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超密集边缘计算网络下的任务卸载与资源分配方法研究

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超密集边缘计算网络下的任务卸载与资源分配方法研究

作者：唐煜星广西大学

学位级别：硕士

随着移动通信网络、互联网和物联网技术的快速发展,移动设备和传感器等应用终端的数量急剧增加,传输的数据量呈现出爆炸式增长的趋势,传统的云计算模式已经不能满足于大数据时代的要求,因为它需要将数据从用户的终端设备上传输到云端服... 详细信息

随着移动通信网络、互联网和物联网技术的快速发展,移动设备和传感器等应用终端的数量急剧增加,传输的数据量呈现出爆炸式增长的趋势,传统的云计算模式已经不能满足于大数据时代的要求,因为它需要将数据从用户的终端设备上传输到云端服务器进行处理和存储,这就会导致延迟过高和网络带宽不足等问题。在此背景下,移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)作为一种新型的计算范式应运而生,将计算和存储功能推向网络的边缘,能够显著降低数据传输的延迟以及能量的消耗,提升用户的使用体验和服务质量。超密集网络(Ultra-Dense Network,UDN)作为一种较为新型的通信网络,它采用大量的小型基站覆盖一些传统蜂窝网络无法覆盖到的小区域,能够有效提升频谱效率以及增加网络容量。与传统的蜂窝网络相比,UDN架构中采用更小、更加灵活的基站进行部署,可以更好地适应高密度的用户需求和异构网络环境。UDN可以与MEC相结合,形成一种新型的网络架构,称为超密集边缘计算网络。在该网络下,MEC服务器被部署在超密集小基站附近,用于处理网络中的数据和应用程序。通过将计算任务卸载到MEC服务器上处理,可以减轻核心网络的负担,并降低网络的延迟和能耗。同时,UDN的高密度基站部署可以实现更好的网络覆盖和更高的容量,为MEC提供更好的支持。本文的研究主要针对超密集边缘计算网络下的任务卸载与资源分配方法展开,具体进行的工作内容有:(1)针对用户任务不可划分,单个任务只能整体卸载到对应目标服务器的网络场景,本文提出了一种基于混合遗传模拟退火(Hybrid Genetic Simulated Annealing,HGSA)算法的任务卸载方法,联合考虑了用户的计算资源分配、传输功率控制、干扰管理等因素。首先证明了关于计算资源分配的子问题是凸优化问题并利用卡罗需-库恩-塔克(Karush-KuhnTucker,KKT)条件进行求解,其次利用了黄金分割算法进行用户的传输功率控制,并基于最大有效干扰方案进行信道分配降低用户间的传输干扰,最后采用所提算法求解用户卸载的对应目标服务器。仿真结果表明与其他经典算法相比,本文所提算法能有效提升系统卸载效用。(2)针对一些任务可划分且时延敏感型,并进一步考虑了服务器之间可以相互协作进行协同处理任务,部分计算节点充当辅助节点的系统场景,本文提出了一种具有服务器协作机制的基于任务优先级的混合启发式任务卸载算法。首先,对于用户的计算资源分配,通过构造拉格朗日函数并结合KKT条件解决。其次,考虑到单个用户产生的任务可以划分为不同的部分,分别由计算能力较强的主服务器和计算能力较差但部署更为灵活的协作服务器进行处理,将目标问题分解为关于任务的最优划分比例问题,通过引入辅助变量以及辅助函数,将任务划分问题变为光滑问题,原子问题进而转换成两类约束条件下目标规划问题,通过线性规划方法联立图解法进行求解。最后,根据用户、服务器以及系统通信质量等相关信息构造出用户的卸载优先级与服务器选择的优先级函数,并基于优先级函数制定任务卸载策略。仿真结果表明,与其他基准对比方法相比本文所提算法不仅能够有效降低系统时延,还能提升用户的整体卸载率。

关键词：移动边缘计算任务卸载资源分配超密集网络混合遗传模拟退火算法任务优先级

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卫星通信网络频谱资源管理若干关键技术研究

卫星通信网络频谱资源管理若干关键技术研究

作者：张福来广西大学

学位级别：硕士

目前地面通信网络仅仅能覆盖地球表面积的20%左右,剩余地区包括:沙漠、深山和大部分海洋。在上述传统地面通信网络难以覆盖的区域,卫星通信网络能够很好地提供无缝覆盖服务,其将与地面通信网络共同构建成为空天地一体化网络。随着移动... 详细信息

目前地面通信网络仅仅能覆盖地球表面积的20%左右,剩余地区包括:沙漠、深山和大部分海洋。在上述传统地面通信网络难以覆盖的区域,卫星通信网络能够很好地提供无缝覆盖服务,其将与地面通信网络共同构建成为空天地一体化网络。随着移动设备的数量激增,网络使用量呈指数增长,频谱资源日益紧张。因此,在卫星通信网络的应用场景中,为了实现频谱的高效感知,缓解卫星之间的干扰,提升用户的服务质量,从频谱感知、噪声不确定干扰、卫星的共线干扰三个方面依次开展若干关键技术的研究。目前,许多基于能量检测的卫星频谱感知方案并未考虑噪声不确定性所引起的信噪比壁现象而导致的性能退化问题,对此进行了改进,提出了一种适合卫星频谱感知的计算方法;同时,针对卫星的共线干扰问题,为了提高低地球轨道(Low Earth Orbit,LEO)卫星网络吞吐量,提出了一种同时保证地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)-LEO卫星网络的频谱共享策略。主要工作和创新点总结如下:1)基于矩估计的低轨卫星频谱感知方法针对卫星通信网络中的噪声不确定性问题,能量检测算法通常会出现检测性能退化的问题,提出了一种基于矩估计的认知卫星通信频谱感知方法。首先,将噪声不确定的接收信号的二阶矩和四阶矩进行线性组合;然后,将合理估算出的LEO信号有效功率作为检测器的决策统计量;最后,根据检测的结果与GEO卫星制定了频谱共享方案,理论分析和仿真验证了该算法在卫星通信网络中的性能。仿真结果表明,与传统算法相比,在相同条件下提出的算法能够达到更高的检测概率和更短的检测时间,这些性能提升对认知卫星通信非常重要。2)基于GEO卫星与多波束LEO卫星共存的动态协同频谱共享方案针对LEO卫星通过GEO波束覆盖区域时产生的共线干扰,导致地面用户服务质量下降甚至中断的问题,在卫星网络中提出了一种动态的频谱共享与协同服务方案。首先,根据用户的使用情况构建LEO波束使用的无向拓扑图;再根据最小顶点算法将LEO地面用户分为若干组内互不干扰的子用户组;然后,将频谱共享问题建模成凸优化问题,通过算法迭代求解数据传输速率;最后,根据数据传输速率和排队任务量合理分配单位时隙内的时间资源,保证卫星服务的公平性。仿真结果表明,在避免组内干扰并且保证服务公平性的情况下,提出的方法能够有效地提高LEO卫星通信系统的网络吞吐量。

关键词：卫星通信网络频谱感知噪声不确定性共线干扰

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基于网络编码的无线传感器网络路由算法研究

基于网络编码的无线传感器网络路由算法研究

作者：罗莉广西大学

学位级别：硕士

本文研究如何应用网络编码技术来提高无线传感器网络路由算法的性能,以减少在路由过程中的节点能量消耗,延长整个网络的寿命。网络编码是信息论领域诞生的新技术,它的出现改变了传统路由技术所采用的存储-转发的数据分发形式,而将数据... 详细信息

本文研究如何应用网络编码技术来提高无线传感器网络路由算法的性能,以减少在路由过程中的节点能量消耗,延长整个网络的寿命。网络编码是信息论领域诞生的新技术,它的出现改变了传统路由技术所采用的存储-转发的数据分发形式,而将数据在网络的中继节点进行编码处理后再转发,以压缩数据的方式减少了网络中传送的数据分组数目,从而提高了带宽利用率。针对无线传感器网络节点能量受限这一特点,本文利用网络编码技术,以降低节点能耗为目的,研究了基于网络编码的无线传感器网络路由算法,主要工作可以概括为： 1)针对固定网络拓扑结构中的无线传感器网络多播路由问题,提出了链路共享度的概念,按照链路共享度的值来确定链路的优先级,利用共享链路来减少多播路由所需的链路数目。在实验中,采用随机网络进行实验验证,计算机仿真结果表明,该算法与传统的最短路径多播树算法相比,可节省网络资源约6%～15%,结合随机网络编码算法,能够有效提升多播传输的性能。 2)针对未知网络拓扑结构中的无线传感器网络多播路由问题,提出了改进的Ford-Fulkerson算法,该算法是结合网络编码技术和节点分离路径建立无线传感器网络多播路由的分布式算法,能够减少参与多播路由的节点,并且整个多播过程中单个节点所需的传输次数大大减少,使得传感器节点的能量消耗得到有效减小,整个网络的数据流量分布更加均匀,从而延长了整个网络的生命周期。 3)基于在无线传感器网络中多汇聚节点同时向网络中广播不同查询信息所带来的多余能量损耗问题,提出了一种利用网络编码技术在部分传感器节点对数据包进行编码一转发的广播节能算法。在该算法中,节点是否参与编码转发依赖于本地邻居节点的信息。实验仿真结果表明,根据网络规模和节点密度不同,该算法能有效减少广播中参与转发的节点数目和编码节点数,从而降低了整个网络的能量消耗和计算开销,改善了网络性能。

关键词：无线传感器网络网络编码路由多播广播能耗

基于物联网的基站蓄电池运维及应急发电调度系统开发

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基于物联网的基站蓄电池运维及应急发电调度系统开发

作者：潘成举广西大学

学位级别：硕士

铅酸蓄电池广泛应用于通讯、交通、安防等领域,具有极其重要的作用。作为通讯基站的主要备用电源,铅酸蓄电池如果在市电供应中断时发生故障,就会造成整个通讯网络业务系统的阻断,导致通讯运营商蒙受巨大的经济损失。目前,由于通讯基站... 详细信息

铅酸蓄电池广泛应用于通讯、交通、安防等领域,具有极其重要的作用。作为通讯基站的主要备用电源,铅酸蓄电池如果在市电供应中断时发生故障,就会造成整个通讯网络业务系统的阻断,导致通讯运营商蒙受巨大的经济损失。目前,由于通讯基站具有数量多、分布广、无人值守等特点,基站中的铅酸蓄电池在生命周期内暴露出了较多的问题,因此,需要建立一种高效的蓄电池运维方案。同时,我国目前电力供需形势紧张,拉闸限电、电网故障、电网检修等原因导致通讯基站供电形势严峻,基站应急发电保障工作问题越来越突出,传统基站移动油机调度系统仍存在缺陷,无法对基站移动油机的发电位置及油耗实现精确监控。一般情况下,在遇到通讯基站中市电停止供应时,维护工作人员的处理方式往往具有盲目性。他们单纯的为了提高维护响应率,在收到发电通知后就立即安排人员、车辆准备前往发电,而在奔赴发电现场后,部分维护工作人员在蓄电池还能较长时间工作的情况下,就断开了蓄电池组,启动柴油机为基站供电,况且有些基站的停电时间是已知的,如果基站蓄电池的放电时长大于市电停电时间,那么就没有安排人力进行发电的必要。显然,维护工作人员的这种处理方式是不合理的,很大程度上增加了通讯运营商的维护成本。针对通讯基站中的铅酸蓄电池的管理现状,本论文设计并开发了一套通讯基站蓄电池的监控管理系统,该系统通过实时监测蓄电池的工作参数,并对它们进行分析处理,制定合理的蓄电池维护策略和精细的应急发电调度方案,从而为通讯运营商降低运维成本。本论文的主要工作内容如下：1、针对通讯基站铅酸蓄电池管理存在的问题,分别设计了基于物联网RFID技术的蓄电池运行参数采集电路方案、基于物联网GPRS技术和互联网技术的数据传输电路方案,并制作了基站蓄电池监控仪,能够实现对基站蓄电池组每一节单体电池的端电压、电流和工作环境温度的高精度、实时监控。2、在Visual Studio平台上开发了一个基站发电监控管理软件系统,该系统能够对基站蓄电池的工作数据进行存储、分析和波形图的绘制,并有效结合了地理信息系统(GIS),获取维护工作站和基站的经度、纬度,计算出两站点的路程时长,最终实现了对基站蓄电池工作数据的分析处理、电池性能评估以及应急发电调度方案的生成等功能。

关键词：铅酸蓄电池物联网维护管理应急发电

基于无线体域网的多体征监测分析系统设计与实现

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基于无线体域网的多体征监测分析系统设计与实现

作者：陈哲广西大学

学位级别：硕士

随着时代的发展,世界人口爆炸式增长与人口老龄化所衍生出的一系列问题受到人们的重视,中老年人等特定人群的健康保健问题亟待解决。然而,传统的集中式医疗监控方法在对病患实施监护时存在许多不足,甚至会给病患施加额外的心理负担。无... 详细信息

随着时代的发展,世界人口爆炸式增长与人口老龄化所衍生出的一系列问题受到人们的重视,中老年人等特定人群的健康保健问题亟待解决。然而,传统的集中式医疗监控方法在对病患实施监护时存在许多不足,甚至会给病患施加额外的心理负担。无线体域网技术结合了无线通信、数据云存储、移动应用等技术,可以长时间且无间断地监控和记录人体的体征数据,克服了传统监护存在的大型化、不可便携性等缺点,满足人们对日常医疗监控的高效性、可穿戴性、舒适性、安全性等要求。本文主要设计与实现了基于无线体域网的医疗监测系统,并将本系统与神经网络相结合,提出一种人体体征状态分析模型,主要工作和创新点总结如下:1.本文研究了无线体域网技术,对无线体域网系统的总体网络结构与关键技术进行分析,并以无线体域网架构与理论技术为基础设计与实现了基于无线体域网系统架构的体征监控系统。系统结合了无线体域网技术、低功耗蓝牙技术、生理检测技术、Android移动开发技术、远程服务器技术等,基本实现了对人体的体温、心率、血氧、呼吸参数的采集和数据存储。实验结果表明,本系统可以较为准确地采集人体的生理数据,实现了Android客户端软件与远程服务器的数据交互,基本完成系统设计时的需求。2.人体的体征状态处于连续变化的过程中,在对一段时间内人体的体征状态进行分析与判断时,可将某时刻的体征数据与前后时刻的数据结合分析。本文在实现对人体多项基本体征监测的基础上,提出了一种人体生理状态评估和趋势预测模型,该模型利用神经网络模式分类的功能,对系统采集的多项人体生理数据进行实时的多参数融合分析。实验结果表明,本模型具有较好的性能与可用性,对人体状态分类的准确性能够达到96.5%以上,预测结果与实际结果较为接近,基本符合初始设计的要求。

关键词：无线体域网低功耗蓝牙技术 Android移动开发远程服务器神经网络

DS-CDMA通信系统中线性多用户检测技术的研究

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DS-CDMA通信系统中线性多用户检测技术的研究

作者：唐湘义广西大学

学位级别：硕士

DS-CDMA通信系统是一个干扰受限系统，传统的检测技术由于多址干扰和“远—近”效应的影响使系统的性能和容量明显下降。多用户检测正是针对上述问题而提出的一项关键技术。它将信号中的多址干扰看作一种有用信息，利用扩频序列之间的... 详细信息

DS-CDMA通信系统是一个干扰受限系统，传统的检测技术由于多址干扰和“远—近”效应的影响使系统的性能和容量明显下降。多用户检测正是针对上述问题而提出的一项关键技术。它将信号中的多址干扰看作一种有用信息，利用扩频序列之间的互相关性来消除多址干扰，能减轻“远-近”效应影响，改善系统的性能，提高系统的容量。由于最优多用户检测器具有随用户数量增加而呈指数规律增长的计算复杂度，不具有实用的价值。本文主要研究次最优的线性多用户检测技术，工作具体如下： ●从DS-CDMA系统模型出发，研究了解相关多用户检测器和MMSE多用户检测器的性能，并以MMSE线性检测技术为基础，研究了变步长和固定步长的LMS-MMSE自适应多用户检测器和基于最小输出能量准则的盲自适应多用户检测器。 ●以统计信号处理理论和密度函数估计理论为基础，利用最优化设计方法在同步DS-CDMA系统的下行链路研究了最小误码率多用户检测器及自适应实现的LBER多用户检测器。 ●研究了基于逻辑映射的混沌序列的性质，提出了混沌扩频序列优化设计的原则，以最小误码率多用户检测器为平台，研究了采用优化混沌扩频序列和传统扩频序列扩频时系统的性能。广西大学硕 l－b）fgy主学位论文摘要本文的工作得到了广西教育厅科研项目（桂教科研「2002〕316号）的资助

关键词：直接序列码分多址(DS-CDMA) 多址干扰线性多用户检测器最小误码率多用户检测器优化混沌扩频序列