Một phương pháp giảm tải tối ưu năng lượng trong hệ thống điện toán biên di động

Trong bài viết này, một cơ chế chia tải được thực hiện luân phiên cho thiết bị hỗ trợ được đề xuất nhằm tối ưu năng lượng tổng thể của các thiết bị trong khi vẫn thỏa mãn các điều kiện ràng buộc về trễ và yêu cầu tính toán. Thuật toán đề xuất được chứng minh bằng phương pháp mô phỏng số cho thấy những ưu điểm nhất định của đề xuất này.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Một phương pháp giảm tải tối ưu năng lượng trong hệ thống điện toán biên di động Kỷ yếu Hội nghị KHCN Quốc gia lần thứ XIII về Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng Công nghệ thông tin (FAIR), Nha Trang, ngày 8-9/10/2020 DOI: 10.15625/vap.2020.00180 MỘT PHƯƠNG PHÁP GIẢM TẢI TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TOÁN BIÊN DI ĐỘNG Hoàng Trọng Minh1, Nguyễn Quốc Cường1, Dương Thị Lan1, Hoàng Thị Thu2 1 Khoa Viễn thông I, Học viện Công nghệ bƣu chính viễn thông 2 Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông CDIT, Học viện Công nghệ bƣu chính viễn thông hoangtrongminh@ptit.edu.vn, cuongnq.b16vt040@stu.ptit.edu.vn, landt.B16VT184@stu.ptit.edu.vn, thuht@ptit.edu.vn TÓM TẮT: Hiện nay, công nghệ tính toán biên đã và đang thu hút rất nhiều nghiên cứu do khả năng cung cấp tính toán phân tán, tối ưu năng lượng và cải thiện tốc độ xử lý cho các thiết bị đầu cuối. Các ưu điểm của tiếp cận điện toán biên có được nhờ sự chia sẻ nhiệm vụ tính toán giữa các thiết bị với nhau và với thiết bị truy nhập tại biên mạng. Giải pháp chia sẻ tải (offloading) cho các thiết bị hỗ trợ để tính toán một phần nhiệm vụ thay vì chuyển toàn bộ tính toán tới thiết bị tính toán biên di động MEC (Mobile Edge Computing) là phần cốt lõi của tiếp cận nhằm giảm độ trễ và tăng tốc xử lý. Tuy nhiên, đây là một bài toán tối ưu đa mục tiêu với đa ràng buộc và thuộc vào lớp bài toán NP-Hard. Vì vậy, một loạt các tiếp cận nâng cao hiệu năng mạng tính toán biên thông qua giải pháp chia tải vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu. Trong bài báo này, một cơ chế chia tải được thực hiện luân phiên cho thiết bị hỗ trợ được đề xuất nhằm tối ưu năng lượng tổng thể của các thiết bị trong khi vẫn thỏa mãn các điều kiện ràng buộc về trễ và yêu cầu tính toán. Thuật toán đề xuất được chứng minh bằng phương pháp mô phỏng số cho thấy những ưu điểm nhất định của đề xuất này. Từ khóa: Điện toán biên di động MEC, bài toán tối ưu, quy hoạch tuyến tính, truyền thông D2D, hiệu năng. I. GIỚI THIỆU Sự bùng nổ của các thiết bị và dịch vụ di động trong thời gian gần đây đem lại rất nhiều tiện ích cho ngƣời dùng và đã tạo ra một loạt các thách thức đối với hạ tầng mạng truyền thông. Các nhu cầu tính toán nhanh, hiệu quả của các thiết bị đầu cuối đã đòi hỏi các giải pháp mạng mới. Hệ thống điện toán đám mây, mạng sƣơng mù và điện toán biên (Edge Computing) là một trong các tiếp cận gần đây để giải quyết các nhu cầu xử lý tính toán và kết nối cho nền tảng internet vạn vật IoT (Internet of Things) [1]. IoT hiện đang xâm nhập vào cuộc sống hàng ngày của chúng ta, cung cấp các công cụ đo lƣờng và thu thập thông tin quan trọng để hỗ trợ các quyết định. Các cảm biến và thiết bị đầu cuối liên tục tạo dữ liệu và trao đổi thông tin qua hạ tầng truyền thông không dây bao gồm các truyền thông giữa máy với máy và tới các trung tâm tính toán thông minh. Là một chiến lƣợc để giảm bớt sự leo thang tắc nghẽn tài nguyên, điện toán biên đã trở thành một mô hình mới để giải quyết các nhu cầu của IoT và điện toán địa phƣơng hóa. Bên cạnh khả năng kết nối số lƣợng lớn thiết bị đầu cuối, việc giảm thời gian trễ truyền dẫn và hiệu quả năng lƣợng đã và đang là một chủ đề đƣợc nhiều nhà nghiên cứu và triển khai quan tâm tới mô hình điện toán biên hiện nay [2, 3]. Điện toán biên di động MEC (Mobile Edge Computing) là một giải pháp tính toán phân tán tại biên mạng cho các thiết bị di động kết nối qua các phƣơng tiện truyền dẫn không dây. MEC giảm áp lực tính toán tập trung cho điện toán đám mây và giảm độ trễ xử lý thông tin cho các yêu cầu tính toán từ thiết bị đầu cuối. Kiến trúc phân tán, cân bằng lƣu lƣợng này đƣợc triển khai trong trong hàng loạt các ứng dụng thực tế [4, 5]. Lĩnh vực nghiên cứu giảm tải tính toán nhằm giải quyết việc gửi các tác vụ tới các thiết bị đóng vai trò hỗ trợ (Helper) và tới máy chủ MEC. Các máy chủ có khả năng cung cấp nhiều tài nguyên tính toán hơn rất nhiều so với các thiết bị di động MD (Mobile Device) nhƣng độ trễ kết nối truyền thông lại rất lớn so với các kết nối trực tiếp giữa các MD. Với các yêu cầu nhiệm vụ từ các MD khác nhau, các chiến lƣợc cân giảm tải đƣợc đƣa ra để đồng thời thỏa mãn các ràng buộc để nâng cao hiệu năng mạng sử dụng MEC. Vì vậy, các mục tiêu giảm tải thƣờng gồm giảm mức tiêu thụ năng lƣợng và thời gian thực hiện bằng cách chia sẻ các nhiệm vụ theo yêu cầu [6, 7]. Nhằm thực hiện các chiến lƣợc giảm tải, các mô hình tính toán tập trung và phân tán tại vùng biên mạng đƣợc tiến hành với các kiến trúc đám mây nhỏ hoặc phi đám mây [8, 9]. Các giải pháp tối ƣu dựa trên heuristic hoặc giải tích toán học đƣợc đề xuất để tìm kiếm các hàm mục tiêu tối ƣu [10]. Tuy nhiên, theo sự hiểu biết tốt nhất của nhóm tác giả, tiếp cận lựa chọn sử dụng luân phiên các helper trong các yêu cầu giảm tải chƣa đƣợc đề cập tới các nghiên cứu trƣớc đây. Vì vậy, trong bài báo này sẽ trình bày một phƣơng pháp giảm tải tính toán trong hệ thống tính toán biên nhằm tối ƣu năng lƣợng thiết bị di động trong khi đáp ứng các yêu cầu tính toán đầu vào cùng với độ trễ theo yêu cầu. Bố cục của bài báo nhƣ sau: phần tiếp theo sẽ nêu rõ các nghiên cứu của các tác giả trƣớc có liên quan tới nội dung nghiên cứu, phần III sẽ trình bài mô hình bài toán, các giả thiết và chuyển mạch mô phỏng và phần cuối cùng sẽ trình bày về kết luận thu đƣợc cũng nhƣ hƣớng phát triển tiếp theo. II. CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN Xu hƣớng của điện toán biên là xử lý dữ liệu ngay gần nguồn với sự hỗ trợ từ chính các thiết bị di động đầu cuối. Các ứng dụng thông minh ngày càng tăng đã đặt ra các thách thức mới về xử lý dữ liệu thời gian thực cũng nhƣ tối ƣu tài nguyên. Nhằm thực hiện việc giảm tải cho tính toán cục bộ tại thiết bị và máy chủ MEC, mô hình giảm tải trong [11] đã đƣợc đề xuất theo kiểu nhị phân v ...