一种基于公共WiFi分布的多任务移动数据分流方法

摘要

本发明公开了一种基于公共WiFi分布的多任务移动数据分流方法，包括：步骤1，通过移动终端的GPS传感器，计算出用户的当前位置，速度和移动方向；步骤2，获取城市公共WiFi的分布信息；步骤3，基于WiFi分布信息计算出当用户持续以当前方向移动时，WiFi在用户移动路径上的覆盖区间；步骤4，根据WiFi的覆盖区间，各待传输任务的规模及传输截止时间计算出传输所有任务需消耗的最少流量；步骤5，制定任务分派方案。

说明书

技术领域

本发明涉及智慧城市和移动互联网领域，涉及一种基于公共WiFi分布的多任务移动数据分流方法。

背景技术

近年来，全球使用的蜂窝数据总量在急剧增长。根据思科发布的《思科VNI预测和方法(2016-2021年)》显示，2021年全球蜂窝数据总量将是2016年蜂窝数据总量的7倍。且2021年全球月均蜂窝数据使用总量将达到49艾字节。同时据工信部每月发布的权威统计数字显示，2017年8月底，中国手机用户的平均月度流量达到了1.83GB，到年底有可能突破2GB。蜂窝数据急剧增长的原因主要有：移动操作系统越来越智能化，推动了智能手机和平板电脑的普及，市调机构IDC发布的2017年第三季度“全球手机市场份额”调查结果显示，2017年第三季度苹果手机的出货量是4103万台，iPad的出货量是1142万台，三星公司的手机出货量是8330万台，华为手机的出货量是3910万台，第三季度所有品牌总出货量高达3.731亿台；此外，随着移动互联网浪潮的兴起，手机对人们的影响已经渗透到生活的方方面面，人们使用手机办公，保持联系，购物，交费，人们习惯于使用手机、平板等移动终端观看高清画质的视频，传输高分辨率的图片，下载软件等非常消耗流量的资源。蜂窝数据使用量的急剧增长使得用户分到的平均带宽变小，网络易拥塞，严重影响用户体验，同时蜂窝数据使用量的急剧增长，带来了能耗的增长，与中国节能环保的政策相背离。

WiFi具有带宽高，能耗低，有效距离长，能将有线网络信号置换为无线信号的特点。蜂窝数据的传输是通过基站进行的，以4G为例，出于干扰控制的需要，一个基站覆盖范围内最多能提供100Mbps的带宽，而一个WiFi热点可以提供多达1Gbps的接入带宽，带宽的单位密度比4G高3～4个数量级，利用WiFi分流蜂窝传输规模大的数据，已经成为共识。据CNNIC中国互联网信息中心发布的第40次《中国互联网发展状况统计报告》显示，2017年上半年国内用户平均有61％的时间使用WiFi上网，并有超过50％的用户使用WiFi的时间超过70％。以至于深圳奇迹智慧网络有限公司创始人傅东生提出“公共WiFi如同国道”的理念。为了建设智慧城市，各地政府大力推进公共WiFi热点全城覆盖的计划，以上海市为例，截至2016年底，WLAN接入热点累计达14.2万个，覆盖接入点(AP)超过18万个，WLAN接入场所数和AP规模在国内城市中名列前茅，覆盖公共交通、商业街圈、公园绿地、旅游景点、会展中心、文化会馆、医疗、行政机构公共事业机构等，其中政府建设的i-Shanghai已累计提供用户接入1.4亿人次，免费服务市场达1.2亿小时。这为WiFi分流蜂窝数据创造了历史性机遇。

目前移动终端普遍支持的WiFi分流策略是：当终端连接WiFi时，利用WiFi传输数据，否则便立即用流量传输数据；此外，部分专家学者提出，为每个任务设置一个延迟传输的截止时间，当终端在这段时间内连上WiFi时，便利用WiFi传输，否则，等待时间结束后，立即用蜂窝传输数据。但是这种等待几乎是盲等，不知晓终端何时能连上WiFi，没有很好的利用当前大都市中公共WiFi遍布的特点，同时当有多个任务需要传输时，目前终端上支持的策略时，多任务平分带宽，不考虑各任务的截止时间。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于公共WiFi分布的多任务移动分流技术。

为了解决上述问题，本发明公开了一种基于公共WiFi分布的多任务移动分流技术，包括以下步骤：

步骤1，通过用户移动终端的GPS传感器，计算用户的当前位置、移动速度和移动方向；

步骤2，获取城市公共WiFi的分布信息；

步骤3，基于城市公共WiFi分布信息计算出当用户持续以当前方向移动时，城市公共WiFi在用户移动路径上的覆盖区间；

步骤4，根据城市公共WiFi的覆盖区间、用户移动终端各待传输任务的规模及传输截止时间，计算出同时满足所有待传输任务截止时间要求时传输所有任务最少需要消耗的流量；

步骤5，制定任务分派方案。

步骤1包括：由移动终端的GPS传感器计算出用户当前位置、移动速度和移动方向信息，记为集合S_U：

S_U＝{S_U.longitude,S_U.latitude,S_U.x,S_U.y,S_U.speed,S_U.angle,S_U.B_C}，

其中，S_U.longtitude和S_U.latitude分别表示用户当前位置的经度和纬度，S_U.x和S_U.y表示采用经纬度——80西安大地平面坐标系转换法将用户当前位置经纬度分别转换得到的用户在80西安大地平面坐标系中位置的横坐标和纵坐标，S_U.speed表示用户的移动速度，S_U.angle表示在平面坐标系上x轴正向逆时针旋转到用户移动方向的旋转角度，S_U.B_C表示用户移动终端的平均流量带宽。

步骤2中所述城市公共WiFi分布信息表示为集合S_W：

S_W＝{S_W.longitude,S_W.latitude,S_W.x,S_W.y,S_W.radius,S_W.B_W}，

其中S_W.longtitude和S_W.latitude分别表示城市公共WiFi位置的经度和纬度，S_W.x和S_W.y分别表示城市公共WiFi位置经纬度分别转换得到的城市公共WiFi在平面坐标系中的横坐标和纵坐标，S_W.radius表示城市公共WiFi的覆盖半径，S_W.B_W表示城市公共WiFi的平均带宽。

步骤3包括如下步骤：

步骤3-1，当用户持续以当前方向移动时，其移动路径在平面坐标系中为一条直线，记为l，记l上任意一点的坐标为(x,y)，则l的方程为：

ax+by＝c，

其中a,b,c满足：

步骤3-2，由于移动数据分流的结果与坐标系无关，因此，为了便于计算和叙述，将原平面坐标系变换为以用户当前位置为原点，用户的移动方向为x轴正向的平面坐标系，变换后城市公共WiFi的状态记为集合NS_W＝{NS_W.x,NS_W.y,NS_W.radius,NS_W.B_W}，变换过程如下：

其中，NS_W.x和NS_W.y分别表示变换后的城市公共WiFi的横坐标和纵坐标，NS_W.radius表示变换后的城市公共WiFi的覆盖半径，NS_W.B_W表示变换后的城市公共WiFi的平均带宽；

步骤3-3，计算各城市公共WiFi在x轴正向的覆盖区间，记城市公共WiFi的覆盖范围与x轴正向的交点坐标为(x,y)，计算方程如下：

当该方程无实数解或只有一个解时，表明用户不会连上该城市公共WiFi或连接时间为0，此城市公共WiFi不予考虑，否则方程的两个解(x₁,y₁)和(x₂,y₂)如下：

当x₁<0<x₂时，该城市公共WiFi的覆盖区间为(0,x₂)；当0≤x₁<x₂时，该城市公共WiFi的覆盖区间为(x₁,x₂)；当x₁<x₂≤0时，该城市公共WiFi不予考虑；若存在两个城市公共WiFi的覆盖区间，如(x_z,x₂)和(y₁,y₂)满足：

x₁≤x₂≤y₁≤y₂或y₁≤y₂≤x₁≤x₂，

则合并两个城市公共WiFi区间分别对应为(x₁,y₂)和(y₁,x₂)，经计算以及合并处理后，得到用户移动路径上的一系列WiFi覆盖区间。

步骤4包括如下步骤：

步骤4-1，将当前时刻用户移动终端上待传输的任务设为n个，并按照截至时间非递减的次序排序，n取值为自然数，记排序后的任务序列为{t₁,t2,……t_n}，第k个任务记为t_k＝{t_k.ds,t_k.dl}，k＝1,2,……n，其中，k_k.ds表示第k个任务的规模，t_k.dl表示第k个任务的截止时间；

步骤4-2，将截止时间t_k.dl之前用户移动终端能够连接的所有城市公共WiFi覆盖区间的长度之和，称为WiFi时长，记为WT_k，依次计算出在不超出截止时间t_k.dl的前提下，传输前k个任务最少需要消耗的流量，记为td_k，计算公式如下：

步骤4-3，依次计算出同时满足前k个任务截止时间要求时，传输前k个任务最少需要消耗的流量传输时间，记为CTT_k，计算公式如下：

计算出的CTT_n即为同时满足所有待传输任务截止时间要求时传输所有任务最少需要消耗的流量。

步骤5中，采用最短截止时间优先的任务分派方案，优先利用所有带宽传输截止时间短的任务，即任务队列第一个的任务，具体包括如下步骤：

步骤5-1，当CTT_n大于0(即传输所有任务最少需要消耗的流量传输时间大于0)时，执行步骤5-2，当CTT_n的剩余时间为0时，执行步骤5-4；

步骤5-2，如果用户移动终端在城市公共WiFi覆盖区间，则同时利用城市公共WiFi和蜂窝传输第一个任务(为了提高任务移动分流技术的能力上界，本发明允许WiFi和蜂窝同时工作)，并在用户移动终端离开城市公共WiFi覆盖区间、当前任务传输完成或CTT_n的剩余时间为0时暂停传输；如果用户移动终端不在城市公共WiFi覆盖区间，则仅利用蜂窝传输数据，并在用户移动终端进入城市公共WiFi覆盖区间、当前任务传输完成或CTT_n的剩余时间为0时暂停传输；

步骤5-3，更新CTT_n的剩余时间以及当前任务的剩余规模，如果剩余时间大于0且剩余规模不为0，返回步骤5-2；如果剩余时间为0且剩余规模不为0，执行步骤5-4；如果剩余规模为0，结束传输；

步骤5-4，如果用户移动终端在城市公共WiFi覆盖区间，则仅利用城市公共WiFi传输数据，并在用户移动终端离开城市公共WiFi覆盖区间、当前任务传输完成时暂停传输；如果用户移动终端不在城市公共WiFi覆盖区间，则进入等待状态，直至用户移动终端进入城市公共WiFi覆盖区间时，利用城市公共WiFi传输数据，并在用户移动终端离开城市公共WiFi覆盖区间、当前任务传输完成时暂停传输；

步骤5-5，更新当前任务的剩余规模，如果剩余规模不为0，执行步骤5-4；如果剩余规模为0，结束传输。

采用步骤5-1～步骤5-5的方法传输完所有任务。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

(1)更加充分利用公共WiFi资源，节省蜂窝流量，缓解蜂窝带宽压力，减少终端能耗，在一定程度上缓解蜂窝数据总量的增长势头；

(2)通过利用公共WiFi的分布信息，用户的位置及运动信息，预测出用户进出WiFi区域的时刻，从而计算出不超出截止时间的前提下，用户传输任务所需的最小流量，并制定出具体的传输方案。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明使用最少蜂窝流量的计算流程图。

图2是本发明制定分流方案的流程图；

图3是本发明方法的基本框架图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本发明公开了一种基于公共WiFi分布的多任务移动分流技术，如图3所示，包括以下步骤：

步骤1，通过用户移动终端的GPS传感器，计算用户的当前位置、移动速度和移动方向；

步骤2，获取城市公共WiFi的分布信息；

步骤3，基于城市公共WiFi分布信息计算出当用户持续以当前方向移动时，城市公共WiFi在用户移动路径上的覆盖区间；

步骤4，根据城市公共WiFi的覆盖区间、用户移动终端各待传输任务的规模及传输截止时间，计算出同时满足所有待传输任务截止时间要求时传输所有任务最少需要消耗的流量；

步骤5，制定任务分派方案。

步骤1包括：由移动终端的GPS传感器计算出用户当前位置、移动速度和移动方向信息，记为集合S_U：

S_U＝{S_U.longitude,S_U.latitude,S_U.x,S_U.y,S_U.speed,S_U.angle,S_U.B_c}，

其中，S_U.longtitude和S_U.latitude分别表示用户当前位置的经度和纬度，S_U.x和S_U.y表示采用经纬度——80西安大地平面坐标系转换法将用户当前位置经纬度分别转换得到的用户在80西安大地平面坐标系中位置的横坐标和纵坐标，S_U.speed表示用户的移动速度，S_U.angle表示在平面坐标系上x轴正向逆时针旋转到用户移动方向的旋转角度，S_U.B_C表示用户移动终端的平均流量带宽。

步骤2中所述城市公共WiFi分布信息表示为集合S_W：

S_W＝{S_W.longitude,S_W.latitude,S_W.x,S_W.y,S_W.radius,S_W.B_W}，

其中S_W.longtitude和S_W.latitude分别表示城市公共WiFi位置的经度和纬度，S_W.x和S_W.y表示城市公共WiFi位置经纬度分别转换得到的城市公共WiFi在平面坐标系中的横坐标和纵坐标，S_W.radius表示城市公共WiFi的覆盖半径，S_W.B_W表示城市公共WiFi的平均带宽。

步骤3包括如下步骤：

步骤3-1，当用户持续以当前方向移动时，其移动路径在平面坐标系中为一条直线，记为l，记l上任意一点的坐标为(x,y)，则l的方程为：

ax+by＝c，

其中a,b,c满足：

步骤3-2，由于移动数据分流的结果与坐标系无关，因此，为了便于计算和叙述，将原平面坐标系变换为以用户当前位置为原点，用户的移动方向为x轴正向的平面坐标系，变换后城市公共WiFi的状态记为集合NS_W＝{NS_W.x,NS_W.y,NS_W.radius,SS_W.B_W}，变换过程如下：

其中，NS_W.x和NS_W.y分别表示变换后的城市公共WiFi的横坐标和纵坐标，NS_W.radius表示变换后的城市公共WiFi的覆盖半径，NS_W.B_W表示变换后的城市公共WiFi的平均带宽；

步骤3-3，计算各城市公共WiFi在x轴正向的覆盖区间，记城市公共WiFi的覆盖范围与x轴正向的交点坐标为(x,y)，计算方程如下：

当该方程无实数解或只有一个解时，表明用户不会连上该城市公共WiFi或连接时间为0，此城市公共WiFi不予考虑，否则方程的两个解(x₁,y₁)和(x₂,y₂)如下：

当x₁<0<x₂时，该城市公共WiFi的覆盖区间为(0,x₂)；当0≤x₁<x₂时，该城市公共WiFi的覆盖区间为(x₁,x₂)；当x₁<x₂≤0时，该城市公共WiFi不予考虑；若存在两个城市公共WiFi的覆盖区间，如(x₁,x₂)和(y₁,y₂)满足：

x₁≤x₂≤y₁≤y₂或y₁≤y₂≤x₁≤x₂，

则合并两个城市公共WiFi区间分别对应为(x₁,y₂)和(y₁,x₂)，经计算以及合并处理后，得到用户移动路径上的一系列WiFi覆盖区间。

如图1所示，步骤4包括如下步骤：

步骤4-1，将当前时刻用户移动终端上待传输的任务设为n个，并按照截至时间非递减的次序排序，n取值为自然数，记排序后的任务序列为{t₁,t₂,……t_n}，第k个任务记为t_k＝{t_k.ds,t_k.dl}，k＝1,2,……n，其中，t_k.ds表示第k个任务的规模，t_k.dl表示第k个任务的截止时间；

步骤4-2，将截止时间t_k.dl之前用户移动终端能够连接的所有城市公共WiFi覆盖区间的长度之和，称为WiFi时长，记为WT_k，依次计算出在不超出截止时间t_k.dl的前提下，传输前k个任务最少需要消耗的流量，记为td_k，计算公式如下：

步骤4-3，依次计算出同时满足前k个任务截止时间要求时，传输前k个任务最少需要消耗的流量传输时间，记为CTT_k，计算公式如下：

计算出的CTT_n即为同时满足所有待传输任务截止时间要求时传输所有任务最少需要消耗的流量。

如图2所示，步骤5中，采用最短截止时间优先的任务分派方案，优先利用所有带宽传输截止时间短的任务，即任务队列第一个的任务，具体包括如下步骤：

步骤5-1，当CTT_n大于0(即传输所有任务最少需要消耗的流量传输时间大于0)时，执行步骤5-2，当CTT_n的剩余时间为0时，执行步骤5-4；

步骤5-2，如果用户移动终端在城市公共WiFi覆盖区间，则同时利用城市公共WiFi和蜂窝传输第一个任务(为了提高任务移动分流技术的能力上界，本发明允许WiFi和蜂窝同时工作)，并在用户移动终端离开城市公共WiFi覆盖区间、当前任务传输完成或CTT_n的剩余时间为0时暂停传输；如果用户移动终端不在城市公共WiFi覆盖区间，则仅利用蜂窝传输数据，并在用户移动终端进入城市公共WiFi覆盖区间、当前任务传输完成或CTT_n的剩余时间为0时暂停传输；

步骤5-3，更新CTT_n的剩余时间以及当前任务的剩余规模，如果剩余时间大于0且剩余规模不为0，返回步骤5-2；如果剩余时间为0且剩余规模不为0，执行步骤5-4；如果剩余规模为0，结束传输；

步骤5-4，如果用户移动终端在城市公共WiFi覆盖区间，则仅利用城市公共WiFi传输数据，并在用户移动终端离开城市公共WiFi覆盖区间、当前任务传输完成时暂停传输；如果用户移动终端不在城市公共WiFi覆盖区间，则进入等待状态，直至用户移动终端进入城市公共WiFi覆盖区间时，利用城市公共WiFi传输数据，并在用户移动终端离开城市公共WiFi覆盖区间、当前任务传输完成时暂停传输；

步骤5-5，更新当前任务的剩余规模，如果剩余规模不为0，执行步骤5-4；如果剩余规模为0，结束传输。

采用步骤5-1～步骤5-5的方法传输完所有任务。

实施例

本实施例使用了某用户于2017年12月13日在某大学校区校园内使用手机进行上传下载任务试验。

某大学校区在教学楼、行政楼、宿舍楼、院系楼以及各个食堂都部署了免费无线热点NJU-WLAN，性能指标达到本方法的要求。主要场景为：

某用户在三江路与家伦路的岔口，沿着家伦路以1m/s的速度向北步行，途中一次经过计算机系楼，行政南楼和行政北楼。计算机系楼，行政南楼和行政北楼均部署有免费无线热点NJU-WLAN，NJU-WLAN的覆盖半径为56米，带宽为1.5MB/s，蜂窝数据的带宽为1MB/s。现在该用户需要在120s内完成一个200MB视频文件的下载，在180s内下载一个50MB的软件安装包，同时需要完成一个100MB文件的上传，截止时间为280s，如表1～表4所示(表1为用户和WiFi信息表，表2为任务状态信息表，表3为坐标变换后三个WiFi热点的状态信息，表4为三个WiFi热点在用户行进方向上的覆盖区间)：

表1

表2

任务编号任务内容任务规模截止完成时间(s)1下载视频200MB1202下载软件50MB1803上传文件100MB280

表3

表4

Object区间起点区间终点计算机楼13105行政南楼138166行政北楼214268

依据计算出的各WiFi的覆盖区间，以及三个任务的规模及截止时间，可计算出CTT₁,CTT₂,CTT₃的值分别为：62,70,89，从而可制订出具体的传输方案如表5所示：

表5

任务传输区间传输方式传输规模(MB)任务1(0,13)蜂窝数据13任务1(13,87.8)蜂窝和WiFi187任务2(87.8,89)蜂窝和WiFi3任务2(89,105)WiFi24任务2(138,153.3)WiFi23任务3(153.3,166)WiFi19任务3(214,268)WiFi81

本发明提供了一种基于公共WiFi分布的多任务移动数据分流方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。