多用户协作移动业务云的构建与资源优化技术研究

Mobile cloud computing enables the users access to the cloud at any time anywhere through the wireless network, for obtaining their required information and services. The difference in technology architecture, resource capacity and operation management makes the integration of heterogeneous mobile cloud computing systems difficult, although they may have lots of similarity. This phenomenon results the widespread computing, storage and network resource cannot be utilized efficiently by the mobile users. Therefore, considering service oriented idea and focusing on multi-user cooperation, this project proposes a mobile service cloud. It is an application collection that are constructed above the heterogeneous mobile cloud computing infrastructures, platforms and software, which provides reliable services by efficient and intelligent resource management framework, for shielding the complicated hardware logic, different network protocols and software architectures. This project will establish multi-user cooperation theory and resource optimization mechanisms, which includes an intelligent resource framework and the three aspects of core functions: (1) fairly cooperative service offloading strategy; (2) seamless service migration based on the resource orchestration; and (3) service-aware transmission control. The general goal of this project is: (1) realizing the cooperation between a variety of mobile cloud computing systems, (2) reducing the negative influence of heterogeneous resources to service quality; (3) taking full advantage of resources in a fair and high efficient way and (4) promoting a benign and healthy development of future mobile cloud computing services.

移动云计算使用户通过无线网络在任何时间、任何地点便捷地访问云计算资源，获取信息和服务。然而，异构的移动云计算系统由于技术架构、资源容量和管理运营等差异，即使存在很多共性，也难以相互融合，导致分布广泛的计算、存储和网络资源无法真正被移动用户有效使用。本项目拟提出以业务为导向，以多用户协作为关注点，构建在异构移动云计算基础设施、平台及软件之上的移动业务云，通过高效智能的资源管理框架，屏蔽复杂的底层硬件逻辑、网络协议、软件架构和资源提供方式，对外提供可靠服务。项目拟建立多用户协作移动业务云的基础理论模型和资源优化机制，包括一个智能资源管理框架以及基于公平协作的业务卸载策略、基于资源编排的业务无缝迁移机制和业务感知的传输控制等三项核心功能。总体目标是实现多个移动云计算系统的协作共存，减少异构资源环境对业务质量的不利影响，保证资源使用的高效性与用户协作的公平性，促进未来移动云计算业务健康良性发展。

项目圆满实现了项目的总体目标，部分目标超额完成。在异构移动云计算基础设施、平台及软件之上，构建了移动业务云系统，实现了高效智能的资源管理框架，完成了基于公平协作的业务卸载策略、基于资源编排的业务无缝迁移机制和业务感知的传输控制等三项核心成果。项目组基于OpenStack、OpenDaylight和Docker搭建了实验平台，开发了具有多个依赖子任务的智能应用，即短文本分析、草图检索、菜品识别和图书推荐，可实现业务卸载、资源编排、业务迁移与切换等功能。移动业务云实现了多种移动云计算系统的协作共存，提高了资源利用率，保证了协作公平性。项目现已在国际知名学术期刊发表SCI索引论文27篇，形成了一整套创新性研究成果，在相关领域产生了一定的影响力，三项代表性成果如下：.（1）研究了移动业务云中业务卸载的核心问题，提出全方位感知的在线决策业务卸载机制。以业务时延为目标，利用先进的深度强化学习方法，为复杂业务中多个子任务逐一提供卸载决策，持续学习且评估策略，获取长期收益优化的业务卸载经验知识。实验结果表明，基于深度强化学习的业务卸载决策，可降低复杂业务时延，更好得适应网络环境变化。.（2）提出一套多场景下快速资源编排机制。依据移动速度和方向，利用探照灯方法计算资源可用度，设计了轻量级多目标优化的资源编排算法；针对家庭设备的有限资源，提出了基于环状粒子群资源编排算法；利用车载业务云的资源聚集特性，设计了基于快速聚类的粒子群资源编排算法。实验结果表明，在可接受时间范围内，针对三类场景改进的粒子群算法与传统遗传算法和粒子群算法相比，有效提高了资源编排效果。.（3）以节约移动终端能耗为目标，提出了移动业务云的移动性管理机制。通过感知移动终端使用业务或访问云计算资源的行为，判断其在线状态，减少周期性注册更新次数，并根据网络状态、终端资源和QoS需求，选择切换模式。实验结果表明，能耗敏感的移动性管理机制，可减少冗余数据传输，节约终端能耗，保证多媒体业务的QoS。