[发明专利]一种多目标优化的海上边缘计算卸载方法

说明书

本发明公开了一种多目标优化的海上边缘计算卸载方法，该方法基于海上无线Mesh网络和船舶的移动性，分析船舶位置变化和运动轨迹，联合合作性和节点连通概率，构建节点间通信质量评价模型，尽可能避免通信中断引起的网络抖动；为提高网络卸载服务质量，以延迟和能耗为约束，综合考虑资源负载、信道传输和节点执行能力，设计卸载路径寻优方法，将卸载路径寻优问题转化为卸载收益最大化，应用改进的混沌蚁群优化算法寻找最佳卸载路径；仿真结果证明，该方案能有效提高任务执行成功率，降低网络丢包率，保证网络资源负载均衡。

技术领域

本发明涉及海上边缘计算技术领域，具体是一种多目标优化的海上边缘计算 卸载方法。

背景技术

近年来，随着移动互联网的爆炸式增长，越来越多的智能设备与应用涉及到 各个领域，但海洋环境复杂和网络部署困难，海上通信网络的发展明显滞后于陆 地通信网络。随着海事网络的日益频繁和海洋经济的快速发展，海上通信网络系 统的研究受到了广泛关注。基于边缘计算深入研究以船舶为中继节点的海上无线 网状网络，是提高海上船舶通信的效率和经济性的一大重要手段。边缘计算技术 将计算、存储等资源下沉至网络的边缘侧，以分布式和集中式相结合的数据处理 模式，有效降低了数据中心的计算负荷，缓解远程传输带来的网络带宽压力，提 高任务处理效率。

计算卸载是边缘计算的关键技术之一，通过该技术，海上移动终端设备将计 算任务卸载到网络中其他设备，以减少计算、内存、能源等资源约束对边缘计算 性能的不利影响，提高海事网络服务质量。卸载方案是任务卸载的重要组成部分， 受用户偏好、网络连接质量和移动设备性能的影响，任务的卸载过程主要存在两 个问题：是否卸载任务和如何卸载任务。由于海洋地理和气象环境的复杂性，海 上无线通信信道具有不同于陆地的独特传播特性，如稀疏、不稳定等，使得任务 卸载复杂化。在海事网络中，海上移动终端设备通信覆盖范围有限，海上通信服 务的连续性难以保证，当网络边缘面临大量计算任务时，由于设备硬件受限，无 法承载大量数据的计算和传输，任务卸载的趋优特性容易使终端资源过载增加额 外开销。

目前，大量研究工作集中在网络通信链路更加稳定的陆地网络中，对于海上 通信网场景下的任务卸载优化研究较少。因此，实现大量任务在海上通信网络中 的高效可靠卸载方法是海上边缘计算领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有海上通信网络受海洋环境、资源约束、通信距离 等诸多因素影响，导致的任务在卸载和执行时出现丢包、失效和节点过载等问题， 而提供一种多目标优化的海上边缘计算卸载方法(task offloading scheme with multi-objectivejoint optimization，MOTO)，该方法考虑到船舶的移动性，基于船 舶运动，构建海上无线Mesh网络；分析船舶在网络中的位置变化和运动轨迹， 结合节点合作性，以计算节点间的连通概率衡量其通信情况；为提高网络卸载服 务质量，以延迟和能耗为约束，综合考虑资源负载、信道传输和节点执行能力， 设计一种卸载路径寻优方法，将卸载路径寻优问题转化为卸载收益最大化，应用 改进的混沌蚁群优化算法寻找最佳卸载路径。仿真结果表明，该方案在保证网络 资源负载均衡和稳定的同时，可以提高任务执行成功率。

实现本发明目的的技术方案是：

一种多目标优化的海上边缘计算卸载方法，考虑船舶移动性对海上通信网络 的影响，构建基于多目标优化的任务卸载协同服务系统，实现海上边缘计算环境 下任务可靠、高效卸载服务；

所述的任务卸载协同服务系统，网络结构分为终端、边缘和云三层，以陆地 数据中心为云服务器，边缘层以基站和浮台为边缘服务器(Edge Server，ES)， 终端层以船舶、海军舰艇等为海上移动终端(Maritime Mobile Terminal，MMT)； 边缘层和终端层通过无线链路组成海上无线Mesh网络，其中ES节点互连构成 无线Mesh骨干网络，以ES为中心，通过无线链路聚合MMT节点构建边缘计 算簇，连入骨干网，实现任务卸载协同；