一种资源受限物联网场景下的边缘计算服务放置系统技术方案

本发明专利技术公开了一种资源受限物联网场景下的边缘计算服务放置系统，包括云端、边缘端和设备端，云端中设有多个云计算服务器，边缘端中设有多个边缘服务器，一个云计算服务器通过以太网管理至少一个边缘服务器，多组用户设置在设备端中，用户与边缘服务器通过无线链路传输数据，边缘服务器设置有服务放置决策，带宽资源分配决策和计算资源分配决策，本申请采用了边缘计算架构设计，能够有效降低云端的带宽和计算资源压力，本申请设计了物联网场景下边缘计算服务器的服务放置决策、计算资源分配决策以及带宽资源分配决策，减少了系统消耗的能量，并且本申请提出的算法具有普适性，适应于任意边缘计算服务器数量以及用户数量下的物联网边缘计算场景。联网边缘计算场景。联网边缘计算场景。

【技术实现步骤摘要】
一种资源受限物联网场景下的边缘计算服务放置系统


[0001]本专利技术属于移动边缘计算
，具体涉及一种资源受限物联网场景下的边缘计算服务放置系统。

技术介绍

[0002]随着物联网技术的发展，物联网终端设备数量急剧增加，并且终端设备的功能再不局限于感知，而是逐渐向智能终端方向发展，但是物联网终端节点的算力是极其有限的，只能将自身的计算任务卸载到其他具有丰富算力资源的设备上去。传统的云计算架构下，物联网设备与云端协同，由设备完成数据采集，云端接收设备的计算任务。
[0003]但是在传统云计算架构下，由于云端服务器往往距离终端设备较远，不免存在服务高延迟问题，并且随着物联网设备数量的增加，高频率上报的信息也为云端造成了较大的负担。
[0004]为了解决传统云端计算范式下引起的服务高时延问题，以及在物联网场景下大量的信息上报造成的云端压力问题，可以在更靠近端设备的近场侧引入边缘计算层，提供具有一定计算能力的设备来为端设备解决部分计算需求，文章在之后统称该类设备为边缘计算服务器。
[0005]边缘计算引入的意义不只是在于将计算资源下沉到更靠近于设备的近场，同时是将计算资源分散到近场，重点在于规模小、覆盖广，因此边缘计算不是在边缘端设立多个云计算节点，而是将云计算的部分计算能力分割下沉。考虑到此层因素以及成本原因，单个边缘服务器并不能提供云计算级别的计算能力，每一个边缘计算服务器的算力资源是极其有限的。
[0006]首先边缘计算服务器内的存储能力是有限的，每一个计算服务都会占用硬盘等存储资源来存储本身服务以及一些服务所必须的数据，比如在AR服务中，需要放置对象数据库以及视觉识别模型，以便能及时为用户提供分类和对象识别。
[0007]同时需要考虑带宽因素，服务需要用户上传请求以及数据，作为服务执行的输入，以及将输出下行回传至设备端。考虑设备端和边缘端通过无线信道传输，带宽的大小将直接影响请求传输的速率，因此需要根据当前辖区通信的拥塞情况来判断服务的放置决策。本文还会考虑计算资源的限制，该计算资源具体体现为CPU资源，一个计算服务所需的计算资源可以量化为完成服务所需的CPU周期数，边缘计算服务器会为每一个计算服务分配对应的计算资源，该分配策略同样会影响到服务请求的计算时延。
[0008]综上所述，由于边缘端的存储、带宽以及计算资源的限制，并且用户请求呈多样化分布，区域热点分布具有一定差异性等问题的存在，导致边缘端的负载均衡问题成为巨大的挑战，高负载的边缘计算服务器覆盖区域内的请求的服务质量将很难满足用户需求，服务放置策略就成为了解决以上问题的关键。
[0009]并且在边缘计算的场景下，服务放置策略与边缘服务器的资源分配是不可分割的两个问题，当制定出一个良好的服务放置策略时，边缘服务器的资源不加以考虑，可能会导
致边缘端的处理时延远大于云端，这与边缘端的设计初衷相悖，同样的，如果能制定出适宜的资源分配决策，也能在服务部署决策进一步优化边缘端的性能。

技术实现思路

[0010]为解决上述
技术介绍
中提出的问题，本专利技术提供一种资源受限物联网场景下的边缘计算服务放置系统，制定出边缘端最优的服务放置策略，并且根据设备端的服务质量要求，将边缘端和云端的计算资源进行分配，在尽可能满足端设备的时延要求的前提下，使得系统整体能耗最小化。
[0011]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0012]一种资源受限物联网场景下的边缘计算服务放置系统，包括：
[0013]云端；云端中设有多个云计算服务器；
[0014]边缘端；边缘端中设有多个边缘服务器，每一个边缘服务器均设有固定的覆盖区域，覆盖区域两两之间无重叠区域，一个云计算服务器通过以太网管理至少一个边缘服务器；
[0015]设备端；多组用户设置在设备端中，一个边缘服务器覆盖一组用户，在动态用户场景中，每个时隙内每一个边缘服务器覆盖区域内的用户数量服从泊松分布，用户与边缘服务器通过无线链路传输数据；
[0016]边缘服务器设置有根据边缘服务器硬盘大小、边缘服务器的服务类型、边缘服务器服务占用储存资源大小和服务的放置变量设计的服务放置决策；
[0017]边缘服务器设置有根据用户通信的拥塞情况设计的带宽资源分配决策；
[0018]边缘服务器还设置有根据边缘服务器的带宽资源分配决策、边缘服务器存储容量大小和边缘服务器CPU算力设计的计算资源分配决策。
[0019]优选地，边缘服务器存在多种资源限制：
[0020]每一个边缘服务器有存储容量限制，每一个边缘服务器e的硬盘大小为Storage
e
；
[0021]每一个边缘服务器有相应带宽资源限制，用于和用户在无线链路进行数据交互，边缘服务器e的带宽资源总量为B
e
；
[0022]边缘服务器e具有计算能力为Cycle
e
的CPU；
[0023]边缘端可以为用户提供服务，其中服务s集合以S表示；
[0024]每一个服务部署到边缘服务器都需要占用一定量存储资源，服务的大小为storage
s
；
[0025]每一个服务发出的请求的数据大小是固定的，服务s的数据大小表示为D
s
(t)；
[0026]边缘服务器或者是云端接收到服务s的请求时，服务s所需要的计算资源为F
s
(t)；
[0027]边缘服务器e覆盖区域内用户u的计算任务可以表述为：
[0028][0029]S
e,u
(t)指的是边缘服务器e覆盖范围下的用户u在t时间段所请求的服务类型；
[0030]F
e,u
(t)是边缘服务器e覆盖范围下的用户u在t时间段发出的请求所需的计算资源大小；
[0031]D
e,u
(t)是边缘服务器e覆盖范围下的用户u在t时间段发出的请求的数据量；
[0032]T
e,u,max
(t)是边缘服务器e覆盖范围下的用户u在t时间段为了保证服务质量请求所能容忍的最大时延。
[0033]优选地，设为服务的放置变量，该变量取值为0或1；
[0034]当取值为1时代表决策在边缘服务器e上放置服务s；
[0035]当取值为0时则是不在边缘服务器e上放置计算服务s；
[0036]每一个边缘服务器都有存储资源限制，因此任一边缘服务器e在任意时刻的放置决策需要满足如下条件：
[0037][0038]优选地，边缘服务器e会为其覆盖区域内的用户组U
e
(t)分配带宽资源，边缘服务器e的带宽总量为B
e
，设边缘服务器e为它覆盖范围内的用户u分配的带宽比例为那么在t时间段内边缘服务器e为其覆盖区域内的每一个用户u分配的带宽大小为：
[0039][0040]变量具有以下约束：
[0041][0042][0043]用户在边缘服务器覆本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种资源受限物联网场景下的边缘计算服务放置系统，其特征在于，包括：云端；云端中设有多个云计算服务器；边缘端；边缘端中设有多个边缘服务器，每一个边缘服务器均设有固定的覆盖区域，覆盖区域两两之间无重叠区域，一个云计算服务器通过以太网管理至少一个边缘服务器；设备端；多组用户设置在设备端中，一个边缘服务器覆盖一组用户，在动态用户场景中，每个时隙内每一个边缘服务器覆盖区域内的用户数量服从泊松分布，用户与边缘服务器通过无线链路传输数据；边缘服务器设置有根据边缘服务器硬盘大小、边缘服务器的服务类型、边缘服务器服务占用储存资源大小和服务的放置变量设计的服务放置决策；边缘服务器设置有根据用户通信的拥塞情况设计的带宽资源分配决策；边缘服务器还设置有根据边缘服务器的带宽资源分配决策、边缘服务器存储容量大小和边缘服务器CPU算力设计的计算资源分配决策。2.根据权利要求1所述的一种资源受限物联网场景下的边缘计算服务放置系统，其特征在于，边缘服务器存在多种资源限制：每一个边缘服务器有存储容量限制，每一个边缘服务器e的硬盘大小为Storage
e
；每一个边缘服务器有相应带宽资源限制，用于和用户在无线链路进行数据交互，边缘服务器e的带宽资源总量为B
e
；边缘服务器e具有计算能力为Cycle
e
的CPU；边缘端可以为用户提供服务，其中服务s集合以S表示；每一个服务部署到边缘服务器都需要占用一定量存储资源，服务的大小为storage
s
；每一个服务发出的请求的数据大小是固定的，服务s的数据大小表示为D
s
(t)；边缘服务器或者是云端接收到服务s的请求时，服务s所需要的计算资源为F
s
(t)；边缘服务器e覆盖区域内用户u的计算任务可以表述为：S
e,u
(t)指的是边缘服务器e覆盖范围下的用户u在t时间段所请求的服务类型；F
e,u
(t)是边缘服务器e覆盖范围下的用户u在t时间段发出的请求所需的计算资源大小；D
e,u
(t)是边缘服务器e覆盖范围下的用户u在t时间段发出的请求的数据量；T
e,u,max
(t)是边缘服务器e覆盖范围下的用户u在t时间段为了保证服务质量请求所能容忍的最大时延。3.根据权利要求2所述的一种资源受限物联网场景下的边缘计算服务放置系统，其特征在于，设为服务的放置变量，该变量取值为0或1；当取值为1时代表决策在边缘服务器e上放置服务s；当取值为0时则是不在边缘服务器e上放置计算服务s；每一个边缘服务器都有存储资源限制，因此任一边缘服务器e在任意时刻的放置决策需要满足如下条件：
4.根据权利要求3所述的一种资源受限物联网场景下的边缘计算服务放置系统，其特征在于，边缘服务器e会为其覆盖区域内的用户组U
e
(t)分配带宽资源，边缘服务器e的带宽总量为B
e
，设边缘服务器e为它覆盖范围内的用户u分配的带宽比例为那么在t时间段内边缘服务器e为其覆盖区域内的每一个用户u分配的带宽大小为：变量具有以下约束：具有以下约束：用户在边缘服务器覆盖范围内的位置随机分布，并且在不断移动；设用户在一个单位时间段内位置保持不变，d
e,u
(t)为在t时间段内边缘服务器e和用户u之间的距离，P
e,u
(t)为在t时间段内边缘服务器e的覆盖区域内用户u的发射功率；设单位距离的信道增益为H0，考虑信道存在噪声，并设噪声功率为N0；根据香农公式可得用户u在t时刻与边缘服务器e之间的可达传输速率表示为：边缘服务器e到云端的传输速率表示为设用户u所在区域内的边缘服务器为e，若边缘服务器缓存了用户...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨鲲，郭健，杜璇，
申请(专利权)人：河北百亚信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：