[发明专利]一种海上MEC负载均衡和资源分配联合优化的计算迁移方法

说明书

本发明公开了一种海上MEC负载均衡和资源分配联合优化的计算迁移方法，为了解决海上能源受限问题，确保在网络稳定的情况下，实现性能优化，使得能耗、时延、服务质量三者达到均衡。该方法第一阶段为卸载决策，保证在时延允许的范围内来确定任务是否卸载到边缘服务器以及可卸载的服务器；第二阶段为资源分配，选择卸载的任务采用基于Gale‑Shapley思想的多重最大匹配算法分配计算资源。仿真实验结果表明，该方法可以得到最优的卸载决策和资源分配结果，在满足任务时延的条件下，消除任务选择服务器时的趋优效应，避免服务器发生过载，提升海上边缘计算系统的能耗效率和整体性能。

技术领域

本发明涉及海上边缘计算技术领域，具体是一种海上MEC负载均衡和资源分配联合优化的计算迁移方法。

背景技术

过去十年中，手机、Pad、可穿戴设备等移动智能终端因便携与便利性逐渐成为大众学习、娱乐、出行、参与社交网络和了解新闻的重要工具。迅速发展的物联网用信息和通信技术辅助工农业生产，深刻地推动数字产业的发展。5G网络的普及使得用户对低时延、低功耗、高可靠的业务需求越来越高。然而，移动终端处理能力，电池容量，存储容量等资源受限，无法满足实时响应需求。同时，智能互联网的迅速发展也为海上活动创造了新机遇。由于海洋环境的不确定性，网络基站建设困难，海上通信的发展有待加强。近年来，随着海上活动的日益频繁和海上经济的快速发展，新一代海上通信系统的研发已成为学术界和工业界关注的焦点。

目前，全球海洋通信网络的基本覆盖方式主要是岸基移动通信、海上无线通信、卫星通信和水声通信等异构组建的通信网络。面对这些通信网络存在通信制式互不兼容、通信带宽高低不一、覆盖范围存在盲区、缺乏高效统一的管理机制等问题，移动边缘计算(Mobile Edge Computing，MEC)卸载技术成为解决这些问题的有效方案。其主要思想是通过在数据源附近部署计算节点，以节点间的资源共享，减少网络传输延迟与能耗开销，避免数据离开边缘网络，进而提高数据安全性和隐私保护。因此，边缘计算卸载引入海洋通信网络具有三个优点：(1)在用户附近的无线接入网络边缘处理临时数据，加快计算速度，减轻了网络能源损耗；(2)靠近终端设备，可以更加及时地进行数据处理，增强了服务的快速响应能力；(3)隐私数据不需要上传，边缘节点将数据加密传输，降低了网络数据的泄露的风险。然而，将边缘计算和计算卸载技术引入海洋网络的研究会面临以下挑战：

(1)能量供应不足。互联网在海洋场景下的终端设备、服务器等供电方式主要以电池和电缆为主，然而电缆的覆盖范围有限，并且海上设备电池更换较难，节点能量的耗尽会造成整个网络极大波动。

(2)资源分配不均。海洋中边缘服务器计算资源部署呈现“长尾分布”，能力强的服务器执行任务频繁，能力弱的服务器出现闲置，影响网络的稳定性。

发明内容

本发明针对海上边缘计算环境下，(1)将任务卸载分为两阶段，第一阶段为卸载决策，计算任务根据自身属性及服务器负载等进行决策；第二阶段为资源分配，标记满足任务需求的服务器，转化为二分图的多重匹配问题，通过基于Gale-Shapley algorithm思想的多重最大匹配算法求解，均衡边缘网络负载。(2)以任务执行时延为约束，综合评估任务处理能耗和计算成本，合理分配计算资源，保证计算卸载时网络的通信质量和效率。

实现本发明目的的技术方案是：

一种海上MEC负载均衡和资源分配联合优化的计算迁移方法，通过求解最优卸载决策和资源分配方案，提升系统的能耗效率和整体性能；

所述的两阶段计算迁移方法中，模型构建的海事网络组成主要包括3个部分，第一部分为核心云网络层，包含大量为用户提供服务的高性能云端服务器；第二部分为边缘服务器层，按照相对距离对所有边缘服务器进行区域划分，每个区域中由无人机，飞艇，海上游标和陆地基站组成，它们都拥有性能适中且异构的服务器；第三部分为终端设备层，每个区域中由游艇，轮船，航母等组成，它们拥有一定处理能力的设备，或者根据任务的性质对当前的计算任务做出卸载决策；