Edistynyt verkon viipalointi ja laskennallisten tehtävien siirto matalan viiveen viestintää varten

Neljäs teollinen vallankumous ja uudet esineiden internetin (IoT) käyttötapaukset luovat tarvetta uusille verkkoteknologioille ja verkon palveluille. 5G-mobiililaajakaista-palvelujen kehittämisessä verkkojen viipalointi on tunnistettu ratkaisuna palvelujen monipuolistamiseen. Sitä hyödyntäen verkko-operaattorit voivat luoda palvelutietoisia loogisia verkkoja, jotka ovat räätälöity eri vertikaalisille toimialoille, ja joilla on erilaiset vaatimukset toimivuuden, suorituskyvyn ja resurssien erottelun suhteen. Päästä päähän -viivekriittisen viestinnän tarjoaminen useiden verkkoalueiden välillä on yksi keskeisistä vaatimuksista tulevien palvelujen mahdollistamiseksi. Lisäksi päätelaitteiden pienenevän koon vuoksi useat käyttötapaukset riippuvat luotettavasta ja latenssirajoitteisesta laskennan siirrosta hyödyntämällä reunalaskentaa. Pilvilaskentakonseptin laajentaminen liityntäverkossa sijaitsevaan reunalaskentaan on toinen keskeinen teknologinen trendi, joka mahdollistaa viiveen, kustannusten ja tietoturvariskien vähentämisen.

Tässä väitöskirjassa ehdotetaan uusia resurssien allokointimekanismeja verkkoliikenteelle, jossa on tiukat viiverajoitukset. Työssä on kehitetty ensin monitoimialueen verkon viipalointiviitekehys, joka perustuu uuteen monitie-monihyppy-viivemalliin. Tämä viitekehys sisältää uuden hierarkkisen orkestrointimekanismin ja mekanismin dynaamiseen viipaleiden koon muuttamiseen. Seuraavaksi työssä on tarkasteltu ongelmaa, joka liittyy rajoitettujen tilausperusteisten laskentatehtävien siirtämisen reunalaskenta- ja pilvipalvelimille. Laskennan siirtoon ja resurssien allokointiin liittyvä optimointiongelma on formuloitu viestintä- ja laskentaresurssien samanaikaista optimointia varten. Seuraavaksi työssä on tutkittu epäkompleksisia heuristisia algoritmeja, joiden tavoitteena on minimoida järjestelmän kokonaisresurssien kulutus.

Työssä ehdotetaan ratkaisupohjaisia ja vahvistusoppimiseen perustuvia resurssien allokointialgoritmeja käsittelemään tehtäviä, joilla on erittäin tiukat viivevaatimukset. Lopuksi työssä analysoidaan strategiaa algoritmien sijoittamiseen viivekriittiseen jatkuvaan IoT-datavirran käsittelyssä, sekä reunalaskennan orkestrointiviitekehys palveluiden optimaaliseen sijoittamiseen paikallisessa verkossa. Esitetyt numeeriset analyysitulokset osoittavat ehdotettujen ratkaisujen toteutettavuuden ja korkean tehokkuuden.