基于传播动力学的终端协同计算网络演化机理研究

作     者：任水迪 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：许晓东

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：终端协同 计算卸载 传播动力学 网络演化 

摘      要：随着移动通信技术与人工智能技术的迭代更新,终端设备规模不断扩大,通信网络数据流量激增,各种各样的计算密集型业务层出不穷,对计算资源的消耗提出了更高要求。云计算与边缘计算技术的相继提出,已经从一定程度上达到了解除终端设备计算能力限制的目的。但是,由于基站及边缘服务器对于部署位置的要求较高,云计算及边缘计算网络的覆盖范围有限,而随着终端直通技术(D2D技术)的日趋成熟,终端协同计算网络的形成,用户设备参与到协同计算卸载中来也成为缓解网络数据压力和改善用户体验的有效方式,有效地弥补了通信网络覆盖不足的缺陷。然而,过度依赖终端协同计算的潜在风险却是不容小觑的。当大量计算任务涌入终端协同计算网络时,出现计算任务堆积的用户会向周边空闲用户卸载计算任务进行协同计算,若终端网络中现有的具有空闲资源的用户不足以支撑全部卸载任务完成协同计算,则可能会造成周边更多终端用户出现计算任务堆积,进而使得参与协同计算的设备自身资源短缺,不仅不再有空闲资源提供协同计算,甚至满足不了自身任务需求,从而导致终端协同计算网络失去其高效便捷地辅助云计算与边缘计算的优势,进入失效瘫痪状态。因此,本文针对过度依赖终端协同计算可能带来的网络瘫痪问题,应用传播动力学理论,研究终端协同计算网络的演化机理,分析基于D2D技术的计算任务卸载传播过程,进而探究保证终端协同计算网络稳定有效的临界条件。具体展开了以下工作:首先,针对终端协同计算卸载的任务传输过程,基于线性阈值模型构建了终端协同计算网络基础的传播动力学模型。应用边划分理论对所提动力学模型进行了分析讨论,建立了传播动力学方程。通过数学方法求解,推导了动力学方程的鞍点,鞍点即对应网络瘫痪状态的出现,由此得到了终端协同计算网络中会导致更多用户出现任务过载的临界条件。通过数值仿真与模拟仿真,分别在埃尔德什-雷尼随机网络(Paul Erdos-Alfred Renyi Random Network,ER 随机网络)与无标度网络(Scale-free Network,SF网络)上对比验证了所提动力学模型的合理性和准确性,探究了空闲用户服务能力阈值、过载用户协同卸载概率、网络度分布异质性对终端协同卸载传播过程的影响。其次,分析了终端协同计算网络中的用户行为异质性,考虑随着终端设备智能化水平的逐步提高,当用户节点具备一定的决策能力,可主动选择不同的计算卸载方式,包括:部分卸载与全部卸载。从资源能量消耗的角度分类讨论了不同卸载方式对任务卸载传播过程的影响,设计优化出更加贴合实际的终端协同网络传播动力学模型并进行后续的数学推导运算,得到了具有用户行为异质性的终端协同计算网络瘫痪状态出现的临界条件。搭建模拟仿真环境,分别模拟部分卸载与全部卸载情况下资源能量消耗累积并导致用户状态转变的过程,通过比较数值仿真与模拟仿真,理论预测结果与仿真测试结果相契合。在此基础上,更进一步深入探究了具有用户行为异质性的终端协同计算网络中卸载任务比例以及选择不同卸载方式的过载用户比例,对终端协同计算网络演化过程的影响。本文针对过度依赖终端协同计算带来的大量终端用户任务堆积,原本可提供协同计算的空闲设备计算资源短缺,依靠D2D技术辅助的终端协同计算网络失效瘫痪的问题,提出了基于传播动力学理论的分析模型,探究了终端协同计算网络演化机理。所建立的传播动力学模型及其仿真结果对终端协同计算网络的部署具有较好的参考意义。