一种支持工业互联网业务应用的D2D计算卸载方法

技术领域

本发明涉及一种支持工业互联网业务应用的D2D计算卸载方法。

背景技术

工业互联网作为“新基建”的核心领域之一，可以将工业生产过程中的人、数据与机器连接起来，使工业生产过程数字化、自动化、智能化和网络化，提升生产效率、降低生产成本。工业互联网的发展，也促使了许多新的工业应用，例如智能电网、智慧交通，出现并日益普及。利用工业互联网，可以进行自动化地工业生产、环境监测以及城市救援。但是，这些应用通常都属于计算密集型应用，并且对延迟敏感，本地设备大多数都是计算能力有限的，难以满足这些任务的要求。在工业互联网环境下，工业生产还会涉及多种复杂的计算。同时，工业互联网也需要复杂密集的计算来支持工业生产的智能化、自动化。这些复杂应用对工业互联网设备造成了巨大压力。因此，如何解决工业互联网设备有限的资源与日趋庞大的工业互联网应用之间的矛盾，就成为了一个亟待解决的重要问题。

边缘计算是缓解这一矛盾的重要技术。通过在靠近终端设备的网络边缘部署边缘服务器，边缘计算可以为终端设备提供快速、灵活的计算服务。边缘计算可以利用计算卸载技术，将本地难以完成的复杂任务传输到边缘服务器进行处理，依靠边缘服务器强大的处理能力，更好地完成任务处理。在工业互联网环境下，工业互联网设备可以将本地等待处理的复杂任务通过网络传输到边缘服务器进行处理，提升工业生产的效率。

但是，工业生产的环境一般都是复杂多变的。在工业互联网环境下，本地设备通常是通过无线网络访问边缘服务器的。基站一般作为本地设备访问边缘服务器的访问接入点，并且，基站与边缘服务器一般是有线连接。在现有的研究中，研究者一般假设本地设备可以直接通过基站访问到边缘服务器。但是，在实际的工业互联网环境中，由于信号干扰、工业生产环境复杂恶劣，很可能出现网络不畅的情况。此时，工业互联网设备就处于盲区之中，难以通过基站连接边缘服务器，也就无法获得边缘服务器提供的任务处理能力。仅仅依靠工业互联网设备自身的计算能力，工业互联网业务应用则难以在规定的时间范围内完成，进而给工业生产造成难以估量的损失。此时，本地设备的有限资源与工业互联网应用的资源需求的冲突就成为了亟待解决的重要问题。D2D(Device to Device，设备间通信)技术则为解决盲区中工业互联网设备计算资源不足的问题提供了新的解决思路。D2D技术是一种邻近网络设备之间的通信技术。在通信系统或者无线网络中，一旦两个设备之间建立起了D2D通信链路，那么这两个设备之间的通信就无需网络核心设备的参与。利用D2D技术，本地设备可以直接参与通信，进而减少核心网络的通信压力，提升频谱利用效率。

虽然工业互联网设备处于盲区中时(称该设备为目标设备)，难以直接通过基站与边缘服务器通信，但是此时仍然有其他大量的工业互联网设备可以正常地获取边缘服务器的服务。考虑到D2D技术的卓越表现，这里可以利用一个可以与边缘服务器正常交互的本地工业互联网设备作为中继(称该设备为中继设备)，目标设备通过D2D技术与中继设备进行通信，进而将任务卸载到边缘服务器中。但是，工业生产中所采取的订单式生产模式，会导致本地设备所处理的数量随客户需求而发生变化，从而具备不确定性。大批量的订单会导致任务数量激增，单个中继设备的传输能力很可能难以支撑正常的工业生产。不仅如此，由于工业互联网中的本地设备众多，很可能会出现多个目标设备同时通过同一个中继传输任务的情况，此时中继设备的传输能力则会遭到挑战。

发明内容

发明目的：本发明旨在针对现有计算卸载方法在工业互联网场景中的不足，提出了一个支持工业互联网业务应用的D2D计算卸载方法。本发明中，称工业互联网设备所处的、难以通过基站和边缘服务器通信的区域为盲区，称该设备为目标设备。

本发明公开了一个支持工业互联网业务应用的D2D计算卸载方法，包括以下步骤：

步骤1：获取工业互联网环境中的设备分布状况；这些设备的分布信息在一个具体的工业场景中都是很容易得到的；所述设备包括基站、边缘服务器以及工业互联网设备。本发明中，工业互联网设备是指工业互联网环境中拥有计算、传输能力的设备，例如，监控设备；

步骤2：根据分布状况对工业互联网设备进行划分，能够直接通过与基站通信获取边缘服务器服务的工业互联网设备构成可用设备集合D

由于在工业环境中基站和边缘服务器的数量均可能不止一个，能和任意一个基站进行通信并获取到边缘服务器服务的工业互联网设备都应当作为可用设备集合D

步骤3：对于一个目标设备i∈D

步骤4：获取目标设备i中待计算的任务信息；

步骤5：基于与基站k连接的边缘服务器的计算能力

步骤6：输出最终的计算卸载策略，包括任务的卸载量、最终选择的用于任务传输的中继设备集合

步骤1中，所述基站分布在工业互联网环境中，记为集合B＝{1，2，...N}，本地设备记为集合D＝{1，2，...，M}；每一个基站都会配备一个边缘服务器，工业互联网设备能够通过访问基站来获取边缘服务器的服务。

步骤2中，D

步骤2对于互联网设备的划分中，需要注意的是，由于在工业环境中基站和边缘服务器的数量可能不止一个，能和任意一个基站进行通信获取边缘服务器服务的工业互联网设备都应当作为可用设备集合D

步骤2中还考虑了边缘服务器损坏或者满载的情况。因此，目标设备集合D

步骤3中，任意目标设备i∈D

本发明中，采用基于效用的方法来求解最终卸载到边缘服务器的任务量、最终选择的用于任务传输的中继设备集合

步骤4包括：获取目标设备i中待计算的任务信息m

步骤5中，所述计算卸载模型包括本地执行模型、边缘执行模型、传输模型和激励模型，具体包括：

本地执行模型：目标设备i中待计算的任务为m

边缘执行模型：目标设备i也可能将任务m

传输模型：在m

其中，

激励模型：边缘计算环境中普遍采取付费策略，用户需要为自己请求的服务支付相应的费用。本发明不仅考虑了边缘服务器的激励，还考虑了中继设备的激励策略。在实际的环境中，任意可以和基站通信的设备都可以作为中继，目标设备可以通过D2D技术与这些设备建立连接，进而获得边缘服务器的服务。为了激励这些设备参与到计算卸载的过程中，本发明设计了相应的激励策略。本发明中，用于传输数据的中继设备j的单位时间价格描述为

其中，α

拥有上述子模型后，本发明就可以构建支持工业互联网业务应用的D2D计算卸载模型。目标设备i的任务m

通过上述内容，可以获得目标设备i的任务m

为了解决问题，本发明中采取了基于效用的方法来确定最终的卸载方案。本发明中使用T

步骤5中，所述效用函数U

U

该函数有两个主要的影响因素：任务的执行时间、执行任务所需的费用。目标设备都是绝对理性的，它们会通过合理的策略选择使得自身的效用最大。

为了求解出上式的最大值，需要首先确定集合的选择策略。具体来说，需要先进行设备集合划分。初始的设备集合D包括所有的工业互联网设备，本发明按照工业互联网设备是否可以获取边缘服务器服务将集合D分为D

本发明中，卸载策略的确定包含三个部分：一是选出合适的中继设备集合

本发明中，

对于计算卸载的时间，它包含：任务本地执行时间、任务的边缘执行时间以及任务传输耗费的时间。与

步骤5中，所述利用基于效用的方法得出最终的计算卸载策略，具体包括：

步骤5-1，设定

步骤5-2，计算传输耗时

根据如下公式计算出

步骤5-3，得到如下分段函数：

在上述分段函数中，令

当t

可知，

当

当

当t

此时，U

步骤5-4，记录最大的效用值，以及此时的α

步骤6中，所述最终的计算卸载策略包括任务的卸载量、最终选择的用于任务传输的中继设备集合

本发明首先按照工业互联网设备是否可以直接获取边缘服务器的服务将工业互联网设备划分为两个集合D

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1)将计算卸载方法应用到了工业互联网这一实际场景中，考虑了工业互联网中复杂环境对边缘计算的影响，提出了支持工业互联网业务应用的计算卸载方法。

2)引入了基于D2D技术的卸载方法，让处于盲区中，无法和基站直接通信的本地设备也可以将计算任务通过基站传输到边缘服务器执行。

3)考虑到工业互联网中订单式生产容易造成短时间内大量任务同时到达的情况，此时单个中继设备可能无法同时支持大量任务的传输，因此本发明提出了多中继辅助卸载方案，让基于D2D技术的计算卸载方法在峰值场景下也可以很好的支持工业互联网业务应用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明流程图。

具体实施方式

本发明公开了一种支持工业互联网业务应用的D2D计算卸载方法，该方法的流程图如附图1所示，具体的流程如下：

步骤1：获取工业互联网环境中的设备分布状况，包括基站、边缘服务器、工业互联网设备；

步骤2：对工业互联网设备进行划分，可以直接和基站进行通信并获取到边缘服务器服务的工业互联网设备构成可用设备集合D

步骤3：对于一个目标设备i∈D

步骤4：获取目标设备i中待计算的任务信息m

步骤5：基于与基站k连接的边缘服务器的计算能力

该步骤是D2D计算卸载方法的核心步骤，具体而言又可以分为如下几小步：

(1)构造支持工业互联网业务应用的D2D计算卸载模型。具体而言，该模型由本地执行模型、边缘执行模型、传输模型、激励模型。

(1.1)本地执行模型：目标设备i中待计算的任务为m

(1.2)边缘执行模型：目标设备i也可能将任务m

(1.3)传输模型：在m

这里，

(1.4)激励模型：边缘计算环境中普遍采取付费策略，用户需要为自己请求的服务支付相应的费用。本发明不仅考虑了边缘服务器的激励，还考虑了中继设备的激励策略。在实际的环境中，任意可以和基站通信的设备都可以作为中继，目标设备可以通过D2D技术与这些设备建立连接，进而获得边缘服务器的服务。为了激励这些设备参与到计算卸载的过程中，本发明设计了相应的激励策略。本发明中，用于传输数据的中继设备j的单位时间价格描述为

这里，α

拥有上述子模型后，本发明就可以构建支持工业互联网应用的D2D计算卸载模型。目标设备i的任务m

本发明中采取了基于效用的方法来确定最终的卸载方案。本发明中使用T

U

(2)基于已经得到的计算卸载模型，本发明采用效用最大化的方法来得到最终的D2D计算卸载策略。本发明采用如下四步方法：

(2.1)假设

(2.2)计算传输耗时

此时，可以计算出

(2.3)基于上述两步的计算，可以进一步得出α

在上述分段函数中，

可知，

当t

此时，U

(2.4)记录最大的效用值，以及此时的α

步骤6：输出最终的计算卸载策略，包括任务的卸载量、最终选择的用于任务传输的中继设备集合

实施例

本实例采用了A城市一个智能工厂的基站、边缘服务器、工业互联网设备布局和任务数据进行实验。对于该工厂，有3个基站B＝{b

首先，基于基站的位置对工业互联网设备进行分类，可以直接和基站通信的工业互联网设备构成可用设备集合D

其次，为了使目标设备集合中的设备可以通过D2D通信的方式将任务传输到边缘服务器进行处理，需要为目标设备集合中的每个目标设备构建待选中继设备集合，这里的构建依据主要是两个设备之间的距离。依据dist(i，j)≤l，下表1给出了每个目标设备的待选中继设备集合

表1

当目标设备执行工业互联网任务时，囿于自身的性能，就需要通过计算卸载，将任务传输到边缘服务器执行。但是目标设备自身无法直接通过基站将任务传输到边缘服务器，就需要利用D2D技术，通过待选中继设备集合中的部分或全部设备来协助任务的传输。以目标设备7为例，当目标设备7接收到任务m

为此，目标设备7首先设置最终的中继设备集合

进而可以得到传输时间为：

集合

可以得到使得效用值U

将中继设备集合

本发明提供了一种支持工业互联网业务应用的D2D计算卸载方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。