一种面向移动Web增强现实的边缘服务器管理系统的制作方法

一种面向移动web增强现实的边缘服务器管理系统
技术领域
1.本发明涉及移动web增强现实，具体来说，涉及一种面向移动web增强现实的边缘服务器管理系统。


背景技术：

2.近年来，人工智能和计算机视觉技术的发展极大的推动了ar技术的应用。该技术能够将虚拟内容无缝集成到真实环境中，通过沉浸式的视觉体验从而极大地丰富用户与现实世界的交互方式。
3.基于web的移动ar技术不仅为用户在移动设备上体验ar服务提供了便利，同时也为移动ar应用的开发与部署提供了一个统一的平台。然而，在5g边缘网络中实现高效的ar服务提供则需要考虑针对于web ar和移动性的特定要求。
4.首先，ar服务订阅者能够在运动过程中随时随地通过他们的移动设备访问ar服务，而不再受限于特定区域。其次，移动web ar作为一种计算密集型应用，需要消耗大量的计算资源为移动用户提供实时的沉浸式视觉交互体验。第三，在诸如运动赛事、商场促销、音乐节等热点场景下，大多数ar虚拟内容均与地理位置相关并且需要实时交付给ar服务订阅者。
5.由于移动web平台计算力较弱，目前5g网络下移动web ar解决方案大多利用边缘计算技术来实现近距离的ar服务提供，旨在避免向云服务器密集的数据传输，同时也能够缓解ar视觉数据在网络传输中的高时延问题。但是，目前边缘辅助的移动web ar解决方案主要是针对单个边缘服务器设计的，难以应对边缘系统分布式的特性和边缘节点的移动性、位置相关的ar内容分发以及热点区域或事件引起的服务请求密度的变化等复杂的情况，从而大大限制了移动web ar的用户体验。
6.针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

7.针对相关技术中的问题，本发明提出一种面向移动web增强现实的边缘服务器管理系统，其能够对边缘移动节点进行定位，并且对边缘服务器资源以及移动web ar服务进行调度，从而为用户提供位置感知的移动web ar服务体验。
8.本发明的技术方案是这样实现的：一种面向移动web增强现实的边缘服务器管理系统，包括：服务器性能检测模块，用于周期性的监测管理范围内所有边缘服务器的计算及网络通信性能信息；web ar服务功能模块，用于提供移动web ar服务所需的任务处理能力；ar任务调度模块：用于在用户移动场景下提供基于gps或标定服务器位置感知的ar任务调度；边缘服务器协同模块：用于边缘系统中各个边缘服务器之间服务与资源的协同调
度，平衡边缘服务器系统中所管理边缘服务器的移动web ar服务查询请求及ar计算任务的工作负载，并基于边缘服务器系统中基于用户的位置信息及其他要求对移动web ar服务进行迁移操作；web ar服务管理模块：用于边缘服务器性能信息、任务调度信息、负载均衡信息以及服务迁移信息进行移动web ar服务在边缘服务器中的集中式管理。
9.进一步的，所述web ar服务功能模块包括：移动web ar功能服务模块，用于提供移动web ar服务所需的底层支撑功能，该底层支撑功能包括特征提取功能、目标检测功能、目标识别功能、模板匹配功能；ar虚拟内容管理模块，用于实现对分布式存储在边缘服务器中的ar虚拟内容的管理，其中，所述分布式存储的ar虚拟内容的存储格式为位置信息 移动web ar服务id ar虚拟内容数据 访问热度；移动web ar服务维护及迁移管理模块，基于边缘服务器与云服务器所建立的web socket连接进行通信，用于管理部署在边缘服务器中的ar服务支撑功能及虚拟内容数据。
10.进一步的，所述ar任务调度模块包括：边缘节点定位模块，用于提供包括移动web ar用户终端设备和边缘服务器在内的所有边缘节点的定位能力；移动感知的服务器选择模块，用于根据用户当前位置在边缘服务器系统中为其选择合适的边缘服务器以提供服务。
11.进一步的，所述边缘节点定位模块包括：基于gps方法的定位机制模块，用于直接基于移动用户终端设备和边缘节点提供的gps数据提供定位服务；基于标定服务器的定位机制模块，用于实现gps数据不可用的情况下基于标定服务器的边缘节点定位。
12.进一步的，所述基于标定服务器的定位机制模块在基于标定服务器的边缘节点定位时，通过计算该节点与所有标定服务器之间的rtt值，并根据rtt值得到该边缘节点所对应的标定服务器的下标序列；将每个边缘节点都将借助哈希函数生成各自的哈希值，并将其前缀替换为得到的标定服务器下标序列，得到每个边缘节点的哈希值，对比哈希值的差值计算得到两个边缘节点之间的距离，并根据距离的判断以及rtt值，确定边缘节点的定位。
13.进一步的，所述基于标定服务器的定位机制模块在根据rtt值得到该边缘节点所对应的标定服务器的下标序列时，通过rtt值从小到大或者从大到小的顺序得到该边缘节点所对应的标定服务器的下标序列。
14.进一步的，所述基于标定服务器的定位机制模块在根据距离的判断以及rtt值，确定边缘节点的定位时，通过距离的判断确定距离最近的边缘节点，然后根据该边缘节点所对应的标定服务器下标序列，将标定服务器的定位作为该边缘节点的定位。
15.进一步的，所述边缘服务器协同模块包括：工作负载均衡模块，用于平衡边缘服务器系统中所管理边缘服务器的移动web ar服务查询请求及ar计算任务的工作负载；服务迁移模块，用于在边缘服务器系统中基于用户的位置信息及其他要求对移动web ar服务进行迁移操作。
16.进一步的，所述工作负载均衡模块包括：查询请求工作负载均衡模块，用于对移动web ar服务url地址进行哈希化，得到哈希值，根据哈希值确定各个边缘服务器不同的计算能力，并根据各个边缘服务器不同的计算能力分配不同数量的移动web ar服务查询请求，同时用于调整各个边缘服务器中负责移动web ar服务分配区间上限值，实现移动web ar服务查询请求分配在边缘服务器系统中的动态调节；ar计算任务工作负载均衡模块，用于周
期性的将所有的边缘服务器按照其计算性能构造为最大堆结构，在边缘服务器的选择过程中，将ar计算任务分配到能够提供最大堆结构最强的边缘服务器，以提供辅助计算。
17.可选的，迁移操作的迁移策略包括：选择与移动web ar用户距离最近的边缘服务器作为迁移目标；选择整个边缘网络中工作负载最小的服务器作为服务迁移的目标；通过采集大量用户在边缘网络中的运动轨迹，并分析得到接入边缘服务器间的转移概率矩阵，按照转移概率选择服务迁移目标；通过评估请求的移动web ar服务对于cpu、内存等资源的需求与当前各边缘服务器所能提供的计算资源的情况，选择合适的边缘服务器作为服务迁移目标。
18.有益效果：本发明的特点是通过针对移动web ar应用的边缘服务器协同与管理，以支持可扩展的高质量移动web ar服务提供。本发明系统借助地标信息对边缘节点进行定位以实现对边缘网络动态变化的管理，包括由于用户移动造成的位置的动态变化以及ar服务请求的动态变化。其次，在平衡工作负载和管理服务质量的同时，本发明系统还考虑了请求服务处理的性能和计算卸载的成本，并利用动态哈希机制和最大堆机制进行高效的移动web ar服务查找和计算工作负载管理。同时，本发明系统针对服务迁移方案设计中的消息传输效率、调度等待时延以及移动web ar服务迁移的准确性等多个性能因素进行了优化。本发明系统旨在通过对分布式边缘网络系统的协同设计，以优化移动web ar的应用性能。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是根据本发明实施例的面向移动web增强现实的边缘服务器管理系统的结构示意图；图2是根据本发明实施例的移动web ar功能服务模块的结构示意图；图3是根据本发明实施例的ar任务调度模块的结构示意图；图4是根据本发明实施例的边缘服务器协同模块的结构示意图。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.根据本发明的实施例，提供了一种面向移动web增强现实的边缘服务器管理系统。
23.如图1所示，根据本发明实施例的面向移动web增强现实的边缘服务器管理系统包括：服务器性能检测模块，用于周期性的监测管理范围内所有边缘服务器的计算及网络通信性能信息；web ar服务功能模块，用于提供移动web ar服务所需的任务处理能力；
ar任务调度模块：用于在用户移动场景下提供基于gps或标定服务器位置感知的ar任务调度；边缘服务器协同模块：用于边缘系统中各个边缘服务器之间服务与资源的协同调度，平衡边缘服务器系统中所管理边缘服务器的移动web ar服务查询请求及ar计算任务的工作负载，并基于边缘服务器系统中基于用户的位置信息及其他要求对移动web ar服务进行迁移操作；web ar服务管理模块：用于边缘服务器性能信息、任务调度信息、负载均衡信息以及服务迁移信息进行移动web ar服务在边缘服务器中的集中式管理。
24.在实际应用时，对于服务器性能检测模块来说，其可用于监测各边缘服务器的主频信息、cpu、内存以及存储空间的占用等情况以评估该服务器的计算能力；同时，该模块还用于周期性地探测所管理区域内各边缘服务器之间的数据包往返传输时延（round
‑
trip time，rtt）、带宽甚至数据传输的丢包率等网络属性，以此评估数据在边缘服务器系统中的通信成本。
25.对于web ar服务功能模块来说，所有的移动web ar服务功能都可以通过不同的方式实现，例如基于传统计算机视觉的实现方式和基于神经网络的实现方式。所有的功能模块都能够为ar应用提供统一的服务能力，但同时也可以根据不同的移动web ar服务需求提供特定的服务能力。此外，ar虚拟内容管理则仅负责所管理区域内各移动web ar应用所涉及到的ar虚拟数据的分布式部署及管理。
26.对于ar任务调度模块来说，移动用户终端设备可以通过web socket等技术与边缘服务器连接，当边缘服务器收到由移动用户发送的ar服务请求时，边缘服务器将首先对该边缘节点通过gps或基于标定服务器的方式进行定位，其中，该边缘节点的位置信息既可以是基于gps数据的实际地理位置信息，也可以是在标定服务器所构建的坐标系下的相对位置。随后借助移动感知的服务器选择模块将该请求转发到指定的边缘服务器。
27.对于边缘服务器协同模块来说，其通过对各个边缘服务器计算性能和网络通信性能的周期性监测，从而通过动态的调节各个移动web ar服务在边缘服务器系统中的分配情况，从而实现边缘服务器系统中工作负载的均衡；另一方面，针对用户在访问移动web ar服务过程中不断运动的情况，还需要根据用户设备的运动位置情况，将移动web ar服务在边缘服务器系统中进行迁移。
28.对于web ar服务管理模块来说，该模块基于边缘服务器管理系统所监测到的边缘服务器性能信息、任务调度信息、负载均衡信息以及服务迁移信息进行移动web ar服务在边缘服务器中的集中式管理，包括服务的部署决策以及更新等操作。
29.如图2所示，在具体应用时，所述web ar服务功能模块包括：移动web ar功能服务模块，用于提供移动web ar服务所需的底层支撑功能，该底层支撑功能包括特征提取功能、目标检测功能、目标识别功能、模板匹配功能；ar虚拟内容管理模块，用于实现对分布式存储在边缘服务器中的ar虚拟内容的管理，其中，所述分布式存储的ar虚拟内容的存储格式为位置信息 移动web ar服务id ar虚拟内容数据 访问热度；移动web ar服务维护及迁移管理模块，基于边缘服务器与云服务器所建立的web socket连接进行通信，用于管理部署在边缘服务器中的ar服务支撑功能及虚拟内容数据。
30.实际应用时，web ar服务功能模块是在已有边缘服务器通用功能的基础上，增加
了面向移动web ar应用的服务支撑功能，如特征提取、目标检测、目标识别、模板匹配等。各个支撑功能均可由多种不同的方式实现，包括基于传统图像处理的方式和基于神经网络的方式。具体地，考虑到各个不同实现方式的时间复杂度和空间复杂度不同，其中移动web ar服务维护及迁移管理模块将同样可以通过与云端服务器建立的web socket连接根据当前边缘服务器的计算和存储能力，选择下载不同的移动web ar功能实现以提供服务。此外，不同服务功能实现方式的选择还依赖于特定服务对各个功能处理效率和精度的要求。此外，ar虚拟内容管理模块则用于实现对分布式存储在边缘服务器中的ar虚拟内容的管理。具体地，在边缘服务器数据库中，所有的ar虚拟内容均以“位置信息 移动web ar服务id ar虚拟内容数据 访问热度”的形式存储，由于ar虚拟内容通常数据量庞大，难以在单个边缘服务器中存储所有的数据内容，因此在边缘服务器系统中通常采用分布式的数据存储方式，这同样得益于移动web ar应用与地理位置强相关的服务特性，因此能够有效提升数据的存储效率。另一方面，通过记录各个ar虚拟内容数据的请求热度，还能够进一步实现基于流行度的数据排序机制，进而提升ar服务的整体响应效率。移动web ar服务维护及迁移管理模块则主要用于管理部署在边缘服务器中的ar服务支撑功能及虚拟内容数据。该模块基于边缘服务器与云服务器所建立的web socket连接进行通信，并且通过接收云端服务器发送的服务及数据管理指令，从而更新边缘服务器中部署的移动web ar服务功能及ar虚拟内容数据。
31.如图3所示，在具体应用时，所述ar任务调度模块包括：（1）边缘节点定位模块，用于提供包括移动web ar用户终端设备和边缘服务器在内的所有边缘节点的定位能力；（2）移动感知的服务器选择模块，用于根据用户当前位置在边缘服务器系统中选择合适的边缘服务器。具体地，边缘节点定位模块可以在移动用户终端设备和边缘服务器gps数据可用的情况下，直接提供相应的边缘节点的位置信息；此外，在由于隐私问题而导致边缘节点gps数据无法提供的情况下，可以借助边缘系统中预先定义的标定服务器实现边缘节点的定位。具体来说，如果标定服务器的gps数据已经提供，则可以借助这些标定服务器构成边缘服务器系统统一的参考坐标系，并且通过边缘节点间已知的实际距离与rtt的比例关系，对边缘节点的位置信息进行分析推理，具体来说，两个距离较远的边缘节点往往数据包的往返传输时延较高。此外，在标定服务器的gps数据无法提供的情况下，所有的边缘节点都可以首先计算该节点与所有标定服务器之间的rtt值，并按rtt值从小到大或者从大到小的顺序得到该边缘节点所对应的标定服务器的下标序列，同时，每个边缘节点都将借助哈希函数（例如md5、sha
‑
256等）生成各自的哈希值，并将其前缀替换为得到的标定服务器下标序列，从而得到每个边缘节点的哈希值。显然，距离较近的边缘节点将更有可能通过相同/相近的网络传输路径将数据包发送到同一个边缘服务器。同时，任意两个边缘节点之间的距离即可以使用对应哈希值的差值计算得到。该方案既可以保证所有边缘节点哈希值分布的随机性，又可以同时保证物理距离相近的两个边缘节点所分配到的哈希值具有较近的距离，从而达到了边缘节点定位的目的。由于移动web ar用户的请求通常与位置相关，因此在得到所有节点的位置信息之后，移动感知的服务器选择模块即可按照位置信息为移动用户选择合适的边缘服务器以接入边缘系统。
32.如图4所示，在具体应用时，边缘服务器协同模块主要分为两个模块，包括：（1）工
作负载均衡模块，用于移动web ar服务查询请求和ar计算任务在边缘服务器系统中的负载均衡；（2）服务迁移模块：用于在边缘服务器系统中基于用户的位置信息及其他要求对移动web ar服务进行迁移操作。
33.具体地，工作负载均衡模块用于平衡边缘服务器系统中所管理边缘服务器的移动web ar服务查询请求及ar计算任务的工作负载。其中，服务查询请求负载均衡机制可以采用基于动态哈希的方案，即通过对移动web ar服务url地址进行哈希化，从而按照各个边缘服务器不同的计算能力分配不同数量的移动web ar服务；计算能力较高的边缘服务器可以更多的移动web ar服务查询请求。此外，针对边缘服务器计算能力动态变化的情况，可以对移动web ar服务的分配方式进行动态调节，以实现服务查询请求负载均衡的目的。具体来说，边缘服务器系统中每台边缘服务器都分配有一个特定的区间，用于表示其负责处理的移动web ar服务，通过调整各个取件的上限值，即可实现移动web ar服务查询请求分配在边缘服务器系统中的动态调节。另一方面，ar计算任务的负载均衡机制可以采用最大堆的方案，即周期性的将所有的边缘服务器按照其计算性能构造为最大堆结构，在边缘服务器的选择过程中，系统则可以将ar计算任务分配到能够提供ar计算服务且计算能力最强的边缘服务器，以提供辅助计算。
34.在边缘服务器协同模块中，服务迁移模块的设计则主要用于处理由于移动web ar用户移动而造成的连续性服务提供的问题。具体地，该模块可以按照不同的策略提供迁移服务。例如，可以选择与移动web ar用户距离最近的边缘服务器作为迁移目标，或者选择整个边缘网络中工作负载最小的服务器作为服务迁移的目标。此外，也可以通过采集大量用户在边缘网络中的运动轨迹，并分析得到接入边缘服务器间的转移概率矩阵，从而按照转移概率转折服务迁移的目标，即基于离散时间马尔科夫链的服务迁移机制。此外，也可以通过评估请求的移动web ar服务对于cpu、内存等资源的需求与当前各边缘服务器所能提供的计算资源的情况，从而选择合适的边缘服务器作为服务迁移的目标。该模块主要提供了移动web ar服务在边缘服务器系统中的迁移方案，由于各个不同的服务迁移方案复杂度不同，导致迁移处理时延以及服务的迁移精度不同，因此移动web ar服务提供商则需要根据不同的服务迁移需求选择不同的服务迁移方案。
35.综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明系统借助地标信息对边缘节点进行定位以实现对边缘网络动态变化的管理，包括由于用户移动造成的位置的动态变化以及ar服务请求的动态变化。其次，在平衡工作负载和管理服务质量的同时，本发明系统还考虑了请求服务处理的性能和计算卸载的成本，并利用动态哈希机制和最大堆机制进行高效的移动web ar服务查找和计算工作负载管理。同时，本发明系统针对服务迁移方案设计中的消息传输效率、调度等待时延以及移动web ar服务迁移的准确性等多个性能因素进行了优化。本发明系统旨在通过对分布式边缘网络系统的协同设计，以优化移动web ar的应用性能。
36.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。