【摘要】：隨著近年來移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,移動設(shè)備及其上運行的應(yīng)用已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠�。同時,由于移動應(yīng)用的開發(fā)框架及流程的逐漸成熟,且移動設(shè)備上傳感器的大量集成,一批對計算資源需求極大的應(yīng)用便應(yīng)運而生。這些應(yīng)用推動了移動設(shè)備頻繁地更新?lián)Q代,然而其有限的資源仍然成為了限制應(yīng)用提供更好服務(wù)體驗的瓶頸。隨著移動無線網(wǎng)絡(luò)的快速升級和云計算技術(shù)的日趨成熟,研究人員提出將移動應(yīng)用中一些計算密集型的模塊遷移至資源充裕的云端執(zhí)行,該方法不僅能夠提升應(yīng)用性能,而且可以減小移動設(shè)備的功耗。隨著該研究領(lǐng)域成果的逐漸積累,人們將這一領(lǐng)域稱為移動云計算。為了契合靈活多變的移動環(huán)境,目前移動云計算的相關(guān)研究都將計算遷移作為其計算模式的核心之一。雖然計算遷移能夠靈活地借助豐富的云端資源來提升移動用戶的服務(wù)體驗,但也帶來了新的挑戰(zhàn)和研究問題。本文在深入分析了移動云計算領(lǐng)域的相關(guān)研究成果之后,以性能優(yōu)化為目標(biāo),基于計算遷移設(shè)計了一系列優(yōu)化方案,主要在多用戶場景下的資源調(diào)度、可模塊化并行應(yīng)用的傳輸調(diào)度以及針對新型CNN移動應(yīng)用的任務(wù)調(diào)度等三個方面展開了研究工作。首先,本文探討資源有限的微云在多用戶接入時的在線資源分配策略和計算遷移方案。我們分析多用戶陸續(xù)接入時,在線資源分配方案呈現(xiàn)出的是一個序列決策過程�；谝陨戏治�,我們采用強化學(xué)習(xí)來設(shè)定計算和網(wǎng)絡(luò)資源的在線分配策略。而后,我們采用搜索剪枝方法,通過深度優(yōu)先遍歷來尋找多條線性鏈接,并基于一次遷移來確定每條線性鏈接上各模塊的執(zhí)行位置,進而確定整個應(yīng)用拓?fù)渲懈髂K的計算遷移方案。模擬實驗表明與在線貪心策略相比,基于強化學(xué)習(xí)的在線資源分配策略具有明顯的優(yōu)越性。同時,搜索剪枝得出的計算遷移方案能達到最佳遷移方案性能的90%。其次,本文分析了可模型化并行應(yīng)用在進行計算遷移后,結(jié)合移動端和云端進行分布式執(zhí)行時的傳輸調(diào)度問題。結(jié)合應(yīng)用中各模塊的計算遷移決策方案,我們設(shè)計了一個兩層的啟發(fā)式?jīng)Q策算法。其中外層采用上述的搜索剪枝方法,確定各模塊的計算遷移方案。而在內(nèi)層首先挑選需要同時跨網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪?綜合考慮每條邊的最晚開始時間及數(shù)據(jù)傳輸量,采用貪心算法設(shè)計跨網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸策略。實驗證明,結(jié)合搜索剪枝及貪心設(shè)計的啟發(fā)式?jīng)Q策算法,在滿足實時性的前提下顯著降低了可模塊并行應(yīng)用的響應(yīng)時間。最后,為進一步提升基于CNN(卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))模型的圖像識別類應(yīng)用的推理性能,本文圍繞計算遷移提出了圖片感知的分布式推理框架——IF-CNN。首先,為減小CNN模型的平均復(fù)雜度,我們從多個復(fù)雜度不同的CNN模型組成的模型池中選擇高效的模型來處理不同的輸入圖片。具體的,我們采用多任務(wù)學(xué)習(xí)方法來預(yù)測待選模型針對輸入圖片的top-1標(biāo)簽概率,并以此來衡量待選模型處理此圖片的置信度。并基于此置信度,來選擇某閾值以上的最簡單的CNN模型進行處理。在挑選高效的處理模型之后,我們根據(jù)移動端和云端的網(wǎng)絡(luò)狀況來實現(xiàn)CNN模型的分布式推理。在此過程中,我們分別采用半精度推理和特征壓縮來實現(xiàn)了本地推理和中間結(jié)果傳輸兩個階段的優(yōu)化。實驗表明,IF-CNN能在基本不影響最終識別率的前提下,顯著提升CNN模型的推理性能。同時,IF-CNN中的模型選擇過程能與其它模型壓縮的相關(guān)工作互補,進一步提升該類模型的推理性能。本文以優(yōu)化移動應(yīng)用的性能為目標(biāo),圍繞計算遷移提出了一系列的優(yōu)化方案來進一步減小應(yīng)用的響應(yīng)時間。首先,本文考慮到微云資源的有限性,采用了強化學(xué)習(xí)來設(shè)定多用戶接入時在線的資源分配方案及計算遷移策略。隨后,本文分析了可模塊并行應(yīng)用的特點,設(shè)計了其在計算遷移之后的傳輸調(diào)度策略。最后,為進一步提升CNN的推理性能,提出基于計算遷移提出圖片感知的分布式推理框架。我們希望本論文中的研究工作可以對移動云領(lǐng)域的發(fā)展及技術(shù)推廣提供一些參考和幫助。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP183;TP393.09
【圖文】：

，。線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量較差時，減小移動端與云端之間的數(shù)據(jù)交互，保障應(yīng)用的性能�；阱义弦陨戏治�，計算遷移模式能夠更好地適用變化多端的移動云環(huán)境。然而，對于移逡逑動云計算中“云”的概念，不同研宄人員有著不同的見解。（１）最常見的觀點認(rèn)逡逑為，為移動設(shè)備提供計算遷移服務(wù)的云即公有云（亞馬遜、微軟、阿里巴巴等構(gòu)逡逑建的面向企業(yè)或個人的云服務(wù)）的服務(wù)器。一般情況下，云數(shù)據(jù)中心計算資源豐逡逑富，但與移動端間的網(wǎng)絡(luò)距離較遠，網(wǎng)絡(luò)延遲和網(wǎng)絡(luò)帶寬不夠穩(wěn)定。（２）除常見逡逑的云數(shù)據(jù)中心觀點之外，來自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的Ｓａｔｙａｎａｒａｙａｎａｎ［１提出利用移動逡逑設(shè)備周圍的空閑服務(wù)器（簡稱微云，ｃｌｏｕｄｌｅｔ）來提供計算遷移服務(wù)，利用其與逡逑移動設(shè)備間高帶寬、低延遲的網(wǎng)絡(luò)連接為延遲敏感類應(yīng)用提供更優(yōu)越的用戶體逡逑驗。（３）另有一些研宄人員認(rèn)為，可利用周圍其他空閑可信的移動設(shè)備組成自組逡逑織的“云”，同樣提供計算遷移服務(wù)。這類研宄者認(rèn)為由大量智能移動設(shè)備自組逡逑織而成的對等網(wǎng)絡(luò)能夠互相提供富余的計算，從而共同解決一些問題，如大型災(zāi)逡逑難后網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施被破壞后的應(yīng)用場景。如圖Ｌ１所示，本論文將著眼于上述第逡逑一類和第二類所定義的移動云計算場景。逡逑

主要介紹基于計算遷移的移動云這一研宄領(lǐng)域的產(chǎn)生及特點，并對逡逑論文的研宄問題及內(nèi)容進行了詳細(xì)闡述，隨后介紹了全文的組織結(jié)構(gòu)。逡逑第二章，概括了移動云計算領(lǐng)域的相關(guān)研宄工作，主要從移動云計算的系統(tǒng)逡逑架構(gòu)、應(yīng)用場景、優(yōu)化目標(biāo)等方面對現(xiàn)有工作進行了分類和總結(jié)。逡逑第三章，在微云場景下，站在移動云服務(wù)提供商的角度，最大化接入同一微逡逑云的多個用戶的用戶體驗。為解決該問題，我們首先設(shè)計了基于強化學(xué)習(xí)的在線逡逑資源分配策略，為陸續(xù)接入的多個應(yīng)用分配相應(yīng)的計算和網(wǎng)絡(luò)資源。而后，我們逡逑采用搜索剪枝，基于一次遷移的理論找到應(yīng)用中各模塊的計算遷移方案。實驗表逡逑明，相較于在線貪心，我們提出的解決方案表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性，且搜索剪枝方逡逑法得出的計算遷移方案能達到最佳遷移方案性能的９０％。逡逑第四章，針對可模塊并行的應(yīng)用，將模塊間跨網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸策略集成到只逡逑包含各模塊執(zhí)行地點的計算遷移方案中，形成最終的擴展后的計算遷移方案。具逡逑體地，我們設(shè)計一個兩層的啟發(fā)式?jīng)Q策算法，其中外層通過搜索剪枝來枚舉出可逡逑行的模型執(zhí)行地點。而內(nèi)層在設(shè)計跨網(wǎng)絡(luò)傳輸策略時，采用貪心算法以滿足實時逡逑性需求。綜上，我們結(jié)合了搜索剪枝及貪心兩類算法，在滿足實時性需求的前提逡逑

．２．３自組織移動設(shè)備組成資源云的移動云架構(gòu)逡逑解決移動設(shè)備和云數(shù)據(jù)中心之間網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量較低的問題，除了利用附近的微云這個想法外，還有其他研宄人員提出“資源云”，即將相鄰備組織連接起來，互相共享資源［１７］。然而，由于資源云是移動設(shè)備自建，這樣原本由云端或微云實現(xiàn)的管理功能（如資源監(jiān)控和管理、任務(wù)）自然落在了移動設(shè)備之上。因此，基于這一架構(gòu)的移動云將不可避免移動設(shè)備的能耗。同時，由于移動設(shè)備可能會頻繁加入或退出、參與計認(rèn)證也比較復(fù)雜，這種架構(gòu)在真實場景下難以實現(xiàn)。自組織移動設(shè)備組的移動云架構(gòu)如圖２．３所示。逡逑

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本文編號：2774884