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计算卸载论文阅读01-理论梳理

标题:When Learning Joins Edge: Real-time Proportional Computation Offloading via Deep Reinforcement Learning

会议:ICPADS 2019

一、梳理

问题:在任务进行卸载时,往往忽略了任务的特定的卸载比例。

模型:针对上述问题,我们提出了一种创新的强化学习(RL)方法来解决比例计算问题。我们考虑了一种常见的卸载场景,该场景具有时变带宽和异构设备,并且设备不断生成应用程序。对于每个应用程序,客户端必须选择本地或远程执行该应用程序,并确定要卸载的比例。我们将该问题制定为一个长期优化问题,然后提出一种基于RL的算法来解决该问题。基本思想是估计可能决策的收益,其中选择收益最大的决策。我们没有采用原来的深度Q网络(DQN),而是通过添加优先级缓冲机制专家缓冲机制,提出了Advanced DQN(ADQN),分别提高了样本的利用率和克服了冷启动问题。

目的:最小化时延和能耗的权值和(优化参数:用户卸载策略卸载的比例)。

算法:ADQN。

二、模型细节与算法

2.1系统模型

计算卸载主要包含: 本地计算和边缘计算

1、本地计算:用户U_i在时隙t_j时的计算时延(计算时延和排队时延)和能耗为

T_{ij}^{l}=D_{ij}^{l}+t_{q}^{l}=\frac{\omega B_{ij}Q_{y_{ij}}}{f_{ij}^{l}}+t_{q}^{l}

E_{ij}^{l}=e_lB_{ij}Q_{y_{ij}}

其中B_{ij}表示任务大小,Q_{y_{ij}}表示本地计算任务的比例

2、边缘计算:包含时延(上下行传输时延+执行时延+排队时延)和能耗
T_{ij}^{r}=D_{ij}^{r}+t_q^r=\frac{\omega B_{ij}P_{y_{ij}}}{F_{ij}^r}+\frac{B_{ij}P_{y_{ij}}}{r_{ul}^{ij}}+\frac{\omega^s B_{ij}}{r_{dl}^{ij}} + t_q^r

E_{ij}^r=e_r B_{ij}P_{y_{ij}}

其中P_{y_{ij}}表示卸载到边缘服务器的比例,\omega^s表示每单位计算任务处理后得到的结果大小。

3、总的时延与能耗成本

W_{ij}=\lambda \max (T_{ij}^r,T_{ij}^l)+\beta(E_{ij}^r+E_{ij}^l)

2.2优化目标

\min \sum_{t_j=1}^{T}[W_{ij}]

       {\tt s.t.}   f_{x_{ij}}^r \leqslant F_{x_{ij}}^r, f_{x_{ij}}^l \leqslant F_{x_{ij}}^l

                r_{ul}^{ij} \leqslant R_{ul}^i, r_{dl}^{ij} \leqslant R_{dl}^i

                x_{ij} \in {1,2,...,m},y_{ij} \in {1,2,...,n}

2.3 State、Action和Reward

1、状态空间:

状态空间包含:(数据大小、本地CPU频率,local可用计算资源,上行速率,下行速率,ES可用计算资源)

2、动作空间:

动作空间包含:(用户选择ES的策略,任务卸载比例)

3、奖励:

奖励:R=\frac{W_l - W(s,a)}{W_l}

W_l表示本地计算成本,W(s,a)表示部分卸载产生的成本。

2.4代码

计算卸载环境代码:

import math
import copy
import numpy as npclass ENV():def __init__(self, UEs=3, MECs=7, k=33, lam=0.5):self.UEs = UEsself.MECs = MECsself.k = kq = np.full((k, 1), 0.)p = np.linspace(0, 1, k).reshape((k, 1))# Create Actionfor i in range(MECs - 1):a = np.full((k, 1), float(i + 1))b = np.linspace(0, 1, k).reshape((k, 1))q = np.append(q, a, axis=0)p = np.append(p, b, axis=0)  # 231(33 * 7) * 33self.actions = np.hstack((q, p))  # 231 * 2self.n_actions = len(self.actions)  # 231self.n_features = 3 + MECs * 3  # 3 + 7 * 3self.discount = 0.01# 基本参数# 频率self.Hz = 1self.kHz = 1000 * self.Hzself.mHz = 1000 * self.kHzself.GHz = 1000 * self.mHzself.nor = 10 ** (-7)self.nor1 = 10 ** 19# 数据大小self.bit = 1self.B = 8 * self.bitself.KB = 1024 * self.Bself.MB = 1024 * self.KB# self.task_cpu_cycle = np.random.randint(2 * 10**9, 3* 10**9)self.UE_f = np.random.randint(1.5 * self.GHz * self.nor, 2 * self.GHz * self.nor)  # UE的计算能力self.MEC_f = np.random.randint(5 * self.GHz * self.nor, 7 * self.GHz * self.nor)  # MEC的计算能力# self.UE_f = 500 * self.mHz     # UE的计算能力# self.MEC_f = np.random.randint(5.2 * self.GHz, 24.3 * self.GHz)  # MEC的计算能力self.tr_energy = 1  # 传输能耗self.r = 40 * math.log2(1 + (16 * 10)) * self.MB * self.nor  # 传输速率# self.r = 800 # 传输速率self.ew, self.lw = 10 ** (-26), 3 * 10 ** (-26)  # 能耗系数# self.ew, self.lw = 0.3, 0.15 # 能耗系数self.et, self.lt = 1, 1self.local_core_max, self.local_core_min = 1.3 * self.UE_f, 0.7 * self.UE_fself.server_core_max, self.server_core_min = 1.3 * self.MEC_f, 0.7 * self.MEC_fself.uplink_max, self.uplink_min = 1.3 * self.r, 0.7 * self.rself.downlink_max, self.downlink_min = 1.3 * self.r, 0.7 * self.rself.lam = lamself.e = 1def reset(self):# 初始化环境,状态空间obs = []servers_cap = []new_cap = Truefor i in range(self.UEs):uplink, downlink = [], []# np.random.seed(np.random.randint(1, 1000))# task_size = np.random.randint(2 * 10**8 * self.nor, 3 * 10**8 * self.nor) #   任务大小task_size = np.random.randint(1.5 * self.mHz, 2 * self.mHz)  # 任务大小# self.task_size = self.task_size * self.task_cpu_cycle                     # 处理一个任务所需要的cpu频率# task_cpu_cycle = np.random.randint(2 * 10**9 * self.nor, 3 * 10**9 * self.nor)task_cpu_cycle = np.random.randint(10 ** 3, 10 ** 5)local_comp = np.random.randint(0.9 * self.UE_f, 1.1 * self.UE_f)  # UE的计算能力for i in range(self.MECs):up = np.random.randint(0.9 * self.r, 1.1 * self.r)down = np.random.randint(0.9 * self.r, 1.1 * self.r)if new_cap:cap = np.random.randint(0.9 * self.MEC_f, 1.1 * self.MEC_f)  # MEC计算能力servers_cap.append(cap)uplink.append(up)downlink.append(down)observation = np.array([task_size, task_cpu_cycle, local_comp])observation = np.hstack((observation, servers_cap, uplink, downlink))obs.append(observation)new_cap = Falsereturn obsdef choose_action(self, prob):"""根据概率选择动作:param prob::return:"""action_choice = np.linspace(0, 1, self.k)actions = []for i in range(self.UEs):a = np.random.choice(a=(self.MECs * self.k), p=prob[i])target_server = int(a / self.k)percen = action_choice[a % self.k]action = [target_server, percen]actions.append(action)return actionsdef step(self, observation, actions_prob, is_prob=True, is_compared=True):if is_prob:actions = self.choose_action(actions_prob)else:actions = actions_probnew_cap = Falseobs_ = []rew, local, ran, mec = [], [], [], []dpg_times, local_times, ran_times, mec_times = [], [], [], []dpg_energys, local_energys, ran_energys, mec_energys = [], [], [], []total = []a, b, c, d = 0, 0, 0, 0for i in range(self.UEs):if i == self.UEs - 1:new_cap = True# 提取信息task_size, task_cpu_cycle, local_comp, servers_cap, uplink, downlink = \observation[i][0], observation[i][1], observation[i][2], observation[i][3:3+self.MECs], observation[i][3+self.MECs:3+self.MECs*2], observation[i][3+self.MECs*2:3+self.MECs*3]action = actions[i]target_server, percen = int(action[0]), action[1]# 计算奖励# 1=======部分卸载==========# 卸载及回传数据产生的时延和能耗tr_time = (percen * task_size) / uplink[target_server] + self.discount * (percen * task_size) / downlink[target_server]tr_energy = (self.tr_energy * percen * task_size) / uplink[target_server] + self.discount * (self.tr_energy * percen * task_size) / downlink[target_server]# 本地计算时延和能耗comp_local_time = task_cpu_cycle * (1 - percen) / (local_comp)comp_local_energy = self.lw * task_cpu_cycle * (1 - percen) * local_comp ** 2# 边缘计算时延和能耗comp_mec_time = (percen * task_cpu_cycle) / servers_cap[target_server]comp_mec_energy = self.ew * percen * task_cpu_cycle * servers_cap[target_server] ** 2# 最大计算时延comp_time = max(comp_local_time, comp_mec_time)time_cost = (comp_time + tr_time) * self.et# 能耗成本energy_cost = (tr_energy + comp_local_energy + comp_mec_energy) * self.e# 总成本total_cost = self.lam * time_cost + (1 - self.lam) * energy_cost# 2、=======完全本地计算==========local_only_time = task_cpu_cycle / (local_comp) * self.etlocal_only_energy = self.lw * task_cpu_cycle * local_comp ** 2 * self.e# local_only_energy = task_size * local_complocal_only = self.lam * local_only_time + (1 - self.lam) * local_only_energy# 3、=======完全边缘计算==========mec_only_tr_time = task_size / uplink[target_server] + self.discount * task_size / downlink[target_server]mec_only_tr_energy = self.tr_energy * task_size / uplink[target_server] + self.discount * self.tr_energy * task_size / downlink[target_server]# print("mec_only_tr_time:", mec_only_tr_time)# print("mec_only_tr_energy:", mec_only_tr_energy)mec_only_comp_time = task_cpu_cycle / servers_cap[target_server]mec_only_comp_energy = self.ew * task_cpu_cycle * servers_cap[target_server] ** 2# mec_only_comp_energy = task_size * servers_cap[target_server]# print("mec_only_comp_time:", mec_only_comp_time)# print("mec_only_comp_energy:", mec_only_comp_energy)mec_only_time_cost = (mec_only_tr_time + mec_only_comp_time) * self.etmec_only_energy_cost = (mec_only_tr_energy + mec_only_comp_energy) * self.emec_only = self.lam * mec_only_time_cost + (1 - self.lam) * mec_only_energy_cost# 4、=======随机卸载==========percen_ran = np.random.uniform()  # 随机卸载比例mec_ran = np.random.randint(self.MECs)  # 随机选择一个服务器进行卸载random_tr_time = (percen_ran * task_size) / uplink[mec_ran] + (self.discount * percen_ran * task_size) / \downlink[mec_ran]random_tr_energy = (self.tr_energy * percen_ran * task_size) / uplink[mec_ran] + self.discount * (self.tr_energy * percen_ran * task_size) / downlink[mec_ran]random_comp_local_time = (1 - percen_ran) * task_cpu_cycle / local_comprandom_comp_local_energy = self.lw * (1 - percen_ran) * task_cpu_cycle * local_comp ** 2# random_comp_local_energy = (1 - percen_ran) * task_size * local_comprandom_comp_mec_time = percen_ran * task_cpu_cycle / servers_cap[mec_ran]random_comp_mec_energy = self.ew * percen_ran * task_cpu_cycle * servers_cap[mec_ran] ** 2# random_comp_mec_energy = percen_ran * task_size * servers_cap[mec_ran]random_comp_time = max(random_comp_local_time, random_comp_mec_time)random_time_cost = (random_comp_time + random_tr_time) * self.etrandom_energy_cost = (random_tr_energy + random_comp_local_energy + random_comp_mec_energy) * self.erandom_total = self.lam * random_time_cost + (1 - self.lam) * random_energy_costrandom_total_cost2 = random_energy_costreward = -total_cost# 得到下一个observationx = np.random.uniform()y = 0.5if x > y:local_comp = min(local_comp + np.random.randint(0, 0.2 * self.UE_f), self.local_core_max)for j in range(self.MECs):cap = min(servers_cap[j] + np.random.randint(0, 0.3 * self.UE_f), self.server_core_max)# MEC容量保持一致if new_cap:for x in range(self.UEs):observation[x][2 + j] = capdownlink[j] = min(downlink[j] + np.random.randint(0, 0.2 * self.r), self.downlink_max)uplink[j] = min(uplink[j] + np.random.randint(0, 0.2 * self.r), self.uplink_max)else:local_comp = max(local_comp + np.random.randint(-0.2 * self.UE_f, 0), self.local_core_min)for j in range(self.MECs):# MEC容量保持一致if new_cap:cap = max(servers_cap[j] + np.random.randint(0, 0.3 * self.UE_f), self.server_core_max)for x in range(self.UEs):observation[x][2 + j] = capdownlink[j] = max(downlink[j] - np.random.randint(0, 0.2 * self.r), self.downlink_min)uplink[j] = max(uplink[j] - np.random.randint(0, 0.2 * self.r), self.uplink_min)task_size = np.random.randint(10, 50)task_cpu_cycle = np.random.randint(10 ** 3, 10 ** 5)  # 处理任务所需要的CPU频率observation_ = np.array([task_size, task_cpu_cycle, local_comp])observation_ = np.hstack((observation_, servers_cap, uplink, downlink))obs_.append(observation_)rew.append(reward)local.append(local_only)mec.append(mec_only)ran.append(random_total)dpg_times.append(time_cost)local_times.append(local_only_time)mec_times.append(mec_only_time_cost)ran_times.append(random_time_cost)dpg_energys.append(energy_cost)local_energys.append(local_only_energy)mec_energys.append(mec_only_energy_cost)ran_energys.append(random_energy_cost)total.append(total_cost)if is_compared:return obs_, rew, local, mec, ran, dpg_times, local_times, mec_times, ran_times, dpg_energys, local_energys, mec_energys, ran_energys, totalelse:return obs_, rew, dpg_times, dpg_energys

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