CN111970378A - 一种基于信息年龄度量的边缘协作方法 - Google Patents

一种基于信息年龄度量的边缘协作方法 Download PDF

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CN111970378A CN202010889146.1A CN202010889146A CN111970378A CN 111970378 A CN111970378 A CN 111970378A CN 202010889146 A CN202010889146 A CN 202010889146A CN 111970378 A CN111970378 A CN 111970378A
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Abstract

本发明涉及一种基于信息年龄度量的边缘协作方法，属于无线通信领域。该方法首先，确定单源多服务器的到达和协作服务过程，实时判断有无待处理的包生成；其次，当包到达时，在最新的服务器空闲状态集合中，研究包处理对信息年龄的影响，以及该数据包成为无效数据包的概率，由此匹配最优的边缘服务器进行服务，进而完成边缘服务器资源的调度；最后，在数据传输完成后，输出丢弃包、无效包个数以及系统的平均信息年龄。本发明可以减少无效包的产生，进而减少边缘服务器资源的无效使用，提高资源的有效利用率。

Description

一种基于信息年龄度量的边缘协作方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及无线通信中边缘服务器调度对数据新鲜度的影响，具体涉及一种基于信息年龄度量的边缘协作方法。
背景技术
目前，随着物联网技术的迅猛发展，物流传输、股票波动、环境监测、社交网络等实时应用逐渐融入人们的生活。这类应用通常需要实时更新状态，并将数据及时地传输到用户。现有方案往往关注资源调度中时延、吞吐量等网络的系统性能，通过降低传输时延、或改善网络处理能力来提高数据实时性，而忽略了所传输数据本身的有效性。对于这类应用来说，过时的信息仅具有较小的价值，因此，关注数据的新鲜度将有效提高边缘协作服务器资源的有效利用率。
信息年龄(AoI)是一个描述数据传输时间线的新兴参数，可以很好的度量所收集到的状态数据的新鲜度。它被定义为上次成功接收到的消息从生成以来所经过的时间，即在任意时刻t，宿端最新接收到的包i是在时刻Ti生成，则有系统信息年龄为t-Ti。在某些场景下，例如温度传感器用于监测环境温度，判断监测区域内是否发生火灾，其感知数据以较短周期频繁回传至用户端，并由多个边缘协作的服务器同时分流处理。但由于各个服务器状态不同，同一个源后到达服务器的包较先到达服务器的包先服务晚，这将导致先到达服务器的数据包成为无效数据包。
因此，亟需一种优化的边缘服务器资源调度方法，减少无效数据包因传输造成的资源浪费。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于针对单个源周期性回传数据的无线通信场景中，由于多服务器调度不佳导致数据包积压或大量无效包产生造成的资源有效利用率低的问题，提供一种基于信息年龄度量的边缘协作方法,考虑系统信息年龄，通过优化边缘服务器的资源调度，减少无效数据包的传输造成的资源浪费。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于信息年龄度量的边缘协作方法，首先，确定单源多服务器的到达和服务过程，实时判断有无待处理的包生成；其次，当包到达时，在最新的服务器空闲状态集合中，研究包处理对信息年龄的影响，以及该包成为无效信息的概率，由此匹配最优的边缘服务器进行服务，完成服务器资源的调度；最后，在数据传输完成后，输出丢弃包、无效包个数以及系统的平均信息年龄。该方法具体包括以下步骤：
S1：确定单源多服务器的到达和协作服务过程，确定数据包长度、数据包的到达间隔以及系统内边缘服务器的个数等，并由此确定检测数据包生成的周期；
S2：服务器状态集合更新：当新的数据包在检测周期内到达时，系统内的边缘服务器根据实际状况反馈其空闲/忙碌状态，由此能尽可能减少数据包在忙碌服务器队列中无效等待；同时，结合信道状态回传其当下的服务能力；
S3：资源调度：根据系统内边缘服务器的服务能力以及数据包的到达强度，分析数据包处理对系统信息年龄的影响以及该数据包成为无效数据包的概率，为新到达的数据包匹配最优的服务对象；
S4：服务需求检测：根据检测周期内是否有数据包产生判断单轮服务是否结束，若有新数据包到达，则返回步骤S2，否则进入步骤S5；
S5：输出调度结果：根据实际处理结果，输出单轮服务中无效数据包的个数、丢弃数据包的个数以及系统的平均信息年龄。
进一步，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21：当新的数据包在检测周期内到达时，系统内的边缘服务器根据实际情况反馈其空闲/忙碌状态，若边缘服务器处于忙碌状态，其将在下一个检测周期到达时，重新发送状态信息；
S22：空闲边缘服务器结合信道状态回传当下的服务能力。
进一步，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31：根据步骤S21得到的边缘服务器空闲状态集合，初步判断数据包是否直接丢弃，即若所有边缘服务器均处于忙碌状态，则丢弃该数据包，将该数据包记作丢弃数据包；
S32：对比待处理数据包的最优处理速率与步骤S22得到的边缘服务器服务能力，进行服务模式分流，具体分为单一服务器调度和多服务器调度；
S33：根据步骤S32的分流模式对数据包进行处理，若最优边缘服务器服务能力大于待处理数据包的最优处理速率，则属于单一服务器调度，此时总是调度处理数据包带来信息年龄最小的边缘服务器为所有数据包服务，在这种情况下，不会出现无效数据包和丢弃数据包；
S34：若最优边缘服务器服务能力小于待处理数据包的最优速率，则属于多服务器调度，即下一个数据包达时，必定有边缘服务器处于忙碌状态，考虑步骤S21得到的空闲服务器空闲状态集合，根据数据包成为无效数据包的概率以及数据包处理带来的系统信息年龄为新到达的数据包匹配最优服务对象。
更进一步，所述步骤S33中，处理一个数据包带来的系统平均信息年龄为
Figure BDA0002656397590000031
其中，Qi表示信息年龄，Yi表示数据包的到达间隔；Si表示数据包从源端到宿端所需的时间：Si＝D/Ri，D表示数据包长度；
选择服务能力为
Figure BDA0002656397590000032
的边缘服务器为到达的数据包进行服务，具体地
Figure BDA0002656397590000033
其中
Figure BDA0002656397590000034
为在空闲服务器状态集合中向上取整最贴近的服务能力对应的边缘服务器。
更进一步，所述步骤S34具体包括：定义有效数据包为在服务间隔中到达的承载着最新信息的数据包，即数据包m满足下式时为有效数据包；
Figure BDA0002656397590000035
其中，Yi表示数据包的到达间隔，Si表示数据包从源端到宿端所需的时间，m和j分别表示数据包序号；
定义无效数据包为数据包l到达宿端时，已经有比数据包l先生成的数据包k到达宿端，即tl＞tk，且tk′＞tl′；
无效数据包概率分析：以E1(i)表示一个数据包是有效的事件，以E2(n)表示一个数据包使先前n个数据包成为无效数据包的事件，由此定义
Figure BDA0002656397590000036
以
Figure BDA0002656397590000037
计算出一个数据包是无效数据包的概率为：
Figure BDA0002656397590000038
其中，λ表示平均到达速率，μ表示当前系统的服务强度，E[·]表示取函数的期望；
当前数据包到达宿端时，根据
Figure BDA0002656397590000039
判断其是否为有效数据包，若不是，则失效数据包数量Nl＝Nl+1；另外，初始时Nl＝0；
信息年龄分析：一个数据包使n个数据包成为无效数据包的概率为：
Figure BDA00026563975900000310
由此求解信息年龄
Figure BDA00026563975900000311
的三个必要因子：
Figure BDA0002656397590000041
Figure BDA0002656397590000042
Figure BDA0002656397590000043
从而计算出系统的信息年龄为：
Figure BDA0002656397590000044
此外，信息年龄由上下界取平均获取近似值为：
Figure BDA0002656397590000045
由此选择服务能力为
Figure BDA0002656397590000046
的为到达的数据包进行服务，具体地
Figure BDA0002656397590000047
进一步，所述步骤S5具体包括：
S51：等待当前忙时的边缘服务器完成数据包的处理；
S52：根据步骤S3的服务器调度结果，输出本轮服务中丢弃数据包的数量、失效数据包的数量和系统的信息年龄。
本发明的有益效果在于：本发明针对单个源周期性回传数据的无线通信场景中，解决由于多服务器调度不佳导致数据包积压或大量无效包产生造成的资源有效利用率低的问题。本发明可以有效地在保障数据新鲜度的同时，提高边缘服务器资源的有效利用率。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明的系统架构图；
图2为本发明中涉及网络的整体通信过程；
图3为本发明的信息年龄表征图；
图4为本发明资源调度方法的流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1～图4，本发明所述的基于信息年龄度量的边缘协作方法，具体包含以下步骤：
步骤1：确定单源多服务器的到达和协作服务过程，确定数据包长度Di、数据包的到达间隔Yi、系统内边缘服务器的个数等，并由此确定检测数据包生成的周期；本发明中，主要关注于单个源周期性回传固定大小的数据包，而多个服务能力动态变化的边缘服务器进行并行数据处理的场景。具体地，数据包的到达间隔均为Y秒，每个数据包的数据大小均为D bits，共有I个边缘服务器，由此得到检测数据包生成的周期与到达间隔同为Y秒，数据包到达强度为λ＝1/Y。
步骤2：服务器状态集合更新：当新的数据包在检测周期内到达时，系统内的边缘服务器根据实际状况反馈其空闲/忙碌状态，由此尽可能减少数据包在忙碌服务器队列中无效等待。同时，结合信道状态回传其当下的服务能力，具体包含以下步骤：
步骤2.1：当数据包在检测周期内到达时，系统的边缘服务器根据实际情况反馈其空闲/忙碌状态，得到服务器空闲状态集合为
Figure BDA0002656397590000051
若服务器处于忙碌状态，将在下一个检测周期到达时，重新发送状态信息；
步骤2.2：空闲边缘服务器结合信道状态回传当下的服务能力。具体地，Bi是第i个服务器与宿端的链路带宽，N0是加性高斯白噪声的频谱密度，pi是第i个边缘服务器的处理功率，gi是边缘服务器与宿端之间的信道功率增益，由此计算出步骤2.1中所有空闲边缘服务器的服务能力：
Figure BDA0002656397590000052
由此，得到当前系统的服务强度
Figure BDA0002656397590000053
E[·]表示取函数的期望。
步骤3：资源调度：根据系统内边缘服务器的服务能力以及数据包的到达强度，分析数据包处理对系统信息年龄的影响以及该数据包成为无效数据包的概率，为新到达的数据包匹配最优的服务对象，具体包含以下步骤：
步骤3.1：根据步骤2.1得到的服务器空闲状态集合，初步判断数据包是否直接丢弃。具体地，若反馈的空闲服务器集合为
Figure BDA0002656397590000061
则到达的数据包直接丢弃，丢弃数据包数量Na＝Na+1，初始时Na＝0。
步骤3.2：对比待处理数据包的最优处理速率与步骤2.2得到的服务器服务能力，进行服务模式分流，具体分为单一服务器调度和多服务器调度，其中待处理数据包的最优速率定义为数据包大小与数据包到达间隔之间的比值，即D/Y；
步骤3.3：根据步骤3.2分流模式对数据包进行处理，若最优边缘服务器的服务能力大于待处理数据包的最优处理速率，即D/Y＜max(Ri),i∈{1,2,…I}，则属于单一服务器调度，此时总是调度处理数据包带来信息年龄最小的边缘服务器为所有数据包服务，以Si表示数据包从源端到宿端所需的时间从图3信息年龄表征图可看出
Figure BDA0002656397590000062
以
Figure BDA0002656397590000063
简化Qi的表达，进一步地，
Figure BDA0002656397590000064
则服务一个数据包带来的系统平均信息年龄为
Figure BDA0002656397590000065
由于数据包长固定为D，则Si＝D/Ri，由此选择服务能力为
Figure BDA0002656397590000066
的边缘服务器为到达的数据包进行服务，具体地
Figure BDA0002656397590000067
其中
Figure BDA0002656397590000068
为在空闲服务器状态集合中向上取整最贴近的服务能力对应的边缘服务器。
此外，在这种情况下，假设没有突发意外状况，所有数据包仅需调用单个服务器即可完成一轮服务，不会出现无效数据包和丢弃数据包；
步骤3.4：若最优边缘服务器的服务能力小于待处理数据包的最优速率，即D/Y＞max(Ri),i∈{1,2,…I}，则属于多服务器调度，即下一个数据包达时，必定有服务器处于忙时。考虑步骤2.1得到的服务器空闲状态集合，根据数据包成为无效数据包的概率以及数据包处理的带来的系统信息年龄为新到达的数据包匹配最优服务对象。类似于步骤3.3，以Y和Si表示数据包的到达间隔和服务间隔。定义有效数据包为它相比于在它服务间隔中到达的其他数据包承载着最新的信息，即数据包m满足下式时为有效数据包；
Figure BDA0002656397590000069
无效数据包定义为数据包l到达宿端时，已经有比数据包l先生成的包k到达宿端，即tl＞tk，且tk′＞tl′。
无效数据包概率分析：以E1(i)表示一个包是有效的事件，以E2(n)表示一个数据包使先前n个数据包成为无效数据包的事件，由此定义
Figure BDA0002656397590000071
以
Figure BDA0002656397590000072
进一步计算出一个数据包是无效数据包的概率为
Figure BDA0002656397590000073
当前数据包到达宿端时，需要根据
Figure BDA0002656397590000074
判断其是否为有效数据包，若不是，则失效数据包数量Nl＝Nl+1。另外，初始时Nl＝0。
信息年龄分析：由于经过步骤3.1后，所有新达到数据包必定有空闲服务器直接为其服务，即不存在等待排队等待时间，此时信息年龄为
Figure BDA0002656397590000075
具体地，在事件
Figure BDA0002656397590000076
的成立前提下计算到达事件和服务时间的统计平均，其中服务时间的条件均值为：
Figure BDA0002656397590000077
到达时间的条件均值为：
Figure BDA0002656397590000078
其中
Figure BDA0002656397590000079
另外，到达时间二阶矩的条件期望为：
Figure BDA00026563975900000710
交叉项的条件期望为：
Figure BDA00026563975900000711
另外，由于多个服务器之间的服务过程是相互独立的，因此，事件E1(i)和事件E2(n)交集的概率是等于两个事件概率的乘积。具体地，E1(i)依赖于
Figure BDA00026563975900000712
和
Figure BDA00026563975900000713
E2(n)依赖于
Figure BDA00026563975900000714
和
Figure BDA00026563975900000715
其中所有地到达过程和服务过程都是相互独立的。由下式计算出一个数据包使n个包成为无效数据包的概率：
Figure BDA0002656397590000081
由此可得求解信息年龄
Figure BDA0002656397590000082
的三个必要因子：
Figure BDA0002656397590000083
Figure BDA0002656397590000084
Figure BDA0002656397590000085
从而计算出系统的信息年龄为：
Figure BDA0002656397590000086
为简化网络的计算复杂度，信息年龄可由上下界取平均获取近似值
Figure BDA0002656397590000087
由此，由此选择服务能力为
Figure BDA0002656397590000088
的为到达的数据包进行服务，具体地
Figure BDA0002656397590000089
步骤4：服务需求检测：根据检测周期内是否有包产生判断单轮服务是否结束，具体包含以下步骤：
步骤4.1：根据检测周期内是否有数据包产生，判断单轮服务是否结束，若有新数据包到达，则返回步骤二，否则进入步骤五；
步骤5：输出调度结果：根据实际处理结果，输出单轮服务中无效数据包的个数、丢弃数据包的个数以及系统的平均信息年龄。具体包含以下步骤：
步骤5.1：等待当前忙时的边缘服务器完成数据包的处理；
步骤5.2：根据步骤三的服务器调度结果，输出本轮服务中丢弃数据包的数量Na、失效数据包的数量Nl和系统的信息年龄
Figure BDA00026563975900000810
或近似系统信息年龄
Figure BDA00026563975900000811
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于信息年龄度量的边缘协作方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1：确定单源多服务器的到达和协作服务过程，确定数据包长度、数据包的到达间隔以及系统内边缘服务器的个数，并由此确定检测数据包生成的周期；
S2：服务器状态集合更新：当新的数据包在检测周期内到达时，系统内的边缘服务器根据实际状况反馈其空闲/忙碌状态；同时，结合信道状态回传其当下的服务能力；
S3：资源调度：根据系统内边缘服务器的服务能力以及数据包的到达强度，分析数据包处理对系统信息年龄的影响以及该数据包成为无效数据包的概率，为新到达的数据包匹配最优的服务对象；
S4：服务需求检测：根据检测周期内是否有数据包产生判断单轮服务是否结束，若有新数据包到达，则返回步骤S2，否则进入步骤S5；
S5：输出调度结果：根据实际处理结果，输出单轮服务中无效数据包的个数、丢弃数据包的个数以及系统的平均信息年龄。
2.根据权利要求1所述的边缘协作方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21：当新的数据包在检测周期内到达时，系统内的边缘服务器根据实际情况反馈其空闲/忙碌状态，若边缘服务器处于忙碌状态，其将在下一个检测周期到达时，重新发送状态信息；
S22：空闲边缘服务器结合信道状态回传当下的服务能力。
3.根据权利要求1所述的边缘协作方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31：根据边缘服务器空闲状态集合，初步判断数据包是否直接丢弃，即若所有边缘服务器均处于忙碌状态，则丢弃该数据包，将该数据包记作丢弃数据包；
S32：对比待处理数据包的最优处理速率与边缘服务器服务能力，进行服务模式分流，具体分为单一服务器调度和多服务器调度；
S33：根据分流模式对数据包进行处理，若最优边缘服务器服务能力大于待处理数据包的最优处理速率，则属于单一服务器调度，此时调度处理数据包带来信息年龄最小的边缘服务器为所有数据包服务；
S34：若最优边缘服务器服务能力小于待处理数据包的最优速率，则属于多服务器调度，即下一个数据包达时，必定有边缘服务器处于忙碌状态，根据数据包成为无效数据包的概率以及数据包处理带来的系统信息年龄为新到达的数据包匹配最优服务对象。
4.根据权利要求3所述的边缘协作方法，其特征在于，所述步骤S33中，处理一个数据包带来的系统平均信息年龄为
Figure FDA0002656397580000011
其中，Qi表示信息年龄，Yi表示数据包的到达间隔；Si表示数据包从源端到宿端所需的时间：Si＝D/Ri，D表示数据包长度；
选择服务能力为
Figure FDA00026563975800000212
的边缘服务器为到达的数据包进行服务，具体地
Figure FDA0002656397580000021
其中
Figure FDA0002656397580000022
为在空闲服务器状态集合中向上取整最贴近的服务能力对应的边缘服务器。
5.根据权利要求3所述的边缘协作方法，其特征在于，所述步骤S34具体包括：定义有效数据包为在服务间隔中到达的承载着最新信息的数据包，即数据包m满足下式时为有效数据包；
Figure FDA0002656397580000023
其中，Yi表示数据包的到达间隔，Si表示数据包从源端到宿端所需的时间，m和j分别表示数据包序号；
定义无效数据包为数据包l到达宿端时，已经有比数据包l先生成的数据包k到达宿端，即tl＞tk，且tk′＞tl′；
无效数据包概率分析：以E1(i)表示一个数据包是有效的事件，以E2(n)表示一个数据包使先前n个数据包成为无效数据包的事件，由此定义
Figure FDA0002656397580000024
以
Figure FDA0002656397580000025
计算出一个数据包是无效数据包的概率为：
Figure FDA0002656397580000026
其中，λ表示平均到达速率，μ表示当前系统的服务强度，E[·]表示取函数的期望；
信息年龄分析：一个数据包使n个数据包成为无效数据包的概率为：
Figure FDA0002656397580000027
由此求解信息年龄
Figure FDA0002656397580000028
的三个必要因子：
Figure FDA0002656397580000029
Figure FDA00026563975800000210
Figure FDA00026563975800000211
从而计算出系统的信息年龄为：
Figure FDA0002656397580000031
信息年龄由上下界取平均获取近似值为：
Figure FDA0002656397580000032
由此选择服务能力为
Figure FDA0002656397580000033
的为到达的数据包进行服务，具体地
Figure FDA0002656397580000034
6.根据权利要求1所述的边缘协作方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：
S51：等待当前忙时的边缘服务器完成数据包的处理；
S52：根据步骤S3的服务器调度结果，输出本轮服务中丢弃数据包的数量、失效数据包的数量和系统的信息年龄。
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