基于马尔科夫决策过程和区块链的边缘计算卸载关键技术研究

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随着科技的发展,软件对终端设备计算能力的需求与日俱增。然而,终端设备的性能与能耗成正相关,如何在终端设备能量约束的条件下满足软件性能需求成为当前的研究热点之一。边缘计算技术是解决终端设备能耗与性能问题的主要技术之一,该技术将终端设备的计算任务卸载至边缘网络进行计算,这不仅可以降低软件对终端设备的性能需求,还可以减少终端设备的能量消耗,达到能耗与性能平衡的目的。目前,许多边缘计算卸载方案只针对单一场景进行研究,不具有普适性,无法应用于实际工程,并且边缘网络的中心化程度过高,存在着较大的安全隐患。针对上述问题,提出自适应场景的卸载策略和区块链去中心化方案,分别围绕任务执行平均时长、任务平均切换次数、任务平均切换开销以及吞吐量、时延、扩展性等性能参数展开分析研究,主要工作和创新点总结如下:1.针对马尔科夫决策过程(Markov Decision Process,MDP)传输时延高且环境适应能力差等问题,提出一种融合模糊逻辑与马尔科夫决策过程的边缘计算卸载策略。采用模糊逻辑算法将系统参数模糊化,并且将模糊值引入适应度函数,保证系统参数能够有效融合;利用差分进化算法求解适应度函数最大值,从而选取出该环境的最优规则,提高边缘计算对环境的适应能力;将适应度函数引入MDP,提高系统综合性能。该方案将移动智能设备作为任务卸载发起方,将边缘服务器作为任务卸载对象,对一维MDP切换策略、一维仅时延MDP切换策略、二维MDP切换策略、模糊逻辑MDP切换策略、最小距离切换算法和最小时延切换算法进行仿真。仿真结果表明,模糊逻辑MDP的边缘计算卸载策略的任务执行平均时长为:608.8s,较一维MDP切换策略、一维仅时延MDP切换策略、二维MDP切换策略、最小距离切换算法和最小时延切换算法分别降低了27.2%、8.6%、37.1%、41%和22.3%。该方案在提高基于MDP的边缘计算卸载策略的环境适应性的同时,显著降低边缘计算的传输时延。2.为了提高边缘计算网络的安全性,解决信息处理中心受到攻击后边缘网络瘫痪的问题,提出一种基于区块链的边缘计算资源共享方案,对边缘计算系统进行分布式管理。针对区块链共识机制效率低下问题,提出一种基于模糊逻辑MDP的共识节点区域随机划分算法。该算法以终端设备为圆心,根据终端设备与共识节点的时延等因素划分共识验证区域,被划分到的共识验证节点亦具有随机性,所以共识验证过程的安全性较高。仿真结果表明,所提出的共识节点区域随机划分算法相较于能量受限的贪心博弈算法和固定时间限制的K均值小区域划分算法,平均交易时延降低8.84s和0.805s,同时扩展性和吞吐量均有提升。3.设计并搭建了私有链-边缘计算系统平台,完成了创世区块及节点初始化、节点添加、计算资源交易、共识等功能,并且验证了所提出基于模糊逻辑MDP的共识节点区域随机划分算法。
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