宋崢　EliTilevich

摘要：提出使用智能移動設(shè)備之間的本地化協(xié)作彌補“云—端”協(xié)作的缺陷，可以以極低的成本實現(xiàn)設(shè)備性能的提升，降低設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信和能量消耗。針對智能設(shè)備本地化協(xié)作中面臨的設(shè)備異構(gòu)性的問題，提出了一種解釋型語言和相應中間件支持，用于開發(fā)智能終端間的協(xié)作應用，并對協(xié)作應用提供運行時的支持。另外，還提出了移動智能設(shè)備協(xié)作領(lǐng)域面臨的開放性研究的一些問題。

關(guān)鍵詞： 移動智能設(shè)備的協(xié)作； 設(shè)備異構(gòu)性； 資源查詢語言和中間件

移動智能終端被用來泛指人生活中使用的，具有一定人機交互能力、計算能力、網(wǎng)絡(luò)連接能力的電子設(shè)備。目前移動智能設(shè)備種類繁多，功能也日益分化，包括以滿足人日常通信和網(wǎng)絡(luò)連接需求為主的智能手機；電量較多、屏幕較大且方便閱讀、處理器性能更強的平板電腦；以傳感器信息采集目的為主的穿戴式設(shè)備；以及各種用于家居、工業(yè)的片上系統(tǒng)以及車載終端等。

移動智能終端的常見特征是體積較小，由電池供電。由于設(shè)備體積限制，移動智能終端往往無法采用高功耗高性能的芯片，且電池電量有限。因此，對移動設(shè)備上所執(zhí)行任務的用戶等待時間和電量消耗的優(yōu)化一直是移動計算中較為重要研究方向之一。

1 云—端計算

“云—端”計算[1]是近年來的研究熱點方向，其具體含義是：通過將計算量大的程序上傳到遠程性能強大的服務器（云）執(zhí)行，將結(jié)果回傳至本地設(shè)備（端）顯示。以智能終端棋類游戲的人機對弈為例：終端上傳目前所有棋子的位置，服務器端負責計算優(yōu)化的下一步選擇，將最優(yōu)的下一步策略回傳至本地。通過將復雜的計算上傳至云端計算性能強大的服務器執(zhí)行，移動設(shè)備可以節(jié)省能量消耗，并降低用戶的等待時間。

云—端計算在實際應用中，往往通過在服務器端啟動與本地環(huán)境操作系統(tǒng)相同的虛擬機，將本地應用中的代碼傳輸至云端執(zhí)行[2]。該實現(xiàn)機制使移動應用的開發(fā)者不需要考慮復雜的部署問題和服務器端程序開發(fā)，通過簡單的操作即優(yōu)化移動應用的響應速度和能量消耗。

然而，云—端計算有如下缺陷：

（1）本地傳感器信息的收集無法由遠程服務器端執(zhí)行。當程序中含有獲取傳感器信息并進一步處理時，由于云無法獲取本地的感知信息，此類程序無法上傳至云執(zhí)行。

（2）當程序處理對象數(shù)據(jù)龐大時候，上傳至云處理會消耗大量網(wǎng)絡(luò)資源。如需要上傳的數(shù)據(jù)是高清圖像時，其將占據(jù)大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬，給用戶造成使用成本的提高，為運營商網(wǎng)絡(luò)造成壓力。文獻[3]中對云端執(zhí)行的能量進行了建模，推導出計算量、上傳數(shù)據(jù)量與能耗變化的關(guān)系，證明了當上傳數(shù)據(jù)較大時，云— 端計算會消耗大量用戶帶寬和能量。

（3）出于對隱私的考慮，部分用戶擔心通過不安全的無線網(wǎng)絡(luò)將隱私的數(shù)據(jù)上傳至云服務器上會極大增加隱私泄露的風險。

與此同時，隨著移動智能終端性能和擁有量不斷提升，大量智能移動終端存在空閑時隙，個人、家庭往往同時擁有多個、多種類的移動設(shè)備，云—端計算可被智能移動終端的互相協(xié)作所替代，為移動設(shè)備提供所需要的額外資源。

2 移動智能終端協(xié)同的應用

2.1 網(wǎng)絡(luò)增強

視頻流協(xié)作共享[4]最早在2012年提出：當位置接近的移動設(shè)備請求同一視頻時，服務器將視頻切分成幾部分，分別發(fā)送給各個設(shè)備，然后由設(shè)備間由近距離傳輸方式互相傳輸所缺少的視頻切片，組成視頻。這樣做的優(yōu)點是：網(wǎng)絡(luò)總體流量較小，且近距離Wi-Fi/藍牙傳輸速度相對于運營商網(wǎng)絡(luò)較快，降低了網(wǎng)絡(luò)負載，減少了用戶等待的時間。

從節(jié)省能耗的角度，文獻[5]中提出使用藍牙網(wǎng)絡(luò)，由簇頭結(jié)點收集近距離網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，并通過無線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN）發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)。該方法相比于各個結(jié)點獨立通過WLAN連接互聯(lián)網(wǎng)而言，降低了各結(jié)點用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯摹?/p>

部分移動設(shè)備并不具備有運營商網(wǎng)絡(luò)（3G/4G）接入能力，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的共享尤為重要。文獻[6]中提出了使用藍牙進行組網(wǎng)，通過Wi-Fi發(fā)送數(shù)據(jù)流，由有運營商網(wǎng)絡(luò)接入能力的設(shè)備作為其他設(shè)備的代理。

2.2 計算能力增強

如某人想從手機相冊中搜索和某人的合影。由于圖像檢索計算量較大，當手機中照片數(shù)量較多時，檢索會消耗大量時間。如通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)將圖像發(fā)送至云端進行檢索，則需要消耗大量網(wǎng)絡(luò)帶寬費用和能耗。此時，如能通過Wi-Fi將相冊中圖像分發(fā)至此人所攜帶的pad或筆記本電腦上，由計算性能較強的多個設(shè)備同時執(zhí)行圖像檢索任務，將大大縮短任務的執(zhí)行時間，如圖1所示。

2.3 環(huán)境相關(guān)增強

谷歌、蘋果等眾多公司均推出了智能手表、智能手環(huán)、智能眼鏡等穿戴式設(shè)備，其不同于智能手機等傳統(tǒng)移動終端的重要作用是可以收集用戶環(huán)境數(shù)據(jù)感知。通過連接其他移動智能終端和穿戴式設(shè)備，可將穿戴式設(shè)備中采集的數(shù)據(jù)交給移動智能終端進行數(shù)據(jù)處理分析，其較為典型的例子是Apple Watch將慣性傳感器信息傳遞給手機，用手機應用收集用戶的每日運動信息。另一個可能的例子是，目前室內(nèi)定位多采用記步方式：手機可準確提取用戶運動的步數(shù)，然而手機所攜帶的方向傳感器往往會引入偏差。由于智能眼鏡能準確體現(xiàn)人頭部的運動，而人頭部的方向基本與人運動方向一致，通過收集智能眼鏡中攜帶的方向傳感器的讀數(shù)可以提高室內(nèi)記步定位方式的精度。從能量的角度考慮，可以由手機向智能眼鏡提供全球定位系統(tǒng)（GPS）信息（如圖2）。

相同的移動智能設(shè)備，由于所處的位置不同，也存在相互協(xié)作的可能性。其較為典型的例子是：當演唱會上觀眾想從其他角度觀看一些當前角度無法看到的細節(jié)時，可以通過與其他觀眾的手機合作，使用Wi-Fi/藍牙分享其他手機所捕獲的畫面[7]。另一個例子是：使用多個手機，對用戶演講的聲音進行采集，并合成為立體聲[8]。

3 移動智能終端協(xié)同中間件

3.1 移動應用對中間件和解釋型語言

的需求

相比于傳統(tǒng)云—端計算而言，近距離設(shè)備間協(xié)作的特點如下：

（1）通信復雜。與傳統(tǒng)的使用網(wǎng)絡(luò)連接的程序不同，使用近距離協(xié)作的程序其可選通信方式多樣，通信流程較為復雜，且通信過程受到的影響因素較多。

（2）任務執(zhí)行需跨平臺。目前銷量最大的智能終端包含3種操作系統(tǒng)：安卓、iOS和WinPhone。不同操作系統(tǒng)之間編程語言、系統(tǒng)調(diào)用差異比較大。

（3）任務執(zhí)行需根據(jù)動態(tài)環(huán)境進行優(yōu)化。程序執(zhí)行時，需要根據(jù)周圍環(huán)境（信道質(zhì)量，設(shè)備數(shù)量，設(shè)備情況，設(shè)備移動性）進行大量優(yōu)化，保證執(zhí)行可靠性和執(zhí)行效率。

在上述典型應用中，部分應用的實現(xiàn)機制已在其論文中有所介紹。然而，通過對已經(jīng)公開的實現(xiàn)機制進行研究，我們發(fā)現(xiàn)絕大部分實現(xiàn)需要復雜的代碼對通信進行控制，且所有實現(xiàn)均局限于相同操作系統(tǒng)設(shè)備間的協(xié)作。

為了方便應用開發(fā)人員使用周圍設(shè)備所提供的資源開發(fā)新型應用，我們提出了一種設(shè)備協(xié)作的語言和對該語言支持的中間件，即程序員通過一種聲明式的語言，用簡單的腳本表達需要完成的任務；中間件接受各種應用的資源需求腳本，屏蔽不同操作系統(tǒng)、通信方式和執(zhí)行時環(huán)境的差異，向周圍設(shè)備提供盡可能穩(wěn)定的共享資源，完成共享任務。

3.2 資源查詢語言的設(shè)計

我們提出了一種用于臨近設(shè)備協(xié)作的解釋型程序設(shè)計語言——資源查詢語言（RQL）。RQL的存在有兩個作用：應用程序通過RQL通知系統(tǒng)中間件所需要的資源；原移動終端通過RQL通知附近移動終端其資源需求。對應其功能，RQL的設(shè)計需要滿足3個需求：

（1）跨平臺性?？蛇\行于不同的平臺上，并切入不同語言構(gòu)建的移動應用中。

（2）可擴展性。隨著設(shè)備計算存儲和感知能力的增強，將會出現(xiàn)越來越多的依賴于RQL執(zhí)行的任務。因此，RQL的設(shè)計要求其易于擴展。

（3）簡短。由于RQL同時被用于設(shè)備間任務信息的傳輸，我們對RQL的設(shè)計要求可以盡量簡短，以節(jié)約傳輸時間和臨近設(shè)備上的執(zhí)行時間。

我們對RQL的設(shè)計構(gòu)想如下：某一句RQL腳本由動詞、名詞和副詞組成。其中動詞表示執(zhí)行的操作，目前包含pull、push、exec和bind。其中pull代表將文件發(fā)送至所選擇設(shè)備；push表示將文件（或者運行結(jié)果）發(fā)回至原設(shè)備；exec表示在協(xié)助的其他設(shè)備上執(zhí)行，bind表示等待協(xié)助設(shè)備上某值的更新，并將更新的數(shù)值發(fā)送回原設(shè)備。名詞由[device owner/][device_type：/]resource_type/resource_name組成。其中，device_owner和device_type均為可選，供程序員設(shè)置需要的設(shè)備的擁有者和設(shè)備的類型；Resource_type和resource_name為必選項，用于標示用戶所需要的資源類型和資源名字。副詞用于表示用戶優(yōu)化的目標和限制等。

以如下兩個應用為例，來說明RQL在移動協(xié)作應用中的使用方式。

（1）當某應用運行在智能眼鏡上，需要得到30 s內(nèi)所有的GPS位置的變化，并實時將位置顯示在地圖上。由于目前智能眼鏡設(shè)備并沒有嵌入消耗大量電量的GPS芯片，該應用需要從眼鏡攜帶者所擁有的其他移動設(shè)備中獲得GPS讀數(shù)。此應用開發(fā)者所需要寫的RQL腳本是：

“Bind trusted：sensor/Location-accuracy= GPS-t=30 --opt=accu”

其中，bind表達等待協(xié)助設(shè)備上數(shù)據(jù)更新；-t=30表示執(zhí)行時間為持續(xù)30s；sensor/Location表示需要的傳感器類型；trusted表明計劃選擇可信的設(shè)備（同一個人擁有的，或者臨近認識的人所擁有的設(shè)備），副詞--opt=accu表示優(yōu)化目標為使收到的GPS盡量準確。

（2）如2.2中所述例子，當應用開發(fā)者希望從相冊中檢索含有某特定特征的圖像時，其RQL腳本應為：“pull alg/facerecognization-t album/1.jpg-s target.jpg -- opt=time”，

其中，pull代表將執(zhí)行結(jié)果返回至當前設(shè)備；alg/facerecognization代表所執(zhí)行的算法；-s， -t代表算法的輸入；--opt=time表明優(yōu)化目標為最小化執(zhí)行時間。

3.3中間件的設(shè)計

為了按應用開發(fā)者的意愿執(zhí)行RQL腳本，為應用程序提供所需要的資源，需要在不同的平臺上部署中間件，實現(xiàn)對RQL的支持。中間件的基本流程如圖3所示，其中，中間件的主要任務包括：

（1）解釋RQL腳本。應用程序通過設(shè)備內(nèi)通信（ICC）將RQL語言發(fā)送至中間件，由中間件中RQL腳本解釋器對腳本進行詞法分析，并校驗RQL的有效性。對于有效RQL腳本，在本地中間件新建任務，加入任務隊列中。

（2）任務廣播和目標設(shè)備選擇。根據(jù)RQL腳本的語義，選擇最符合要求通信信道廣播任務，并接受周圍設(shè)備的反饋，完成從有反饋的設(shè)備里選擇目標設(shè)備的流程。以上文所述RQL腳本為例，由于任務1執(zhí)行設(shè)備（device_owner）部分選擇了trusted，而可信任設(shè)備往往由同一人所同時攜帶（某人既戴智能眼鏡，又攜帶智能手機），因此此時廣播信道可選擇低功耗藍牙廣播（BTLE）；由于任務2目標是優(yōu)化執(zhí)行速度，且對任務執(zhí)行的設(shè)備無要求，因此廣播信道可選擇WiFiP2P廣播，以盡可能獲得更多設(shè)備完成相關(guān)任務。

當其他設(shè)備上的中間件通過周期性對藍牙信道和WiFiP2P信道的監(jiān)聽得到任務需求廣播時，其根據(jù)自身設(shè)備的實時屬性（設(shè)備使用情況，剩余電量）以及用戶設(shè)置權(quán)限，選擇是否回復該任務。

一段時間后，原設(shè)備收集所有回復，并從回復中選擇合適的一個或多個設(shè)備執(zhí)行任務。這里需要說明的是，為了防止本地多個任務的發(fā)布和回復互相干擾，廣播和回復時均包含任務隊列中的任務ID。

（3）建立連接，執(zhí)行任務，回傳結(jié)果。被選擇用于任務執(zhí)行的智能移動終端與原設(shè)備建立連接，并接受完整的RQL以及任務相關(guān)數(shù)據(jù)，如文件、照片等。通過中間件所下載/保存的相關(guān)程序包執(zhí)行該任務，并將結(jié)果通過通信信道回傳給原始設(shè)備的中間件。原始設(shè)備的中間件通過設(shè)備內(nèi)通信方式通知原始程序。

3.4 中間件實現(xiàn)中存在的問題

目前存在的三大主流移動終端操作系統(tǒng)包括安卓、iOS和Windows。其中，安卓系統(tǒng)允許中間件啟動后作為后臺進程，對周圍環(huán)境中可能存在的任務需求進行監(jiān)聽。相反，由于iOS系統(tǒng)和Windows系統(tǒng)限制，可以在后臺運行的程序僅包括Calendar/mp3 player等，RQL的中間件無法在后臺監(jiān)聽通信信道廣播的其他設(shè)備的協(xié)作請求。

一種可能的替代方案是所有設(shè)備均定期上傳位置至某控制服務器。當某設(shè)備有任務協(xié)作需求時，將需求通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至控制服務器，由控制服務器選出在近距離通信范圍內(nèi)的設(shè)備，向其推送通知。當iPhone和WinPhone接到通知時，會在任務欄提醒用戶，由用戶啟動中間件，完成后續(xù)任務代理流程。然而，該方法由于需要定期位置上傳，將帶來較大的額外能量消耗。

4 移動終端協(xié)作的開放性

研究問題

4.1 能耗和用戶響應時間的平衡

近距離傳輸?shù)囊苿又悄茉O(shè)備的協(xié)作，重要目的之一是節(jié)省移動終端的能量消耗，即通過將能耗較高的程序轉(zhuǎn)移至有較多電量的設(shè)備上運行，或者分散到多個設(shè)備上運行，降低對某單一設(shè)備的能量消耗。然而，相比于在設(shè)備上直接運行而言，設(shè)備間的協(xié)作需要建立連接，需要發(fā)送原始數(shù)據(jù)并將結(jié)果回傳，其時間消耗往往高于在設(shè)備上直接運行。

因此，這里需要對程序運行能耗，設(shè)備剩余能量以及程序運行時間和用戶滿意度的影響進行建模，在最大化降低能耗的同時，盡可能避免程序運行時間的快速增長，提高用戶們滿意度。

4.2 通信信道的選擇

使用Wi-Fi通信可以覆蓋較大的范圍（50～100 m），并可以將任務發(fā)布至盡可能多的設(shè)備。相比而言，低功耗藍牙通信覆蓋范圍較?。?0～20 m）[10]，所能連接的設(shè)備數(shù)較少。因此，當發(fā)布任務需要多個設(shè)備協(xié)作完成時，應盡可能選擇Wi-Fi作為通信信道。另一方面，從文件傳輸角度來看，Wi-Fi的傳輸速度遠遠大于低功耗藍牙（BTLE）的傳輸速度。當有大量數(shù)據(jù)需要在兩個設(shè)備間傳輸時，選擇Wi-Fi作為通信信道較優(yōu)。

然而，從能量角度而言，保持Wi-Fi連接的能耗遠遠大于保持低功耗藍牙連接的能耗。當任務為保持連接較長時間，實時獲得傳感器采樣時，選擇藍牙作為傳輸信道較優(yōu)。

RQL僅僅代表了用戶對資源的需求，并未指定傳輸方式。在實際任務執(zhí)行時，應根據(jù)周圍環(huán)境、設(shè)備信息以及任務要求和副詞所表達的約束條件以及 優(yōu)化條件，選擇最優(yōu)化的通信信道。

4.3 激勵機制

由于參與近距離協(xié)作的設(shè)備不僅僅包括同一持有人的設(shè)備，針對陌生設(shè)備，還需要通過制訂一定的激勵，鼓勵其共享資源，為周圍設(shè)備提供幫助。根據(jù)文獻[9]中的相關(guān)建議，有效的激勵機制需要滿足的條件包括：鼓勵用戶匯報真實成本和收益；用戶參與的激勵大于其消耗成本；任務分發(fā)者的收獲大于其付出的激勵。

RQL僅僅代表了用戶對資源的需求，并未指定傳輸方式。在實際任務執(zhí)行時，應根據(jù)周圍環(huán)境、設(shè)備信息以及任務要求和副詞所表達的約束條件以及優(yōu)化條件，選擇最優(yōu)化的通信信道。目前參與式感知中的激勵機制是研究熱點，然而，缺乏在沒有中央服務器的控制下各設(shè)備獨立協(xié)作的激勵機制。

4.4 隱私保護與安全

設(shè)備協(xié)作中遇到的隱私保護和安全的問題是雙向的：如何保證原設(shè)備的隱私數(shù)據(jù)不泄露至周圍設(shè)備；如何保證任務承擔設(shè)備的隱私數(shù)據(jù)不被收集至原設(shè)備。為了確保用戶隱私信息不被泄露，可以考慮采用分級安全機制[11]：作為協(xié)助其他設(shè)備的設(shè)備而言，把任務發(fā)布者分為幾個級別，為每個級別設(shè)置每種傳感器、數(shù)據(jù)以及算法的使用權(quán)限；作為發(fā)布任務的設(shè)備而言，把可能的任務接受者也劃分為幾個級別，將不同的原始數(shù)據(jù)為每個級別設(shè)置不同的讀寫權(quán)限。

4.5 最優(yōu)化設(shè)備選擇

由于設(shè)備的異構(gòu)性和移動性，在任務執(zhí)行時，選擇不同的設(shè)備執(zhí)行任務往往在能量消耗、任務的魯棒性、響應時間等方面產(chǎn)生不同的結(jié)果。一個可能的研究問題是：考慮到設(shè)備的性能、狀態(tài)和移動性，如何選擇最優(yōu)化的設(shè)備或者設(shè)備組合，最小化任務執(zhí)行的能量消耗，提高任務執(zhí)行的魯棒性，降低任務的傳輸時間。

4.6 云—端計算與本地化設(shè)備協(xié)作

之間的選擇

云—端計算利用服務器資源，適用于大計算量、小數(shù)據(jù)傳輸量的應用，其典型應用是文字翻譯和下棋。本地化設(shè)備協(xié)作更適用于需要本地化傳感信息的應用或數(shù)據(jù)傳輸量較大的應用。如何根據(jù)任務的計算量、數(shù)據(jù)傳輸量和對本地傳感器的使用情況，結(jié)合設(shè)備狀態(tài)信息，作出對協(xié)同目標的選擇（服務器或附近的移動設(shè)備）也是一個重要的優(yōu)化問題。

5 結(jié)束語

移動智能終端性能有限，傳統(tǒng)的改進方式是將任務上傳至服務器端執(zhí)行。然而，由于傳統(tǒng)云—端計算存在各種問題，我們認為移動智能終端之間的本地化協(xié)作將是另一個可能的發(fā)展方向。文章首先對已有研究成果中收到本地化協(xié)作支持的應用進行了總結(jié)，并進一步提出了支持協(xié)作應用開發(fā)和協(xié)作應用運行的編程語言和中間件。最后，對移動終端協(xié)作方向的開放性研究問題進行了總結(jié)，提出了可能的研究子方向。

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