基于邊緣計算的網絡時延精準控制方法研究

蔡國琛,池鴻源,蔡汝健

(中國移動通信集團廣東有限公司汕頭分公司,廣東 汕頭 515041)

0 引言

邊緣計算在市場上屬于一種基于現代化技術的衍生技術,作為一種全新的計算模式,核心目的是將計算內容與計算能力進行邊緣化處理。 目前,相關方面的研究仍屬于全新的領域,一經推行,便受到技術人員的重點關注。 當計算環境為邊緣場景時,可采用將網絡DNN 模型部署在邊緣節點的方式,通過對云端與前端的計算,掌握網絡運行現狀。 但在此過程中,邊緣計算的節點數量較多,僅依靠一個獨立的設備進行網絡信息采樣,是無法滿足前端計算與處理需求。 因此,可以認為目前大多數邊緣計算的范圍與能力受限,但依靠一個邊緣節點是無法完成網絡任務判斷的[1]。 同時,在深入此方面的研究中發現,現行網絡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、運行可靠性高、常規通信技術無法代替等優勢,但網絡信息在此種條件下進行管線傳輸,會受到外部環境與相關因素的干擾,此種干擾現象較為顯著,一旦沒有做好干擾項排除工作,便會造成網絡傳輸出現較高時延,而此種時延不僅會影響網絡傳輸質量,也會降低傳輸的效率[2]。

為解決此方面問題,緩解網絡時延對網絡傳輸的限制,本文引用邊緣計算,設計一種全新的網絡時延精準控制方法,以此提高網絡傳輸的綜合性能。

1 基于邊緣計算的網絡時延精準控制方法研究

1.1 網絡時延變化分析

為確保對網絡時延的精準控制,需要對網絡信道在傳輸信息時的時延變化進行分析。 當前端進行網絡信息的遠距離多信道同步傳輸時,網絡出現時延的主要原因包括:信道環境的變化、網絡傳輸頻率發生震動、信道傳輸攜帶量變化、網絡參數改變、傳輸距離改變、光譜信道的信道及寬度改變、傳輸距離變化、信號波長變化等[3]。 可將網絡時延表示為計算公式(1)。

公式(1)中:o表示為網絡信道傳輸時延;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。

完成上述計算后,考慮到通信傳輸信道傳輸環境的變化也會在一定程度上對傳輸效果造成影響,因此,需要將遠距離多信道傳輸鏈路作為基礎,對其進行網絡時延的描述,如公式(2)所示。

公式(2)中:VO表示為遠距離多信道傳輸鏈路網絡時延光纖波長,計算單位為μm;λ表示為傳輸效應;T表示為單程傳輸周期;Vodisp表示為網絡時延變化趨勢。 綜合上述計算公式,完成對網絡時延變化的分析。

1.2 基于邊緣計算的分支網絡傳輸補償

綜合上述分析結果可知,網絡時延受到多個外界因素的影響,為了降低時延,引進邊緣計算,進行分支網絡傳輸信道的補償[4]。 補償架構如圖1 所示。

圖1 網絡時延補償架構

圖1 中,通信網絡與補償節點之間的對接是通過邊緣計算實現,只有確保網絡通信邊緣具有可執行性,才能在節點進行網絡負載傳輸時,實現對信號傳輸的宏觀調控[5]。 在此過程中,假設被控前端表示為x,h表示為信號采樣周期,則網絡信號在空間中的邊緣表達式如公式(3)。

公式(3)中:k表示為網絡信號在空間中的邊緣參數;χ表示為網絡邊界;F表示為邊界條件;u表示為信道離散狀態。

在此過程中,為了降低邊緣參數對網絡信道傳輸性能的影響,采用內置預估器的方式,對被動信道與終端的實時狀態進行采樣與分析,同時增設一個信道隊列緩沖器,用于提高待傳輸對象的歷史輸出能力。 當設置緩沖器的參數表示為1.0 時,對應通信邊緣的控制信號分支傳輸量可表示為1.0 的倍數。 為了確保補償的連續性,可采用控制補償開關的方式,進行通信線路與信道的整體調控。 以此種方式確保補償指令執行的有效性,在網絡分支信道中,實現對信號發送時延、信息集中處理時延、信息傳播時延、隊列時延的精準調控,從而實現對網絡實驗的有效控制[6]。 綜上所述,完成基于邊緣計算的網絡時延精準控制方法設計。

2 實驗分析

上文從理論層面,對基于邊緣計算的網絡時延精準控制方法展開了詳細的設計與研究。 為了檢驗本次設計,選擇基于Lyapunov 函數的網絡時延控制方法作為傳統方法,進行對比實驗。

實驗前,使用網絡模擬裝置在終端設備上布設一個網絡場景,將網絡傳輸信道的分支結構部署在場景中,見圖2。 為確保對實驗中相關數據的有效獲取,引進深入學習框架,建立一個具有多分支結構的網絡DNN 模型,用于訓練傳輸信道不同分支信道的網絡信息。 對應的網絡分支信道為Network channel-1 ～Network channel-14,對接網絡環境與DNN 模型后,在網絡模擬器中進行網絡傳輸場景的分布與部署,定位在傳輸過程中的數據源、數據邊緣節點、云端服務設備等,確保網絡中所有設備保持一種全連接狀態后,連接網絡卷積層。 為了滿足實驗中異構網絡節點的通信需求,設定邊緣設備在網絡拓撲結構節點上。 在此基礎上,設定網絡有效傳輸參數,如表1 所示。

圖2 實驗網絡場景結構

表1 網絡傳輸參數設定

完成網絡傳輸相關參數的設定后,開啟前端的通信模擬器,進行網絡通信傳輸,使用DNN 模型進行網絡延遲的預測。 為了避免數據量冗余對網絡傳輸時延造成影響與干預,此次實驗隨機選擇3.0 個分支信道作為時延信息獲取信道。 實驗中,獲取信道在傳輸信息時的發送時延A1、處理時延A2、傳播時延A3、排隊時延A4,用“A1+A2+A3+A4”得出最終計算結果為A,A 表示為網絡總時延。 在網絡傳輸過程中,使用基于邊緣計算的網絡時延精準控制方法,與基于Lyapunov函數的網絡時延控制方法,對傳輸信道時延進行宏觀調控,獲取控制后時延總量,對比本文方法與傳統方法的網絡總時延,當本文方法的網絡總時延小于傳統方法的網絡總時延時,可以認為本文方法對網絡時延的控制效果較優;反之,當本文方法的網絡總時延大于傳統方法的網絡總時延時,可以認為本文方法對網絡時延的控制效果較差。 基于此種理論,整理實驗結果,對應的網絡時延精準控制結果如表2 所示。

整理表2 實驗數據可知,在本文控制方法的應用下,3 個分支信道的網絡時延分別為:6.56 ms,5.29 ms,5.93 ms;在傳統控制方法的應用下,3 個分支信道的網絡時延分別為:20.06 ms,19.17 ms,24.18 ms。 綜合實驗結果分析可知,本文方法3 個分支信道的網絡時延均小于最高單點延遲(即<10.0 ms),而傳統方法3 個分支信道的網絡時延均大于最高單點延遲(即>10.0 ms)。 得出此次對比實驗結論:相比基于Lyapunov 函數的網絡時延控制方法,本文設計的基于邊緣計算的網絡時延精準控制方法,對于網絡分支信道時延的控制效果更優,可保證分支信道時延控制在最高單點延遲范圍內。

表2 網絡時延精準控制結果

3 結語

為了降低網絡時延,提高網絡傳輸速度,本文從網絡時延變化分析、基于邊緣計算的分支網絡傳輸補償、基于GPC 算法的遠距離多信道時延控制3 個方面,對網絡時延精準控制方法展開了設計研究,并與基于Lyapunov 函數的網絡時延控制方法進行實驗對比,得出實驗結論:本文設計的控制方法,對于網絡分支信道時延的控制效果更優,可保證分支信道時延控制在最高單點延遲范圍內。 因此,可在后續的研究中,嘗試將本文方法投入市場使用,并結合市場的使用效果反饋,進一步完善與優化控制方法。 綜上所述,通過對時延有效控制,可以提高前端網絡傳輸服務質量,從而為終端需求群體提供更加優質與高效的通信服務。