[發(fā)明專利]移動邊緣環(huán)境下基于聯(lián)邦學(xué)習(xí)和移動感知的QoS優(yōu)化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010595045.3
• 申請日: 2020-06-28
• 公開（公告）號: CN111756848B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張鵬程;魏芯淼;金惠穎;張雅玲;李清秋
• 申請（專利權(quán)）人: 河海大學(xué)
• 主分類號: H04L29/08
• 分類號: H04L29/08;G06F21/62;G06K9/62;H04W4/029
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 孟紅梅

1.一種移動邊緣環(huán)境下基于聯(lián)邦學(xué)習(xí)和移動感知的QoS優(yōu)化方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)收集邊緣位置信息和QoS數(shù)據(jù)集；其中收集數(shù)據(jù)包括兩個方面：包含用戶移動設(shè)備ID、Web服務(wù)ID、時間段ID和響應(yīng)時間、吞吐量的QoS數(shù)據(jù)集；包含邊緣網(wǎng)絡(luò)基站經(jīng)度緯度信息、時間片信息和調(diào)用信息的邊緣網(wǎng)絡(luò)基站數(shù)據(jù)集；

(2)以用戶移動設(shè)備ID和時間段ID為連接對QoS數(shù)據(jù)和邊緣位置信息進(jìn)行融合；包括：

(21)以用戶移動設(shè)備ID、時間段ID、Web服務(wù)ID和屬性值的順序整理QoS數(shù)據(jù)集，提取一定時間段內(nèi)一定數(shù)量用戶移動設(shè)備的調(diào)用信息，為用戶移動設(shè)備和時間段進(jìn)行編號；

(22)QoS數(shù)據(jù)集中的用戶移動設(shè)備數(shù)量、時間段數(shù)量和邊緣網(wǎng)絡(luò)基站數(shù)據(jù)集是相等的，以用戶移動設(shè)備ID和時間段ID為連接將兩個數(shù)據(jù)集進(jìn)行融合；

(3)整理邊緣網(wǎng)絡(luò)信息，過濾無效邊緣網(wǎng)絡(luò)基站，融合后整理得到移動邊緣QoS特征數(shù)據(jù)集；

(4)考慮邊緣基站的地理位置的平面分布情況，將原始的邊緣網(wǎng)絡(luò)劃分為多個邊緣區(qū)域，并提取各個區(qū)域的數(shù)據(jù)集；包括：

(41)根據(jù)邊緣網(wǎng)絡(luò)基站的經(jīng)緯度對應(yīng)的直角坐標(biāo)，基于聚類算法將整個邊緣網(wǎng)絡(luò)劃分若干區(qū)域，使每個區(qū)域中邊緣網(wǎng)絡(luò)基站地理位置的相似度最高；

(42)取出各邊緣區(qū)域在劃分的所有時間段內(nèi)的所有用戶移動設(shè)備ID、Web服務(wù)ID、時間段ID、邊緣網(wǎng)絡(luò)基站ID、響應(yīng)時間以及吞吐量，形成一個“用戶移動設(shè)備-Web服務(wù)-邊緣網(wǎng)絡(luò)基站”調(diào)用屬性表；提取數(shù)據(jù)表中的邊緣網(wǎng)絡(luò)基站和用戶移動設(shè)備，形成用戶移動設(shè)備表和邊緣網(wǎng)絡(luò)基站表；

(5)各用戶基于歷史調(diào)用信息訓(xùn)練用戶偏好模型，各邊緣區(qū)域的數(shù)據(jù)集基于聯(lián)邦學(xué)習(xí)確定公有模型，根據(jù)用戶偏好進(jìn)行服務(wù)緩存；

(6)根據(jù)基站的地理位置預(yù)測用戶的移動路徑，確定可選基站；

(7)基于服務(wù)緩存優(yōu)化和用戶移動感知，在邊緣區(qū)域內(nèi)進(jìn)行QoS動態(tài)優(yōu)化。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動邊緣環(huán)境下基于聯(lián)邦學(xué)習(xí)和移動感知的QoS優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟(3)包括：

提取邊緣網(wǎng)絡(luò)基站的經(jīng)緯度信息，投影到直角坐標(biāo)系，剔除在指定區(qū)域之外的基站信息；統(tǒng)計融合處理后數(shù)據(jù)集包含的邊緣網(wǎng)絡(luò)基站個數(shù)，為邊緣網(wǎng)絡(luò)基站編號；邊緣網(wǎng)絡(luò)基站的位置分布體現(xiàn)了數(shù)據(jù)集的移動性，用戶移動設(shè)備和Web服務(wù)之間的調(diào)用產(chǎn)生的服務(wù)質(zhì)量屬性體現(xiàn)了邊緣QoS特征，融合后得到移動邊緣QoS特征數(shù)據(jù)集。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動邊緣環(huán)境下基于聯(lián)邦學(xué)習(xí)和移動感知的QoS優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟(5)包括如下步驟：

(51)根據(jù)用戶移動設(shè)備表創(chuàng)建調(diào)用信息表，包含邊緣區(qū)域中的所有用戶對所有服務(wù)的調(diào)用信息；根據(jù)“用戶移動設(shè)備-Web服務(wù)-邊緣網(wǎng)絡(luò)基站”調(diào)用屬性表中的記錄更新調(diào)用信息，記錄用戶對每個服務(wù)的調(diào)用次數(shù)，用于用戶偏好模型訓(xùn)練；

(52)利用正態(tài)分布，為用戶移動設(shè)備表中的全部用戶移動設(shè)備生成特征向量，用于訓(xùn)練用戶模型；

(53)用戶移動設(shè)備表中的每個用戶的特征向量和服務(wù)調(diào)用信息用于訓(xùn)練用戶偏好模型，在訓(xùn)練過程中達(dá)成一種共識：對某個Web服務(wù)的調(diào)用次數(shù)越多，調(diào)用該服務(wù)的概率就越大，聚合用戶移動設(shè)備的特征向量并計算訓(xùn)練損失和梯度，迭代求出回歸系數(shù)；

(54)根據(jù)區(qū)域內(nèi)用戶移動設(shè)備的特征向量生成區(qū)域特征向量，用于區(qū)域公有模型的構(gòu)建；

(55)將所有用戶移動設(shè)備的模型參數(shù)上傳到公有模型中，以計算用戶偏好模型中各參數(shù)的均值的方式構(gòu)建區(qū)域公有模型，利用區(qū)域特征向量計算出該區(qū)域?qū)γ總€服務(wù)的偏好程度；選取偏好程度高的Web服務(wù)在該區(qū)域中進(jìn)行緩存。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動邊緣環(huán)境下基于聯(lián)邦學(xué)習(xí)和移動感知的QoS優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟(6)包括如下步驟：

(61)提取出用戶移動設(shè)備在各時間段調(diào)用的邊緣網(wǎng)絡(luò)基站ID，鎖定邊緣網(wǎng)絡(luò)基站的位置點，基于用戶不斷產(chǎn)生服務(wù)請求的共識，用邊緣網(wǎng)絡(luò)基站位置來擬合用戶的移動路徑；

(62)將用戶調(diào)用的邊緣網(wǎng)絡(luò)基站位置點集合作為樣本，用拉格朗日插值法擬合用戶的移動路徑；

(62)根據(jù)擬合路徑的方向預(yù)測用戶位置并基于基站的覆蓋范圍確定備選邊緣網(wǎng)絡(luò)基站集合，用于QoS優(yōu)化。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動邊緣環(huán)境下基于聯(lián)邦學(xué)習(xí)和移動感知的QoS優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟(7)包括如下步驟：

(71)提取上一時刻的邊緣網(wǎng)絡(luò)基站資源使用情況，用于QoS優(yōu)化；根據(jù)上一時刻的用戶接入邊緣網(wǎng)絡(luò)情況生成初始矩陣，利用人工蜂群算法尋找可行解，通過可行解矩陣與QoS矩陣相乘計算可行解的適應(yīng)度值，再根據(jù)最優(yōu)解的適應(yīng)度值，計算出區(qū)域的整體QoS以及區(qū)域內(nèi)用戶移動設(shè)備的分配率；可行解可表示為A_i＝[u₁，...u_i，...，u_n]，其中u_i為一個列矩陣，表示第i個用戶的邊緣網(wǎng)絡(luò)基站接入情況，n為區(qū)域內(nèi)用戶移動設(shè)備的個數(shù)；其中QoS矩陣Q中的元素表示用戶移動設(shè)備u_i在t時刻接入邊緣網(wǎng)絡(luò)基站s_j時獲得的QoS值，i∈U、j∈S，K表示用戶移動設(shè)備u_i調(diào)用的Web服務(wù)集合，U、S分別表示用戶移動設(shè)備集合和邊緣網(wǎng)絡(luò)基站集合，表示用戶移動設(shè)備u_i在邊緣網(wǎng)絡(luò)基站s_j調(diào)用Web服務(wù)w_k的歷史QoS數(shù)值，表示t時刻Web服務(wù)W_k是否在邊緣網(wǎng)絡(luò)基站s_j中緩存，表示t時刻用戶移動設(shè)備u_i在t時刻與邊緣網(wǎng)絡(luò)基站s_j的平面距離，α，β分別為邊緣網(wǎng)絡(luò)基站緩存和接入距離對QoS值的影響因子；區(qū)域的整體區(qū)域內(nèi)用戶移動設(shè)備的分配率其中N為區(qū)域內(nèi)用戶移動設(shè)備的數(shù)量，n為獲得邊緣網(wǎng)絡(luò)基站分配并正常響應(yīng)的用戶移動設(shè)備數(shù)量；

(72)判斷區(qū)域的整體QoS和用戶移動設(shè)備的分配率是否達(dá)到優(yōu)化要求，若未達(dá)到，則重新進(jìn)行步驟(71)的優(yōu)化；若達(dá)到，則完成優(yōu)化。