[发明专利]一种基于移动雾计算的任务卸载方法

权利要求书

1.一种基于移动雾计算的任务卸载方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，构建基于移动雾计算的任务卸载系统；基于移动雾计算的任务卸载系统由I个移动雾节点即MFN、一个作为任务分配服务器的基站即BS、J个请求卸载任务的移动设备即MD、一个用于查询设备信息的云数据库服务器CDS四类网络实体组成，其中I个MFN用M＝{MFN₁，...，MFN_ii，...，MFN_I}表示，I为MFN数量，I为正整数，MFN_ii表示第ii个MFN，1≤ii≤I；J个请求卸载任务的移动设备MD用D＝{MD₁，...，MD_jj，...MD_J}表示，J为MD数量，J为正整数，MD_jj表示第jj个MD，1≤jj≤J；MD和MFN均与BS连接，通过蜂窝网络与BS通信；BS与CDS连接，从CDS的键值数据库中查询并读取设备信息；

BS中安装有设备信息管理模块、任务分配模块、任务卸载模块，其中设备信息管理模块负责收集并管理通信范围内的MD和MFN的设备信息、MD上待处理任务的相关信息，并负责根据设备信息构建出描述设备间点到点链路关系的点到点链路图；任务分配模块基于设备信息管理模块提供的设备信息和点到点链路图构建加权二部图，采用KM算法对加权二部图进行处理，得到最优任务分配方案，并将最优任务分配方案发送给任务卸载模块；任务卸载模块串行地遍历任务分配方案中存在的边，每找到一条边，就向这条边连接的MD和MFN发送对应的卸载指令，指示MD将任务卸载到与其连接的MFN上，指示MFN接收与其连接的MD上的任务数据，并执行任务；

MFN上安装有第一信息注册模块、第一任务卸载模块；第一信息注册模块负责向BS的设备信息管理模块注册其所属MFN的设备名、设备型号、设备资源出售价格以及移动状态信息；第一任务卸载模块负责接收BS发送的卸载指令，根据卸载指令接收对应MD的点到点连接请求，接收待处理任务的任务数据并执行从MD卸载过来的任务；

MD上安装有第二信息注册模块、第二任务卸载模块；第二信息注册模块负责向BS的设备信息管理模块注册所属MD的设备名、设备型号、移动状态信息以及任务信息，任务信息包括任务对设备属性的最低需求、任务对设备属性的服务质量偏好、用户为服务质量、价格分配的权重因子；第二任务卸载模块负责接收BS发送的卸载指令，根据卸载指令向对应MFN发送点到点连接请求，并在点到点连接建立后，将任务卸载到对应MFN上；

CDS中包含一个键值数据库，以键值对形式设备型号、设备属性信息存储移动设备的设备型号及设备属性信息，设备属性信息包括设备在计算能力、通信能力、存储能力、感知能力、安全性五个方面的量化得分和设备所支持的点到点通信技术信息；

第二步，I个MFN通过第一信息注册模块并行地向基站发起注册请求以加入到基于移动雾计算的任务卸载系统中，J个MD通过第二信息注册模块并行地向基站发起注册请求以加入到基于移动雾计算的任务卸载系统中；BS的设备信息管理模块在注册时间T内等待接收来自MFN或MD的注册请求，接收到注册请求后，BS的设备信息管理模块将该注册请求加入待处理队列中，继续等待接收注册请求，直至注册时间超时；注册时间超时后，BS的设备信息管理模块开始处理待处理队列中的注册请求，处理完成后，根据注册情况判断是继续等待接收注册请求，还是进入第三步开始任务分配；方法是：

2.1 BS的设备信息管理模块初始化MFN链表及MD链表为空，MFN链表用于组织MFN信息块，MFN信息块用于保存注册成功的MFN的设备信息；MD链表用于组织MD信息块，MD信息块用于保存注册成功的MD的设备信息；BS的设备信息管理模块初始化待处理队列为空，待处理队列用于保存来自MFN或MD的注册请求；

2.2 I个MFN和J个MD通过GPS确定自己的当前移动状态信息，包括当前位置的二维坐标、移动方向、移动速度和状态记录时刻，I个MFN通过第一信息注册模块并行地向基站发起注册请求，J个MD通过第二信息注册模块并行地向基站发起注册请求，具体地，集合M中第ii个MFN即MFN_ii的注册请求用表示，其中分别表示MFN_ii的设备名、设备型号、移动状态信息以及设备资源出售价格；集合D中第jj个MD即MD_jj的注册请求用表示，其中分别表示MD_jj的设备名、设备型号、移动状态信息、MD_jj所设定的待处理任务对设备属性的最低要求、MD_jj所设定的待处理任务对设备属性的服务质量偏好、MD_jj所设定的服务质量-价格权重因子；为字符串类型；为非负浮点数；均为六行一列的浮点型数组，且数组中的每个元素均为非负浮点数；均为五行一列的浮点型数组；为取值在0到1之间的非负浮点数；

2.3 BS的设备信息管理模块创建一个定时器，根据定时器是否超时确定是否继续等待接收注册请求，根据待处理队列状态确定是否开始处理注册请求，若接收到注册请求将注册请求加入到待处理队列，若待处理队列为空，则转2.3重新接收注册请求；若不为空，转2.4；

2.4 BS的设备信息管理模块取出位于待处理队列队头的注册请求，判断该注册请求类型，若注册请求中包含四个参数，则该请求为MFN的注册请求，转步骤2.5；若注册请求中包含六个参数，则该请求为MD的注册请求，转步骤2.6；若注册请求既不是四个参数，又不是六个参数，则注册请求非法，注册失败，BS的设备信息管理模块通知该设备注册失败，转2.11；

2.5 BS的设备信息管理模块校验来自MFN的注册请求是否符合格式要求，检查注册请求中包含的设备名、设备型号是否为字符串类型，设备资源出售价格是否为非负浮点数，移动状态信息是否为五行一列浮点型数组，若不符合格式要求，则注册失败，设备信息管理模块通知该MFN注册失败，转2.11；若符合格式要求，转2.7；

2.6 BS的设备信息管理模块校验来自MD的注册请求是否符合格式要求，检查注册请求中包含的设备名、设备型号是否为字符串类型；任务需求和偏好是否为六行一列的浮点型数组，且数组中的每个元素是否为非负浮点数；服务质量-价格权重因子是否为取值在0-1之间的非负浮点数；移动状态信息是否为五行一列浮点型数组，若不符合格式要求，则注册失败，设备信息管理模块通知该MD注册失败，转2.11；若符合格式要求，转2.7；

2.7 BS的设备信息管理模块根据注册请求中包含的设备型号从CDS的键值数据库中查询并读取该设备型号的设备属性信息；若能够根据设备型号在键值数据库中查询到设备属性信息，则注册成功，转步骤2.8；否则注册失败，设备信息管理模块通知该设备注册失败，转2.11；

2.8 BS的设备信息管理模块根据步骤2.4中判断的注册请求类型，将注册成功的设备分类为MFN和MD；若为MFN，转步骤2.9；若为MD，转步骤2.10；

2.9 BS的设备信息管理模块为注册成功的MFN构建一个MFN信息块并将MFN信息块加入到MFN链表的尾端，MFN信息块由MFN设备名、MFN设备属性表、MFN点到点通信表、MFN移动状态表、MFN时间戳、设备资源出售价格六部分组成，转2.11；

2.10 BS的设备信息管理模块为注册成功的MD构建一个MD信息块并将MD_jj的MD信息块加入到MD链表的尾端，MD信息块由MD设备名、MD点到点通信表、MD移动状态表、MD时间戳、任务信息块五部分组成，所述任务信息块由属性要求表、服务质量偏好表、服务质量-价格权重因子三部分组成，转2.11；

2.11 BS的设备信息管理模块判断待处理队列是否为空，若不为空，说明待处理队列中还有注册请求尚未处理，转2.4；若为空，说明待处理队列中的注册请求已全部处理完毕，转2.12；

2.12 BS的设备信息管理模块判断MD链表是否为空，若不为空，说明存在注册成功的MD，转2.13；若为空，说明不存在注册成功的MD，没有任务可进行分配，转2.3继续等待接收注册请求；

2.13 BS的设备信息管理模块判断MFN链表是否为空，若不为空，说明同时存在注册成功的MFN和MD，进入第三步；若为空，说明不存在注册成功的MFN，没有可以执行任务的设备，转2.3继续等待接收注册请求；

第三步，将注册成功的MFN用集合M′表示，M′＝{MFN′₁，MFN′₂，...，MFN′_i，...，MFN′_I′}表示，其中I′为MFN链表中保存的MFN信息块总数即注册成功的MFN总数，为正整数，MFN′_i为MFN链表中第i个MFN信息块所表示的MFN，1≤i≤I′；将注册成功的MD用集合D′表示，D′＝{MD′₁，MD′₂，...，MD′_j，...，MD′_J′}，其中J′为MD链表中保存的MD信息块总数即注册成功的MD总数，为正整数，MD′_j为MD链表中第j个MD信息块所表示的MD，1≤j≤J′；BS的设备信息管理模块读取MFN链表中保存的I′个MFN的MFN移动状态表、MFN点到点通信表，读取MD链表中保存的J′个MD的MD移动状态表、MD点到点通信表，计算出I′个MFN和J′个MD之间的链路可维持时间，构建点到点链路图G，并将G保存到设备信息管理模块中；方法是：

3.1 BS的设备信息管理模块初始化点到点链路图G，G＝{M′，D′，E}，其中M′为MFN集合，D′为MD集合，边集E初始为空；

3.2获取基于移动雾计算的任务卸载系统当前时间t_now；

3.3 BS的设备信息管理模块基于MFN链表中保存的I′个MFN的MFN移动状态表、MFN点到点通信表，MD链表中保存的J′个MD的MD移动状态表、MD点到点通信表，计算出I′个MFN和J′个MD之间的链路可维持时间，构建点到点链路图G，方法为：

3.3.1初始化变量i为1；

3.3.2 BS的设备信息管理模块读取MFN链表中MFN′_i的MFN信息块中保存的MFN移动状态表和MFN点到点通信表

3.3.3根据公式(1)计算出MFN′_i当前的横坐标和MFN′_i当前的纵坐标计算公式如下：

其中表示MFN′_i移动状态信息的记录时刻，分别表示MFN′_i在记录时刻的横坐标和纵坐标，分别表示MFN′_i在记录时刻的移动方向、移动速度；

3.3.4 BS的设备信息管理模块读取MD链表中保存的J′个MD的MD移动状态表、MD点到点通信表，计算出MFN_i′与J′个MD之间的通信范围半径和链路可维持时间，并在图G中，在顶点MFN′_i和能够与MFN′_i建立通信链路的MD顶点间添加无向边，边的权重值即为MFN′_i和通过该边与MFN′_i相连的MD之间的链路可维持时间；

3.3.5若i＝I′，说明当前MFN信息块已处于MFN链表的末尾，点到点链路图G构建完毕，进入第四步；否则令i＝i+1，转步骤3.3.2；

第四步，BS中的任务分配模块根据设备信息管理模块中保存的MFN链表和MD链表，以及第三步中得到的点到点链路图G构建M′与D′间的加权二部图T′，T′＝{M′，D′，E′}，方法是：

4.1 BS的任务分配模块构建初始二部图T′＝{M′，D′，E′}，E′初始化为空集；

4.2基于MFN链表、MD链表、点到点链路图G计算出J′个MD到I′个MFN间的任务卸载满意度，构建加权二部图T′；方法为：

4.2.1初始化j为1；

4.2.2 BS的任务分配模块读取MD链表中MD′_j的MD信息块中的属性要求表服务质量偏好表服务质量-价格权重因子

4.2.3 BS的任务分配模块读取I′个MFN的设备属性表和设备资源出售价格，计算出MD′_j到I′个MFN间的任务卸载满意度，并在图T′中，在顶点MD_j′和I′个MFN间添加无向边，边的权重为MD_j′将任务卸载到通过该边与其相连的MFN上的任务卸载满意度；

4.2.4若j＝J′，说明当前MD信息块已处于MD链表的末尾，加权二部图T′构建完毕，进入第五步；否则令j＝j+1，返回步骤4.2.2；

第五步，BS的任务分配模块采用KM算法在多项式时间内确定在只存在有限个MFN的情况下，使用户获得最高总体满意度Sat的任务分配方案，该问题用公式(7)定义：

约束1

约束2

其中x_ji为布尔变量，表示MD′_j是否将任务卸载到MFN′_i上，若是，则x_ji为1；否则x_ji为0；约束1表示一个任务只能卸载到一个MFN上执行；约束2表示一个MFN受移动性、点到点通信的约束，一次只能执行一个任务；BS的任务分配模块将图T′作KM算法的输入，确定能够使得总体用户满意度最高的任务分配方案，方法是：

5.1为T′中存在的每个顶点设置初始顶标值，对于其初始顶标值l′(MFN′_i)为关联顶点MFN′_i的边中具有最大权重的边的权重，即l′(MFN′_i)＝max{|e′(MFN′_i，MD′_j)||MD′_j∈D‘}，对于令其初始顶标值l′(MD′_j)＝0；

5.2初始化图T′_e＝T′，T′_e可用T′_e＝{M′，D′，E′_e}表示，T′_e＝T′表示图T′_e初始化后的顶点集、边集与图T′的顶点集、边集完全相同；

5.3使T_e′成为T‘的相等子图，图T′的相等子图T′_e指T′_e包含了T′中的所有顶点，并且其边集E′_e满足l′(MFN′_i)+l′(MD′_j)＝|e′(MFN′_i，MD′_j)|，即E′_e中任意一条边的权重都等于其关联的两个顶点的顶标值之和；

5.4求解最优任务分配方案即图T′的最大加权匹配，在图T′的相等子图T′_e中执行匈牙利算法，找到T′_e的匹配O，O是T′_e的子图，同时O边集中的任意两条边都不依附于同一个顶点，若匹配O是T′_e的完美匹配即O包含了T′_e中的所有顶点，且每个顶点都关联且仅关联一条边，则O就是图T′的最大加权匹配，用O＝{M′，D′，E_O}表示，O的边集E_o中包含的每条边都表示一个卸载决策，即O包含D′与M′间的匹配关系，E_o的每条边连接一个MD和一个MFN，边指示MD将任务卸载到与其连接的MFN上，转第六步；否则按匈牙利算法生成集合L、B，其中L为M′的子集，B为D′的子集，L为匹配O的不饱和点集，B为O的饱和点集，转步骤5.5；

5.5按如下公式更新T′_e中各个顶点的顶标值：

公式(8)

δ_l＝min{l′(MFN′_i)+l′(MD′_j)-|e′(MFN′_i，MD′_j)||MFN′_i∈L，MD′_j∈D‘-B} 公式(9)

其中l′(x)表示顶点x的顶标值，|e′(MFN′_i，MD′_j)|为图T′中边e′(MFN′_i，MD′_j)的权重，更新完毕后，转步骤5.3；

第六步，BS的任务卸载模块根据第五步中获得的最优任务分配方案即最大加权匹配O进行任务卸载，如果e(MFN′_i，MD′_j)∈E_O，且|e(MFN′_i，MD′_j)|＞0，则边e(MFN′_i，MD′_j)表示MD′_j上的任务应卸载给MFN′_i进行处理；BS的任务卸载模块遍历E_O中的每一条边，若边的权重大于0，向边相连的MD和MFN发送卸载指令，MD接收到BS发送的卸载指令后，根据卸载指令指示将任务卸载到与其相连的MFN上执行，MFN接收到BS发送的卸载指令后，根据卸载指令指示接收并执行与其相连的MD上的待处理任务；

第七步，BS的设备信息管理模块清除MD链表中已过时的MD信息块，清除MFN链表中已过时的MFN信息块，BS的设备信息管理模块和任务分配模块清除第三步到第六步中产生的中间数据，包括点到点链路图G、加权二部图T′、相等子图T′_e、最大加权匹配O，转2.3开始下一轮任务分配，具体步骤如下：

7.1 BS的设备信息管理模块获取当前时间；

7.2 BS的设备信息管理模块判断MD链表是否为空，不为空，转7.3；为空转7.4；

7.3 BS的设备信息管理模块遍历MD链表，删除MD链表中移动状态信息已过时的MD信息块；

7.4 BS的设备信息管理模块判断MFN链表是否为空，若不为空，转7.5；为空，转7.6；

7.5 BS的设备信息管理模块遍历MFN链表，删除MFN链表中移动状态信息已过时的MFN信息块；

7.6 BS的设备信息管理模块删除点到点链路图G；

7.7 BS的任务分配模块删除加权二部图T′、相等子图T′_e、最大加权匹配R；

7.8转2.3开始下一轮任务分配。