排序，获取矩阵出价向量矩阵

依次判断每个出价向量B_i，若满足/>

A^d和A^c分别为单位计算资源和单位通信资源的要价，且资源块还有足够的资源时，则会接受该用户的任务请求，并支付费用/>

否则，暂时拒绝该用户的任务请求。

2.根据权利要求1所述的一种QoS驱动的移动边缘网络资源分配方法，其特征在于，所述步骤S6中，抽取资源的数目为被拒绝的用户任务请求的资源需求和与最大空余资源中的较小值；利用抽取的剩余资源为用户等级为p的用户分配资源；资源的抽取顺序为依次从等级为p+1，p+2，...P的资源块中抽取剩余资源，若此时资源依然不足，则依次从等级为1，2，..p-1的资源块抽取空余资源。

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