蔡國(guó)琛,池鴻源,蔡汝健

(中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司汕頭分公司,廣東 汕頭 515041)

0 引言

邊緣計(jì)算在市場(chǎng)上屬于一種基于現(xiàn)代化技術(shù)的衍生技術(shù),作為一種全新的計(jì)算模式,核心目的是將計(jì)算內(nèi)容與計(jì)算能力進(jìn)行邊緣化處理。 目前,相關(guān)方面的研究仍屬于全新的領(lǐng)域,一經(jīng)推行,便受到技術(shù)人員的重點(diǎn)關(guān)注。 當(dāng)計(jì)算環(huán)境為邊緣場(chǎng)景時(shí),可采用將網(wǎng)絡(luò)DNN 模型部署在邊緣節(jié)點(diǎn)的方式,通過對(duì)云端與前端的計(jì)算,掌握網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行現(xiàn)狀。 但在此過程中,邊緣計(jì)算的節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多,僅依靠一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信息采樣,是無法滿足前端計(jì)算與處理需求。 因此,可以認(rèn)為目前大多數(shù)邊緣計(jì)算的范圍與能力受限,但依靠一個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)是無法完成網(wǎng)絡(luò)任務(wù)判斷的[1]。 同時(shí),在深入此方面的研究中發(fā)現(xiàn),現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸大多以光纖通道作為支撐,此種傳輸通道具有單程傳輸量大、運(yùn)行可靠性高、常規(guī)通信技術(shù)無法代替等優(yōu)勢(shì),但網(wǎng)絡(luò)信息在此種條件下進(jìn)行管線傳輸,會(huì)受到外部環(huán)境與相關(guān)因素的干擾,此種干擾現(xiàn)象較為顯著,一旦沒有做好干擾項(xiàng)排除工作,便會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)傳輸出現(xiàn)較高時(shí)延,而此種時(shí)延不僅會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量,也會(huì)降低傳輸?shù)男蔥2]。

為解決此方面問題,緩解網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)南拗?本文引用邊緣計(jì)算,設(shè)計(jì)一種全新的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延精準(zhǔn)控制方法,以此提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木C合性能。

1 基于邊緣計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延精準(zhǔn)控制方法研究

1.1 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延變化分析

為確保對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的精準(zhǔn)控制,需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)信道在傳輸信息時(shí)的時(shí)延變化進(jìn)行分析。 當(dāng)前端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信息的遠(yuǎn)距離多信道同步傳輸時(shí),網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)時(shí)延的主要原因包括:信道環(huán)境的變化、網(wǎng)絡(luò)傳輸頻率發(fā)生震動(dòng)、信道傳輸攜帶量變化、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)改變、傳輸距離改變、光譜信道的信道及寬度改變、傳輸距離變化、信號(hào)波長(zhǎng)變化等[3]。 可將網(wǎng)絡(luò)時(shí)延表示為計(jì)算公式(1)。

公式(1)中:o表示為網(wǎng)絡(luò)信道傳輸時(shí)延;l表示為信道帶寬;Q表示為信道傳輸距離;c表示為平均傳播速率。

完成上述計(jì)算后,考慮到通信傳輸信道傳輸環(huán)境的變化也會(huì)在一定程度上對(duì)傳輸效果造成影響,因此,需要將遠(yuǎn)距離多信道傳輸鏈路作為基礎(chǔ),對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的描述,如公式(2)所示。

公式(2)中:VO表示為遠(yuǎn)距離多信道傳輸鏈路網(wǎng)絡(luò)時(shí)延光纖波長(zhǎng),計(jì)算單位為μm;λ表示為傳輸效應(yīng);T表示為單程傳輸周期;Vodisp表示為網(wǎng)絡(luò)時(shí)延變化趨勢(shì)。 綜合上述計(jì)算公式,完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延變化的分析。

1.2 基于邊緣計(jì)算的分支網(wǎng)絡(luò)傳輸補(bǔ)償

綜合上述分析結(jié)果可知,網(wǎng)絡(luò)時(shí)延受到多個(gè)外界因素的影響,為了降低時(shí)延,引進(jìn)邊緣計(jì)算,進(jìn)行分支網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的補(bǔ)償[4]。 補(bǔ)償架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償架構(gòu)

圖1 中,通信網(wǎng)絡(luò)與補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)之間的對(duì)接是通過邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn),只有確保網(wǎng)絡(luò)通信邊緣具有可執(zhí)行性,才能在節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)負(fù)載傳輸時(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)暮暧^調(diào)控[5]。 在此過程中,假設(shè)被控前端表示為x,h表示為信號(hào)采樣周期,則網(wǎng)絡(luò)信號(hào)在空間中的邊緣表達(dá)式如公式(3)。

公式(3)中:k表示為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)在空間中的邊緣參數(shù);χ表示為網(wǎng)絡(luò)邊界;F表示為邊界條件;u表示為信道離散狀態(tài)。

在此過程中,為了降低邊緣參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)信道傳輸性能的影響,采用內(nèi)置預(yù)估器的方式,對(duì)被動(dòng)信道與終端的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行采樣與分析,同時(shí)增設(shè)一個(gè)信道隊(duì)列緩沖器,用于提高待傳輸對(duì)象的歷史輸出能力。 當(dāng)設(shè)置緩沖器的參數(shù)表示為1.0 時(shí),對(duì)應(yīng)通信邊緣的控制信號(hào)分支傳輸量可表示為1.0 的倍數(shù)。 為了確保補(bǔ)償?shù)倪B續(xù)性,可采用控制補(bǔ)償開關(guān)的方式,進(jìn)行通信線路與信道的整體調(diào)控。 以此種方式確保補(bǔ)償指令執(zhí)行的有效性,在網(wǎng)絡(luò)分支信道中,實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)發(fā)送時(shí)延、信息集中處理時(shí)延、信息傳播時(shí)延、隊(duì)列時(shí)延的精準(zhǔn)調(diào)控,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的有效控制[6]。 綜上所述,完成基于邊緣計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延精準(zhǔn)控制方法設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)分析

上文從理論層面,對(duì)基于邊緣計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延精準(zhǔn)控制方法展開了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與研究。 為了檢驗(yàn)本次設(shè)計(jì),選擇基于Lyapunov 函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延控制方法作為傳統(tǒng)方法,進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)前,使用網(wǎng)絡(luò)模擬裝置在終端設(shè)備上布設(shè)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景,將網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的分支結(jié)構(gòu)部署在場(chǎng)景中,見圖2。 為確保對(duì)實(shí)驗(yàn)中相關(guān)數(shù)據(jù)的有效獲取,引進(jìn)深入學(xué)習(xí)框架,建立一個(gè)具有多分支結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)DNN 模型,用于訓(xùn)練傳輸信道不同分支信道的網(wǎng)絡(luò)信息。 對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)分支信道為Network channel-1 ～Network channel-14,對(duì)接網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與DNN 模型后,在網(wǎng)絡(luò)模擬器中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸場(chǎng)景的分布與部署,定位在傳輸過程中的數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)邊緣節(jié)點(diǎn)、云端服務(wù)設(shè)備等,確保網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備保持一種全連接狀態(tài)后,連接網(wǎng)絡(luò)卷積層。 為了滿足實(shí)驗(yàn)中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信需求,設(shè)定邊緣設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)上。 在此基礎(chǔ)上,設(shè)定網(wǎng)絡(luò)有效傳輸參數(shù),如表1 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景結(jié)構(gòu)

表1 網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)設(shè)定

完成網(wǎng)絡(luò)傳輸相關(guān)參數(shù)的設(shè)定后,開啟前端的通信模擬器,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信傳輸,使用DNN 模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)延遲的預(yù)測(cè)。 為了避免數(shù)據(jù)量冗余對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延造成影響與干預(yù),此次實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選擇3.0 個(gè)分支信道作為時(shí)延信息獲取信道。 實(shí)驗(yàn)中,獲取信道在傳輸信息時(shí)的發(fā)送時(shí)延A1、處理時(shí)延A2、傳播時(shí)延A3、排隊(duì)時(shí)延A4,用“A1+A2+A3+A4”得出最終計(jì)算結(jié)果為A,A 表示為網(wǎng)絡(luò)總時(shí)延。 在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中,使用基于邊緣計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延精準(zhǔn)控制方法,與基于Lyapunov函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延控制方法,對(duì)傳輸信道時(shí)延進(jìn)行宏觀調(diào)控,獲取控制后時(shí)延總量,對(duì)比本文方法與傳統(tǒng)方法的網(wǎng)絡(luò)總時(shí)延,當(dāng)本文方法的網(wǎng)絡(luò)總時(shí)延小于傳統(tǒng)方法的網(wǎng)絡(luò)總時(shí)延時(shí),可以認(rèn)為本文方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的控制效果較優(yōu);反之,當(dāng)本文方法的網(wǎng)絡(luò)總時(shí)延大于傳統(tǒng)方法的網(wǎng)絡(luò)總時(shí)延時(shí),可以認(rèn)為本文方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的控制效果較差。 基于此種理論,整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延精準(zhǔn)控制結(jié)果如表2 所示。

整理表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在本文控制方法的應(yīng)用下,3 個(gè)分支信道的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分別為:6.56 ms,5.29 ms,5.93 ms;在傳統(tǒng)控制方法的應(yīng)用下,3 個(gè)分支信道的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分別為:20.06 ms,19.17 ms,24.18 ms。 綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知,本文方法3 個(gè)分支信道的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延均小于最高單點(diǎn)延遲(即<10.0 ms),而傳統(tǒng)方法3 個(gè)分支信道的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延均大于最高單點(diǎn)延遲(即>10.0 ms)。 得出此次對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)論:相比基于Lyapunov 函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延控制方法,本文設(shè)計(jì)的基于邊緣計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延精準(zhǔn)控制方法,對(duì)于網(wǎng)絡(luò)分支信道時(shí)延的控制效果更優(yōu),可保證分支信道時(shí)延控制在最高單點(diǎn)延遲范圍內(nèi)。

表2 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延精準(zhǔn)控制結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

為了降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延,提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度,本文從網(wǎng)絡(luò)時(shí)延變化分析、基于邊緣計(jì)算的分支網(wǎng)絡(luò)傳輸補(bǔ)償、基于GPC 算法的遠(yuǎn)距離多信道時(shí)延控制3 個(gè)方面,對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延精準(zhǔn)控制方法展開了設(shè)計(jì)研究,并與基于Lyapunov 函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比,得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論:本文設(shè)計(jì)的控制方法,對(duì)于網(wǎng)絡(luò)分支信道時(shí)延的控制效果更優(yōu),可保證分支信道時(shí)延控制在最高單點(diǎn)延遲范圍內(nèi)。 因此,可在后續(xù)的研究中,嘗試將本文方法投入市場(chǎng)使用,并結(jié)合市場(chǎng)的使用效果反饋,進(jìn)一步完善與優(yōu)化控制方法。 綜上所述,通過對(duì)時(shí)延有效控制,可以提高前端網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)質(zhì)量,從而為終端需求群體提供更加優(yōu)質(zhì)與高效的通信服務(wù)。