一種基于多射頻通信的多用戶計算遷移方法技術

本發明專利技術屬于移動云計算領域，具體涉及一種基于多射頻通信的多用戶計算遷移方法，包括以下步驟：控制器依據收集到的全體用戶信息及系統的目標，利用基于參數分析的多射頻多用戶計算遷移建模方法對多射頻多用戶計算遷移問題進行建模，得到初始問題模型Θ；控制器根據上一步得到的初始問題模型Θ的特點，利用基于McCormick?envelope的松弛與線性化方法對模型進行松弛與轉化，得到松弛后的問題模型Θ

【技術實現步驟摘要】
一種基于多射頻通信的多用戶計算遷移方法
本專利技術屬于移動云計算領域，具體涉及一種基于多射頻通信的多用戶計算遷移方法。
技術介紹
隨著智能手機的普及，出現了越來越多的手機應用，比如：語音識別，人臉識別，增強現實等。這些應用都需要消耗大量的資源，包括手機計算資源(CPU)以及手機電量，而手機自身體積小的特點決定了手機的計算資源和電池能量都很有限。因此，手機資源緊缺和應用資源需求過大，這兩者的關系對未來手機平臺的發展提出了巨大的挑戰。計算遷移是一種解決上述問題的新興技術。它通過利用無線網絡將移動終端的計算任務遷移到資源充足的云設施上計算，即移動云計算，解決了移動終端資源不足的問題。計算遷移的主要問題就是如何提高用戶的設備性能以及節省用戶設備的能量消耗。以前的很多工作研究了計算遷移節省能耗和延時的問題。第一類，主要研究單用戶多射頻條件下的計算遷移問題。其通過對一個用戶使用多個射頻上傳任務時的通信資源進行優化以最小化任務執行能耗，但沒有考慮到多用戶同時傳輸的情況(Mahmoodi,S.Eman,K.P.Subbalakshmi,andVidyaSagar."Cloudoffloadingformulti-radioenabledmobiledevices."Communications(ICC),2015IEEEInternationalConferenceon.IEEE,2015.)。第二種類型研究了多用戶單信道條件下的計算遷移問題。其通過對信道資源及用戶的發射功率進行優化以最小化全體用戶的發射功率之和。但其只考慮了多個用戶共用一個信道進行數據傳輸的情況，沒有考慮到利用多個頻段進行數據傳輸(Barbarossa,S.,S.Sardellitti,andP.D.Lorenzo."Jointallocationofcomputationandcommunicationresourcesinmultiusermobilecloudcomputing."395.6(2013):26-30.)。第三類主要研究了多用戶多信道條件下的計算遷移問題。其通過對多信道通信資源進行優化使得全體用戶任務執行代價之和最小。但其只考慮了將一個頻段劃分為多個信道供不同用戶傳輸，沒有考慮到多射頻通信時可以同時利用多個頻段資源(D.Huang,P.Wang,andD.Niyato,"Adynamicoffloadingalgorithmformobilecomputing."IEEETransactionsonWirelessCommunications,vol.11,no.6,pp.1991–1995,2012.)。此外，經檢索，現有關于計算遷移的專利并未涉多用戶多射頻的場景。綜上所述，現有技術主要存在以下問題：(1)多射頻通信中只考慮了單用戶，沒有考慮到用戶之間的資源競爭問題。(2)多用戶通信中只考慮了單信道通信和多信道通信，而沒有考慮到利用多射頻進行通信。沒有充分利用多個頻段的傳輸資源，且不能同時利用多個信道進行傳輸。
技術實現思路
本專利技術提出一種基于多射頻通信的多用戶計算遷移方法。其主要思想是通過對多用戶多射頻計算遷移進行建模；然后利用Mccormickenvelope方法對模型進行轉化松弛；最后利用分支限界對問題進行求解，得到最優的資源分配方案。在進行資源優化前，需要先完成如下操作。首先，用戶獲取設備剩余電量、計算能力、射頻數以及每一個射頻傳輸功率等信息；然后，用戶獲取需要計算的任務屬性。包括計算任務的數據量大小，計算所需CPU周期信息；最后，用戶設置自己對計算延遲和能量的偏好信息并將上述所有用戶相關信息發送至控制器。控制器一般部署在服務器端，用來控制整個流程的運行，主要任務包括對用戶數據進行收集、對基于多射頻通信的多用戶計算遷移問題進行建模、對模型進行松弛與優化、對模型進行求解等。一種基于多射頻通信的多用戶計算遷移方法，包括以下步驟：(1.1)控制器依據收集到的全體用戶信息及系統的目標，利用基于參數分析的多射頻多用戶計算遷移建模方法對多射頻多用戶計算遷移問題進行建模，得到初始問題模型Θ；(1.2)控制器根據上一步得到的初始問題模型Θ的特點，利用基于McCormickenvelope的松弛與線性化方法對模型進行松弛與轉化，得到松弛后的問題模型Θ*；(1.3)控制器利用分支限界法對上一步得到的松弛后的問題模型Θ*進行求解，使得總體受益用戶最多，并且使得用戶遷移代價減少。所述步驟(1.1)包括：(2.1)分別計算用戶i在本地完成任務Ji所需的時間Ti(m)及消耗的能量Ei(m)：其中，任務Ji@(gi,Di)，gi代表完成任務Ji所需要的CPU周期數，Di代表完成任務Ji所需要上傳的數據量，fi(m)代表用戶i的設備計算能力(CPU周期數)，ρi表示用戶i的設備每CPU周期消耗的能量，U為用戶集合，N為用戶個數，為射頻集合，K為射頻個數；(2.2)計算用戶i在本地的計算代價其中，分別代表用戶i對計算延遲和計算能耗的偏好權重，其中并且(2.3)如果用戶i如果選擇在云端計算的話，計算用戶i在第j個射頻上的傳輸速率其中，本專利技術采用無線競爭信道傳輸模型進行數據傳輸；其中，代表用戶i利用射頻j進行任務傳輸的比例，(2.4)分別計算用戶i在射頻j上的數據上傳時間以及用戶i通過射頻j上傳數據消耗的能量其中，Di表示用戶i完成任務Ji需要上傳的數據量，Pij代表用戶i的移動設備上射頻j的傳輸功率；(2.5)計算任務Ji在云端計算所需時間Ti,cloud以及設備閑置狀態下消耗的能量其中，fi(c)表示用戶i在云端被分配的計算能力，Pi(IDLE)表示用戶i的設備在閑置狀態下的功率；(2.6)計算任務傳輸時間Ti(mtc)以及用戶在各個射頻上消耗的能量總和其中，為用戶i通過射頻j上傳數據消耗的能量；(2.7)計算用戶i在云端的計算代價其中，為設備閑置狀態下消耗的能量；(2.8)由于只有當用戶在云端計算的代價小于在本地計算的代價時，用戶才會受益，才會進行遷移，所以得到如下約束：(2.9)由于和都代表用戶是否遷移，因此有如下約束：(2.10)將總受益人數作為目標，則目標的約束條件為通過求解滿足約束的得到最大的受益人數。所述步驟(1.2)包括：(3.1)將轉化為如下形式，以去掉非線性的max函數：(3.2)引入變量將等價替換為需要滿足如下四個條件：①如果那么應該有②如果那么應該有③如果那么應該有④如果那么應該有即如下兩個約束：(3.3)將約束用如下約束進行等價替換：(3.4)引入新變量因為所以有如下約束：①②③④(3.5)對上述約束進行化簡，替換后得到如下約束：(3.6)由于而根據物理意義有：因此用替換即得到目標函數為約束如上所述的凸優化問題。所述步驟(1.3)包括：(4.1)設置上界UB0＝+∞，下界LB＝-∞，目標函數值obj＝0，等待隊列wlist＝φ，迭代計數變量k＝0；(4.2)設置松弛子問題SP(ωkth,βkth)，其中kth代表第k個子問題，并且將約束β＝{0,1}松弛為0≤β≤1，將松弛子問題添加至隊列wlist(4.3)判斷隊列是否為空，若否，執行以下步驟；(4.4)從隊列中選取一個子問題，將其移除隊列并對該子問題進行求解；(4.5)本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種基于多射頻通信的多用戶計算遷移方法，其特征在于，包括以下步驟：(1.1)控制器依據收集到的全體用戶信息及系統的目標，利用基于參數分析的多射頻多用戶計算遷移建模方法對多射頻多用戶計算遷移問題進行建模，得到初始問題模型Θ；(1.2)控制器根據上一步得到的初始問題模型Θ的特點，利用基于McCormick?envelope的松弛與線性化方法對模型進行松弛與轉化，得到松弛后的問題模型Θ*；(1.3)控制器利用分支限界法對上一步得到的松弛后的問題模型Θ*進行求解，使得總體受益用戶最多，并且使得用戶遷移代價減少。

【技術特征摘要】
1.一種基于多射頻通信的多用戶計算遷移方法，其特征在于，包括以下步驟：(1.1)控制器依據收集到的全體用戶信息及系統的目標，利用基于參數分析的多射頻多用戶計算遷移建模方法對多射頻多用戶計算遷移問題進行建模，得到初始問題模型Θ；(1.2)控制器根據上一步得到的初始問題模型Θ的特點，利用基于McCormickenvelope的松弛與線性化方法對模型進行松弛與轉化，得到松弛后的問題模型Θ*；(1.3)控制器利用分支限界法對上一步得到的松弛后的問題模型Θ*進行求解，使得總體受益用戶最多，并且使得用戶遷移代價減少。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(1.1)包括：(2.1)分別計算用戶i在本地完成任務Ji所需的時間Ti(m)及消耗的能量Ei(m)＝ρigi其中，任務Ji@(gi,Di)，gi代表完成任務Ji所需要的CPU周期數，Di代表完成任務Ji所需要上傳的數據量，fi(m)代表用戶i的設備計算能力(CPU周期數)，ρi表示用戶i的設備每CPU周期消耗的能量，U為用戶集合，N為用戶個數，為射頻集合，K為射頻個數；(2.2)計算用戶i在本地的計算代價其中，分別代表用戶i對計算延遲和計算能耗的偏好權重，其中并且(2.3)如果用戶i如果選擇在云端計算的話，計算用戶i在第j個射頻上的傳輸速率其中，本發明采用無線競爭信道傳輸模型進行數據傳輸：其中，代表用戶i利用射頻j進行任務傳輸的比例，(2.4)分別計算用戶i在射頻j上的數據上傳時間以及用戶i通過射頻j上傳數據消耗的能量其中，Di表示用戶i完成任務Ji需要上傳的數據量，Pij代表用戶i的移動設備上射頻j的傳輸功率；(2.5)計算任務Ji在云端計算所需時間Ti,cloud以及設備閑置狀態下消耗的能量其中，fi(c)表示用戶i在云端被分配的計算能力，Pi(IDLE)表示用戶i的設備在閑置狀態下的功率；(2.6)計算任務傳輸時間Ti(mtc)以及用戶在各個射頻上消耗的能量總和其中，為用戶i通過射頻j上傳數據消耗的能量；(2....

【專利技術屬性】
技術研發人員：李冰洋，呂海斌，莊曉曉，馬福亮，張曉雪，馮光升，
申請(專利權)人：哈爾濱工程大學，
類型：發明
國別省市：黑龍江,23