移动边缘计算中基于机器学习的资源分配算法研究文献综述

 2023-08-11 11:08

文献综述(或调研报告):

随着用户对网络的数据速率和服务质量(QoS)的服务要求越来越高,用户设备的中央处理器等硬件设施也越来越强大,但硬件的发展速度还是不能满足用户的需求,用户设备无法在短时间内处理需要大量资源的应用程序。同时,用户设备运行应用程序带来的高能耗仍是一个亟待解决的问题。

这推动了移动云计算的发展,即为移动用户提供云计算的发展。在移动云计算中,用户设备可以通过移动运营商和互联网的核心网络访问强大的远程集式云中的计算和存储资源。移动云计算有以下几个优点:1)通过将应用程序计算卸载到云端,可以延长电池寿命;2)用户设备可以运行复杂的应用程序;3)向用户提供更高的数据存储能力。

为了解决长延迟的问题,2014年,欧洲电讯标准协会(ETSI)创建的行业规范组(ISG)提出了移动边缘计算(MEC)的概念,即将边缘计算集成到移动网络体系结构中,移动边缘计算可以理解为云计算的一个具体案例。在传统的云计算中,云服务是通过网络连接访问的,而移动边缘计算在网络拓扑的结构上计算和存储资源更接近用户设备。因此,与云计算相比,移动边缘计算的延迟更短,抖动越小。云计算采用的是完全集中的方法,通常将云端放置在一个或几个固定的的计算机资源机房,而移动边缘计算则以完全分布式的方式部署。

在文献[1]中,学者主要论述了MEC技术,简要地调查了几个与MEC有关的研究工作,并通过关键属性介绍了MEC技术的分类。参考文献[2]则对各种边缘计算概念的安全问题进行了研究。为了将MEC纳入移动网络,ETSI积极参与了MEC标准化研究。虽然MEC的标准化还处于起步阶段,但ISG也发布了MEC标准化草案。该草案中[3]给出了与MEC相关的术语,该文件的主要目的是确保有关MEC的研究使用ETSI规范的相同术语,以便各个学者之间阅读和交流关于MEC的研究成果。MEC服务由MEC服务器提供,这些服务器有可供用户使用的计算和存储资源。结合移动通信网络的发展历史,ETSI给出两种在移动网络中部署MEC服务器的方案。第一种方案是选择直接在基站部署MEC服务器,同时,在全球各地均有遗留的网络部署的情况下,例如遗留的3G网络部署,MEC服务器也可以部署在3G无线电网络控制器上[4]。第二种方案是将MEC服务器放置在单元聚合站点或多个无线电接入技术(Radio Access Technology,RAT)聚合点上,这些聚合点可以部署在企业或公共地点的情况,例如购物中心、体育场、机场等。

目前学者们已经研究了MEC中关于任务卸载决策和资源分配的问题[5],对带云端无线接入网络的MEC也进行了研究[8]。但这些研究要么认为只有一个移动边缘计算平台(MEC)[5][6],要么认为所有移动边缘计算平台(MECs)有固定的位置[7][8]。上述两种方案在某些情况下是不可行的。单个移动边缘计算平台的资源是固定化的,它可能无法同时满足所有用户的计算资源需求;而固定位置的移动边缘计算平台缺乏灵活性,并不适用于用户数量和计算要求不断变化的情况。

为了解决上述问题,有学者提出了将MEC服务器集成到无人机上的解决方案[9],即无人机搭载MEC以向地面上的用户设备提供计算资源。随着无人机技术的发展,由于其具有成本低、灵活性高、易于部署等特点,近年来无人机受到了无线通信领域的广泛关注,目前已经研究了无人机在无线通信中作为基站[10]或移动中继器[11]的应用,取得了一些成果,为无人机应用于MEC技术提供了思路和经验。与传统的固定位置的MEC平台相比,无人机搭载移动边缘计算的方案特别适用于以下场景。1)临时事件发生的情况,例如许多人聚集在一起庆祝重大事件,观看演唱会或足球比赛等;2)紧急事件发生的情况,例如在地震时基础设施被摧毁后无法进行通信时;3)需要按需提供服务的情况。为实现MEC服务器中资源的合理分配,有学者提出结合强化学习来实现资源分配算法的优化。强化学习是智能体从状态到动作的映射,通常使用Q表来表示状态-动作值函数,智能体通过不断与环境进行交互,以此来更新Q表,并通过Q表来进行目标和行为决策[12]。

MEC作为边缘计算中的一种方案,在实现增强现实、无人驾驶和交互服务等新兴应用上打破了用户设备的硬件壁垒,能有效解决设备的电池和计算资源(如CPU、存储空间和内存)有限的问题,并满足了实时应用程序对延迟时间的严格要求,减少了用户设备的能量消耗。虽然目前对MEC的研究取得了良好的发展,但MEC仍是一种不成熟且高度依赖仿真的技术。MEC模式目前还面临着许多重要挑战,等待更多学者进行研究解决。最新关于移动边缘计算的研究主要是在场景非常简单的情况下进行模拟仿真,通过分析评估来验证解决方案的有效性。

参考文献:

[1] A. Ahmed, E. Ahmed, “A Survey on Mobile Edge Computing”, IEEE International Conference on Intelligent Systems and Control (ISCO 2016),1-8, 2016.

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