异构网络移动云计算资源配置与计算迁移技术研究

With the explosive growing of wireless comunications and mobile applications, user demands for communication bandwidth and network computation resources have become more and more sever. As the core technology for 5G communication, HetNet in combine with mobile cloud computing has become an emerging research hot topic. Due to the densly distribution of mobile devices and complex network architecture, effective resource configuration and load management is essential to guarantee the highly efficent running of the communication and computation system. This project focuses on mobile cloud computing in HetNet, to explore high performance computation offloading, QoS guarantees and disruption recovery and so on. By utilizing relay services of small cell network users and designing incentive mechanisms, we try to construct load migration models of edge macro cell network users, and firstly explore combinatorial double auction algorithms for heterogenous computation tasks. Based on different network access patterns, we will design channel allocation and interference control stategies given average delay requirements, and to explore the optimal cloudlet deployment schemes. We will investigate macro cell network user aided cooperative transmission for disruptive or overloaded small cell network mobile users' computation tasks offloading algorithms, to achieve maximal transmission rate, load banlance of mobile relays and minimal task execution recovery time with cache redundancy techniques. This project will provide technical supports for mobile cloud computing to achieve high thoughput, high reliability and low communication delay on HetNet.

随着无线通信技术的不断发展和移动应用爆发性增长，用户对于通信带宽和网络计算资源的需求也越来越大。作为5G通信的核心技术，HetNet与移动云计算结合正成为新兴的学术研究热点。由于移动设备高度密集以及网络结构复杂多样，有效的资源配置和负载调度成为系统高效运行的保障。该课题针对异构网络下的移动云计算，研究高性能负载迁移、QoS保障以及故障恢复等技术。以利用小蜂窝网络用户中继和设计激励机制为思路，构造边缘宏蜂窝网络用户负载迁移模型，并率先探索异构计算任务的组合双拍卖算法研究；根据移动设备网络接入模式，设计平均延迟需求下信道分配和干扰控制策略，探索微云设备的最优部署方案；研究宏蜂窝网络用户中继协助下，故障或过载小蜂窝网络移动用户的计算任务迁移算法，谋求发送速率最大、中继负载均衡，以及采用缓存备份任务策略，最小化任务恢复执行延迟。为异构网络移动云计算提供高吞吐率、高可靠性、低通讯延迟的核心支撑技术。

无线异构网络（HetNet）作为5G技术之一，为终端设备云计算服务提供了基础设施保障。制约无线异构网络应用的关键问题主要有实时性与可靠性。其主要原因是无线传输中由于受到通信距离、带宽、发送功率限制，以及信道衰落效应的影响，会大大降低计算服务系统的性能，包括系统吞吐率、服务质量与能量有效性等。边缘计算将远程云计算服务部署在距离终端设备较近的边缘服务器上，以获得计算的高响应速率，提高终端设备应用的服务质量。因此，将边缘服务器部署在小蜂窝基站，结合远程宏基站连接的远程云服务器，可为移动终端设备提供多样化计算服务，例如分布式学习、推理任务卸载等。这些已成为智能驾驶、智慧城市等应用领域的关键技术。针对异构网络下的移动云计算，本课题重点研究研究高性能负载迁移、QoS保障以及协同计算增强服务鲁棒性等技术。其中，具体包括多网络同时接入节点协同通信信道再分配、中继协助下负载迁移激励机制、边缘服务节点部署、边边协同与边云协同下终端负载卸载延迟能效权衡等。通过搭建测试平台，以及设计高效的近似算法，我们验证了算法的有效性。以此为基础，我们扩展研究车联网中，车辆的高速移动对于负载卸载的影响，提出了多个新颖的协同负载卸载算法。目前，已在IEEE Trans. on Services Computing、IEEE Trans. on Cloud Computing、IEEE Trans. on Intelligent Transportation Systems等国际知名期刊与计算机体系结构、并行与分布式计算方向国际会议HPCC、ISPA等共发表论文 32篇，其中CCF推荐B类期刊3篇，CCF推荐C类期刊或会议21篇，申请发明专利4项，项目负责人作为博士后，协助博士后合作导师培养毕业或攻博研究生10名，超额完成原定计划。总体而言，经过项目组3年的努力，本项目取得了良好的研究成果，提升了异构网络带宽的利用率与边缘计算系统的性能，包括降低了边缘设备部署成本与计算延迟、减少了终端设备的能耗、保障了边缘节点与远程节点的收益，以及提高了系统的服务质量与可靠性等，推动了边缘计算系统的网络化应用。