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基于深度确定性策略梯度的虚拟网络功能迁移优化算法

唐伦 贺兰钦 谭颀 陈前斌

唐伦, 贺兰钦, 谭颀, 陈前斌. 基于深度确定性策略梯度的虚拟网络功能迁移优化算法[J]. 电子与信息学报, 2021, 43(2): 404-411. doi: 10.11999/JEIT190921
引用本文: 唐伦, 贺兰钦, 谭颀, 陈前斌. 基于深度确定性策略梯度的虚拟网络功能迁移优化算法[J]. 电子与信息学报, 2021, 43(2): 404-411. doi: 10.11999/JEIT190921
Lun TANG, Lanqin HE, Qi TAN, Qianbin CHEN. Virtual Network Function Migration Optimization Algorithm Based on Deep Deterministic Policy Gradient[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2021, 43(2): 404-411. doi: 10.11999/JEIT190921
Citation: Lun TANG, Lanqin HE, Qi TAN, Qianbin CHEN. Virtual Network Function Migration Optimization Algorithm Based on Deep Deterministic Policy Gradient[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2021, 43(2): 404-411. doi: 10.11999/JEIT190921

基于深度确定性策略梯度的虚拟网络功能迁移优化算法

doi: 10.11999/JEIT190921
基金项目: 国家自然科学基金(62071078),重庆市教委科学技术研究项目(KJZD-M20180601),重庆市重大主题专项项目 (cstc2019jscx-zdztzxX0006)
详细信息
    作者简介:

    唐伦:男,1973年生,教授,博士,主要研究方向为下一代无线通信网络、异构蜂窝网络、软件定义无线网络等

    贺兰钦:男,1995年生,硕士生,研究方向为5G网络切片,机器学习算法

    谭颀:女,1995年生,硕士生,研究方向为5G网络切片、资源分配、随机优化理论

    陈前斌:男,1967年生,教授,博士生导师,主要研究方向为个人通信、多媒体信息处理与传输、异构蜂窝网络等

    通讯作者:

    贺兰钦 719097886@qq.com

  • 中图分类号: TN929.5

Virtual Network Function Migration Optimization Algorithm Based on Deep Deterministic Policy Gradient

Funds: The National Natural Science Foundation of China (62071078), The Science and Technology Research Program of Chongqing Municipal Education Commission (KJZD-M20180601), The Major Theme Special Projects of Chongqing (cstc2019jscx-zdztzxX0006)
  • 摘要:

    针对NFV/SDN架构下,服务功能链(SFC)的资源需求动态变化引起的虚拟网络功能(VNF)迁移优化问题,该文提出一种基于深度强化学习的VNF迁移优化算法。首先,在底层CPU、带宽资源和SFC端到端时延约束下,建立基于马尔可夫决策过程(MDP)的随机优化模型,该模型通过迁移VNF来联合优化网络能耗和SFC端到端时延。其次,由于状态空间和动作空间是连续值集合,提出一种基于深度确定性策略梯度(DDPG)的VNF智能迁移算法,从而得到近似最优的VNF迁移策略。仿真结果表明,该算法可以实现网络能耗和SFC端到端时延的折中,并提高物理网络的资源利用率。

  • 图  1  系统模型

    图  2  不同评判家学习率下的损失函数值

    图  3  不同评判家学习率下的累积奖励值

    图  4  权重对系统总时延的影响

    图  5  权重对系统总能耗的影响

    图  6  系统总时延对比

    图  7  网络能耗对比

    图  8  计算资源利用率

    表  1  基于DDPG的迁移策略训练算法

     输入:DDPG参数:回合数$M$,训练次数$T$,训练样本长度$L$,评判家网络学习率${l_c}$,行动者学习率${l_a}$,折扣因子$\mu $,软更新因子$\tau $,经验
     回放池大小$B$,最小样本长度$N$,高斯噪声$n$
     输出:策略${\pi} $
     1.  初始化经验回放池$H$
     2.  随机初始化行动者网络参数$({\theta ^{\pi} },{\theta ^{{{\pi} '}}})$和评判家网络参数$({\theta ^Q},{\theta ^{{Q'}}})$
     3.  for ${\rm{episode}} = 1,2, ··· ,M$ do
     4.   初始化环境$s(0)$
     5.   for $t = 1,2, ··· ,T$ do
     6.    根据当前策略得到动作,增添随机噪声进行探索:$a(t) = {\pi} (s(t)|{\theta ^{\pi} }) + n$
     7.    if C1~C10约束满足 then
     8.     采取动作$a(t)$,得到状态$s(t + 1)$,根据式(11)得到$r(t)$
     9.     if 经验回放池$H$没有溢出 then
     10.      将$(s(t),a(t),r(t),s(t + 1))$存储到经验池中
     11.     else
     12.      用$(s(t),a(t),r(t),s(t + 1))$随机替代存入经验池的集合
     13.      随机选择$N$个集合构成样本:$(s(i),a(i),r(i),s(i + 1)),\forall i = 1,2, ··· ,N$
     14.      通过目标评判家网络得到$Q(s(i + 1),a(i + 1)|{\theta ^{{Q'}}})$,然后根据式(15)得到损失函数$L({\theta ^Q})$
     15.      通过式(16)来更新估计评判家网络参数
     16.      从估计评判家网络得到${Q_{{\theta ^Q}}}(s(i),a(i))$,通过式(19)得到策略梯度${\nabla _{{\theta ^{\pi} }}}J({{\pi} _{{\theta ^{\pi} }}})$
     17.      通过式(20)更新估计行动者网络的参数
     18.      通过式(22)软更新目标评判家网络和目标行动者网络的参数
     19.     end if
     20.    end if
     21.   end for
     22.  end for
    下载: 导出CSV

    表    仿真参数

    仿真参数 仿真参数
    通用服务器数量12服务器CPU容量(MIPS)Uniform[250, 300]
    VNF集合长度(个)Uniform[2, 5]链路带宽容量(Mbps)Uniform[100, 200]
    ${r_b}$0.2服务器CPU总能耗(W)Uniform[170, 230]
    ${r_c}$0.2服务器待机时的能耗(W)Uniform[90, 120]
    SFC最长时延限制(ms)30服务器状态切换能耗(W)Uniform[25, 35]
    软更新因子0.01虚拟链路带宽资源(Mbps)Uniform[5, 10]
    折扣因子0.99VNF CPU资源需求(MIPS)Uniform[10, 20]
    下载: 导出CSV
  • 唐伦, 周钰, 杨友超, 等. 5G网络切片场景中基于预测的虚拟网络功能动态部署算法[J]. 电子与信息学报, 2019, 41(9): 2071–2078. doi: 10.11999/JEIT180894

    TANG Lun, ZHOU Yu, YANG Youchao, et al. Virtual network function dynamic deployment algorithm based on prediction for 5g network slicing[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2019, 41(9): 2071–2078. doi: 10.11999/JEIT180894
    唐伦, 杨恒, 马润琳, 等. 基于5G接入网络的多优先级虚拟网络功能迁移开销与网络能耗联合优化算法[J]. 电子与信息学报, 2019, 41(9): 2079–2086. doi: 10.11999/JEIT180906

    TANG Lun, YANG Heng, MA Runlin, et al. Multi-priority based joint optimization algorithm of virtual network function migration cost and network energy consumption[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2019, 41(9): 2079–2086. doi: 10.11999/JEIT180906
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-15
  • 修回日期:  2020-11-02
  • 网络出版日期:  2020-12-09
  • 刊出日期:  2021-02-23

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