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原文传递海域异构网络和资源优化调度关键技术研究

论文题名：	海域异构网络和资源优化调度关键技术研究
关键词：	海域异构网络;边缘计算;缓存策略;云-边-端卸载互动
摘要：	信息技术的不断进步，移动物联网的蓬勃发展，带来的是移动数据流量爆炸式的增长。其中，海洋网络应用的流量成为其中的重要的一部分，这也是空天网络、智慧海洋的发展的趋势。探索部署高可靠、高速率、低成本的新型海上通信网络，对发展未来海洋领域相关产业及海洋安全保障等都具有极其重要的意义。对海上通信网络全方位覆盖、数据传输质量以及时效性等信息服务能力提出了更高要求。现有移动通信网络与卫星网络的多维覆盖，为在分布式空天覆盖的海洋无线网络提供良好的基础，其中包括现有的蜂窝网络、岸基、星际链路等接入的异构网络。空天覆盖的海洋网络，万物互联时代与海洋边缘网络密不可分，为实现高速率、低延时的等多样化、差异化的用户需求，将计算交付到海洋边缘网络，减少对核心网络的依赖，大幅度提升业务的效率。在此基础上，面向海域异构网络，将通信、计算、缓存进行有效的结合，基于边缘计算的网络服务优化研究，为提升海洋通信系统性能和未来发展提供技术与理论支撑。本文的主要贡献如下：　　（1）海域异构网络中船舶视频数据调度算法研究　　以海洋/海事信息交互任务为中心，如船载航行数据记录仪采集的视频数据，可以通过海事信息物理系统有效地传送，与昂贵的低波段的卫星通信相比，成本更低。面向海事信息物理系统，构建一个近岸无线传输网络框架，联合考虑间歇性的网络连接的特性，提出船舶视频数据包传输的在线和离线调度方案，目标是尽可能地保证网络吞吐量最大化。首先，将调度问题转化为基于数学的作业-机器问题，然后，利用时间-容量映射方法，将视频数据包通信传输的初始间歇性连接问题转换为单一机器的调度问题，提出三种算法，即离线时间-容量映射的两阶段算法、在线接纳算法和指数容量算法，以使数据包传输的总权重最大化。基于专用船舶导航软件提取的数据，通过仿真验证了所提的方案的有效性以及优越性。　　（2）海域异构网络中多船舶多任务的边缘计算卸载研究　　随着海事物联网设备的大量接入，带来了船舶用户需求（如海事服务和娱乐）的增加，大大超出了网络的供给。为了满足移动网络高速发展对高带宽和低延迟的要求，降低网络负荷，将计算卸载技术引入海上移动边缘网络，结合通信与计算，研究多船舶多计算任务卸载问题。首先，确定计算密集型任务是否应该被卸载到边缘云服务器上。其次，选择合适的边缘服务器来运行计算任务。为了减少时间延迟和设备能量消耗，基于信道选择方案，提出了一种基于改进的匈牙利算法的海上移动边缘计算网络的多船舶多任务计算卸载算法，并对所提方案进行验证，高效有序利用边缘云资源，保障海洋网络服务性能。　　（3）海域异构网络中船舶计算任务的云-边-端卸载互动研究　　随着大量海事物联网设备接入和海洋网络的探索以及海事活动的不断增长，为海事数据的处理成本和能源效率带来巨大挑战。为了解决该问题，将通信与计算相结合，考虑到复杂的海洋环境下，不同的海事应用对网络的服务质量（Quality of Service， QoS）需求，通过计算卸载的方式，对移动设备进行卸载优化，提出了一个两阶段的联合优化卸载算法，在能量受限和延迟敏感的情况下，对计算和通信资源优化分配。在第一阶段，海上用户考虑到自身的需求和海洋环境，决定是否卸载计算任务。然后，考虑到延迟和能源消耗的动态权衡，对信道和功率进行合理分配，以优化第二阶段与中心云服务器协调的卸载策略。最后，仿真结果显示了所提算法的有效性，实现计算资源的高效配置，满足海洋通信网络用户多样化的业务需求。　　（4）海域异构网络中船舶用户文件的缓存策略优化研究　　针对船舶用户的港口航行和近岸航行场景，将船舶用户视为设备用户，通过在移动设备上合理部署缓存策略，结合传统的基站传输方式，将通信与缓存相结合，进一步提高效率。移动感知缓存策略分为两个问题来解决。第一个问题是将解决用户的延迟最小化的缓存放置问题转化为决策问题，提出了一种近似于最优解的低复杂度算法，并利用次模函数的特性证明了该方法。第二个问题涉及外部限制参数，如缓存文件类型、缓存上限和截止时间。通过仿真发现，随着外部参数的变化，整个系统的性能提升存在一个瓶颈。对这些参数进行合适的表述可以使系统处于输入和输出最有效的范围，基于边际效应原则，并使用贝叶斯优化法来解决这些参数的选择问题，进一步使优化方法的性能。最后，通过真实数据的仿真得到验证，进而提高缓存资源利用率和网络服务质量。　　综上所述，本文立足于开发更加高效的集成海洋通信网络和研究相应的高效海洋通信网络资源优化配置这两个研究点，将通信、计算、缓存相结合，充分考虑跨网和承载多用户与多业务的巨系统的复杂性，探索海域异构网络和资源优化调度关键技术研究，可为海洋水文气象、资源勘查、减灾、船舶数据传输、海上智能运输系统等应用提供网络化信息服务，特别是对海上突发应用模式的资源灵活调度支持研究，从而优化系统业务接入控制和网络服务性能。
作者：	冯海龙
专业：	交通信息工程及控制
导师：	杨婷婷
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022