面向智慧社区物联网应用的计算任务卸载机制

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近年来,物联网蓬勃发展,视频直播、增强现实等物联网应用层出不穷,使生活环境变得更加“数字化”、“智慧化”成为人们追求的目标。智慧社区充分利用互联网、物联网等技术,将家庭的智能家居系统与社区的物联系统及服务整合,形成社区管理的一种新模式。在智慧社区中存在很多具有高时延敏感度的新型物联网应用,如交互式游戏、智能家居、智慧医疗等,智慧社区的发展目标之一便是缩短服务响应时间、提高“智慧化”体验。同时,随着社会和家庭对能源需求的不断增长,环境污染、能源濒临枯竭等问题愈发严重,智慧社区在致力于提高“智慧化”体验的同时,也将“绿色可持续”作为另一个发展目标。边缘计算凭借其将计算、存储等资源从云端下沉到更接近用户的位置的优势,解决了物联网应用终端设备对于计算性能、存储资源、能效等方面的需求。但是,在边缘计算与智慧社区的融合中还面临一些挑战,现有的通用解决方案对智慧社区场景“智慧化”、“绿色可持续”的针对性不足。一方面,现有关注时延的计算卸载机制没有考虑卸载时对相同数据文件的重复传输所造成的响应时间延长和资源浪费,常见的方式是将计算卸载问题和数据缓存问题分别独立求解,忽略了数据文件缓存会影响数据传输时间进而影响计算卸载决策。另一方面,在使用绿色能源的研究中,现有文献更多是面向具有能量收集装置的单个移动设备,讨论服务质量与可用功率之间的权衡,很少考虑到遍布智慧社区中的非移动智能终端设备(如智能摄像头、智慧安防设备等),现有研究在新场景中并不完全适用。针对智慧社区中具有较高时延敏感度的物联网应用场景,本文考虑在边缘服务器添加可共享缓存进一步降低由数据传输过程造成的延迟,提出了一种基于边缘共享缓存的计算卸载机制。首先,设计了一种基于价值的边缘缓存更新方法,最大化平均缓存价值、高效利用有限的缓存空间;然后,设计了一种基于贪心策略的两场景计算卸载方法,将时延增益设定为贪心策略,在已确定数据文件缓存状态的基础上研究卸载决策制定和计算资源分配;最后,通过仿真实验证明了所提机制相比另外四种对比算法的有效性。针对智慧社区中基于绿色供能的物联网应用场景,本文设计了一个更加灵活的基于本地能耗感知的计算卸载机制。本文考虑由并网光伏发电系统和储能设备供电的绿色智慧社区,首先,设计了本地能耗单位代价动态调节方法,以鼓励绿色能源的使用,控制非绿色能源的消耗,使得卸载决策过程更灵活和绿色环保;然后,设计了一种基于博弈论和拉格朗日乘子法的计算卸载方法,通过构建多用户博弈模型来研究计算卸载决策,通过对本地计算代价和边缘计算代价的分别优化来研究资源分配,并基于资源分配结果迭代更新卸载决策直到达到纳什均衡;最后,通过仿真实验证明了所提机制相比另外三种对比算法的有效性。
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