[发明专利]面向信息物理系统的可靠边缘-云计算服务延迟优化方法

说明书

本发明公开了一种面向信息物理系统的可靠边缘‑云计算服务延迟优化方法，该方法为结合静态和动态两阶段的服务延迟优化方法，在静态阶段，采用蒙特卡罗模拟和整数线性规划来寻找最优计算卸载映射和任务备份数量。在动态阶段，提出了一种自适应备份的动态机制，以避免冗余的数据传输和执行，从而实现额外的节能和业务延迟的增强。本发明解决了在能量预算和可靠性要求约束下，耦合CPS的边缘云计算服务延迟最小化问题，通过结合静态阶段和动态阶段进行服务延迟优化，有效减少了系统服务延迟。

技术领域

本发明属于计算机网络的边缘计算技术领域，尤其涉及面向信息物理系统的可靠边缘-云计算服务延迟优化方法。

背景技术

近年来，随着信息技术的发展，信息物理系统(cyber-physical systems,CPS)应用广泛，如自动汽车系统、医疗保健监控、过程控制系统等，具体如图1所示。对于CPS应用程序，服务延迟管理对于为终端用户提供高质量的体验是非常重要的。边缘云计算融合了边缘计算和云计算，被认为是一种很有前途的计算模式，可以在CPS中为终端用户实现低服务延迟。然而，现有的面向CPS的可感知延迟的边缘云计算方法未能同时考虑能源预算和可靠性要求，这可能会极大地降低CPS应用的可持续性。

信息物理系统是一种通过收集智能传感、计算、控制和网络技术，将物理对象和软件组件深度交织在一起的系统。在最近的几年中，信息技术的进步推动了许多新兴CPS应用的部署，如自动汽车系统、医疗保健监控和过程控制系统。对于这些CPS应用程序，服务延迟是为终端用户提供高质量体验而设计的最大关注点。将边缘计算和云计算相结合的计算被认为是一种很有前途的计算范式，可以在CPS中为终端用户实现低服务延迟。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明的第一目的在于提出了一种面向信息物理系统的可靠边缘-云计算服务延迟优化方法，该方法通过结合静态阶段和动态阶段进行服务延迟优化，有效减少了系统服务延迟。

本发明的第二目的在于提出了一种信息物理融合系统。

为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案：

一种面向信息物理系统的可靠边缘-云计算服务延迟优化方法，包括以下步骤：

步骤1：基于计算卸载传输延迟和执行延迟对基站的服务延迟进行建模，根据能量预算和可靠性特征设置边缘云计算的服务延迟目标，所述边缘云计算的服务延迟目标包括静态阶段目标和动态阶段目标，静态阶段目标为寻找最优的计算卸载映射和任务备份数量，动态阶段目标为避免冗余任务在运行时传输和执行；

步骤2：计算系统服务延迟，将边缘云计算的服务延迟目标转化为5个调度约束条件，所述5个调度约束条件包括第一调度约束条件、第二调度约束条件、第三调度约束条件、第四调度约束条件、第五调度约束条件；

所述第一调度约束条件为每个基站只允许将其计算任务转发到一个边缘/云服务器，所述第二调度约束条件为任何边缘/云服务器的工作负载不能超过其最大处理能力，所述第三调度约束条件为整个系统消耗的能量不能超过给定的能量阈值，所述第四调度约束条件为每个基站的任务备份数量不能超过系统指定的最大备份数量，所述第五调度约束条件为具有容错的系统可靠性高于预先设定的可靠性阈值；

步骤3：根据备份数量计算公式并利用误差适应因子得到备份数量，其中误差适应因子用于表示由于出现比特错误和软错误而导致的平均到达率的不确定性，所述备份数量计算公式具体表示为：

式中表示第j个基站与第m个边缘/云服务器的备份数量，表示从基站到边缘/云服务器的平均容错到达率，表示在基站的计算转发的处理过程中不发生错误的最佳情况下的平均到达率，表示与相除后取向上取整的值；

步骤4：在静态阶段，通过蒙特卡罗模拟和整数线性规划确定最优的计算卸载映射和任务备份数量进行最小化系统服务延迟；