[发明专利]一种面向移动边缘计算的服务迁移与任务重路由平衡和资源管理在线优化方法

说明书

本发明公开了一种面向移动边缘计算的服务迁移与任务重路由平衡和资源管理在线优化方法，当移动设备发生边缘服务器接入切换时实现服务迁移和任务重路由之间的平衡，提供无缝且经济高效的计算服务。考虑到网络的动态性以及管理决策可能存在的异步性，包括随机的任务生成和时变的信道条件，本发明构建一个双时间尺度在线优化问题，以共同确定大时间尺度决策和小时间尺度决策，然后，基于改进的Lyapunov算法，结合随机舍入和拉格朗日对偶技术的迭代算法，使系统的长期平均服务时延达到渐近最优。

技术领域

本发明属于移动物联网的通信技术领域，具体涉及一种面向移动边缘计算的服务迁移与任务重路由平衡和资源管理在线优化方法。

背景技术

在6G、Web 3.0及其使能的智能移动设备的快速发展的驱动下，移动互联网的发展迅速。随着自动驾驶汽车、智能眼镜和触觉服等技术的发展，各种计算密集型、时延敏感的高科技应用应运而生，例如V2X通信、沉浸式扩展现实(XR)和人类数字孪生(HDT)。然而，移动设备本身很难满足云计算系统严格的服务要求这些资源紧缺的应用程序由于其基础设施限制。移动边缘计算(又称多接入边缘计算)通过使移动设备卸载重负载(即将计算任务)迁移到部署在无线接入点上的边缘服务器，从而提供相对低响应延迟的高处理能力。

由于在提高计算和通信效率方面的巨大潜力，移动边缘计算得到了大量的研究关注，包括接入选择与切换、服务迁移与应用放置以及计算与通信资源联合分配等。然而，仍然存在一些关键问题，特别是如何实现为异构的移动设备提供无缝且低成本的边缘计算服务，目前尚未得到妥善解决。直观地说，当一个移动设备从当前边缘服务器的无线覆盖范围离开时，无线接入切换可能会被触发。如果要继续为该设备提供边缘计算服务，一种常见的方法是将其所需的应用程序实例从曾经访问的边缘服务器迁移到新的边缘服务器。然而，正如欧洲电信标准所指出的，服务迁移本身可能会导致潜在的服务中断，因此，除了服务迁移，任务重路由应该被重视，以便将移动设备的计算任务重路由回其先前托管的服务器。显然，任务重路由虽然可以避免大规模应用迁移带来的开销，但也不可避免地带来延迟和能耗，因此，在移动边缘计算系统的优化管理中，如何平衡服务迁移和任务重路由是至关重要的，而这是非常具有挑战性的：

1)为了提高移动边缘计算系统的服务质量(QoS)，需要联合优化所有设备的接入选择、服务迁移、任务重路由以及传算资源分配，以最大化系统整体性能。然而，这些决策高度依赖于每个边缘服务器的缓存状态(即缓存中的应用实例)，通常是非线性的，而且接入选择、服务迁移和任务重路由决策是离散的，而计算和通信资源分配可能是连续的，这使得该优化问题成为一个混合整数非线性规划问题，即NP-hard。

2)在移动边缘计算系统中，由于信道条件的时变、设备的移动性以及任务生成的随机性，所有的优化决策(接入选择、服务迁移、任务重路由和资源分配)都需要动态调整。这就需要在线优化和长期的性能保证，然而这需要统计未来的网络动态，但是这些信息很难得到的。

3)对于每个移动设备，其接入选择、服务迁移和任务重路由可能不是实时变化的，因为频繁的接入切换会产生严重的多普勒频移，而频繁的服务迁移或任务重路由变化可能导致相当大的配置开销。相比之下，为了更好地应对时变的任务生成和信道状态，计算和通信资源分配需要更高的更新频率。这表明在线优化问题中的决策变量应该在不同的时间尺度上进行异步优化，而不是像传统研究那样只在一个时间尺度上进行优化。

发明内容

发明目的：本发明提供一种面向移动边缘计算的服务迁移与任务重路由平衡和资源管理在线优化方法，旨在最小化所有移动设备的长期平均服务时延，同时保证系统的稳定性和有限的能量消耗和充足的缓存能力，为移动设备提供无缝且经济高效的边缘计算服务。

一种面向移动边缘计算的服务迁移与任务重路由平衡和资源管理在线优化方法，包括如下步骤：

(1)构建由M个分布式边缘服务器以及I种异构的移动设备组成的移动边缘计算系统，该系统中每个移动设备均具待执行的计算密集型任务流，且移动设备的随机移动会触发其动态的接入连接切换；