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無(wú)人機(jī)輔助邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)卸載與資源分配聯(lián)合優(yōu)化

周曉天 楊瀟輝 張海霞 鄧伊琴

周曉天, 楊瀟輝, 張海霞, 鄧伊琴. 無(wú)人機(jī)輔助邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)卸載與資源分配聯(lián)合優(yōu)化[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2024, 46(12): 4399-4408. doi: 10.11999/JEIT240411
引用本文: 周曉天, 楊瀟輝, 張海霞, 鄧伊琴. 無(wú)人機(jī)輔助邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)卸載與資源分配聯(lián)合優(yōu)化[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2024, 46(12): 4399-4408. doi: 10.11999/JEIT240411
ZHOU Xiaotian, YANG Xiaohui, ZHANG Haixia, DENG Yiqin. Joint Optimization of Task Offloading and Resource Allocation for Unmanned Aerial Vehicle-assisted Edge Computing Network[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2024, 46(12): 4399-4408. doi: 10.11999/JEIT240411
Citation: ZHOU Xiaotian, YANG Xiaohui, ZHANG Haixia, DENG Yiqin. Joint Optimization of Task Offloading and Resource Allocation for Unmanned Aerial Vehicle-assisted Edge Computing Network[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2024, 46(12): 4399-4408. doi: 10.11999/JEIT240411

無(wú)人機(jī)輔助邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)卸載與資源分配聯(lián)合優(yōu)化

doi: 10.11999/JEIT240411 cstr: 32379.14.JEIT240411
基金項(xiàng)目: 國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目(U22A2003),山東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(ZR2022ZD02)
詳細(xì)信息
    作者簡(jiǎn)介:

    周曉天:男,教授,研究方向?yàn)闊o(wú)線通信與網(wǎng)絡(luò)、邊緣計(jì)算與智能通信等

    楊瀟輝:男,碩士生,研究方向?yàn)闊o(wú)人機(jī)、邊緣計(jì)算等

    張海霞:女,教授,研究方向?yàn)闊o(wú)線通信與網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線資源管理、智能通信技術(shù)等

    鄧伊琴:女,博士后,研究方向?yàn)檫吘売?jì)算、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線資源優(yōu)化等

    通訊作者:

    張海霞 haixia.zhang@sdu.edu.cn

  • 中圖分類(lèi)號(hào): TN929.5; TP18

Joint Optimization of Task Offloading and Resource Allocation for Unmanned Aerial Vehicle-assisted Edge Computing Network

Funds: The Joint Funds of the National Natural Science Foundation of China (U22A2003), The Major Fundamental Research Project of Shandong Provincial Natural Science Foundation (ZR2022ZD02)
  • 摘要: 利用無(wú)人機(jī)(UAV)作為空中中繼節(jié)點(diǎn),構(gòu)建空地一體化的邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò),可以有效克服地面環(huán)境局限,拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍,為用戶(hù)提供便利計(jì)算服務(wù)。該文面向無(wú)人機(jī)中繼輔助的多用戶(hù)、多服務(wù)器邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景,以最大化任務(wù)完成量為目標(biāo),研究了無(wú)人機(jī)部署位置、用戶(hù)-服務(wù)器關(guān)聯(lián)策略、無(wú)人機(jī)帶寬分配的聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題。由于該問(wèn)題包含連續(xù)與離散變量,故該文綜合運(yùn)用差分進(jìn)化、粒子群優(yōu)化等工具,提出了一種基于塊坐標(biāo)下降(BCD)的次優(yōu)算法進(jìn)行求解。所提算法將原問(wèn)題解耦為3個(gè)子問(wèn)題獨(dú)立求解,并通過(guò)迭代逼近原始問(wèn)題最優(yōu)解。仿真實(shí)驗(yàn)表明,所提算法可在滿(mǎn)足用戶(hù)任務(wù)時(shí)延需求的前提下,最大化系統(tǒng)總?cè)蝿?wù)完成量,優(yōu)于其他對(duì)比算法。
  • 圖  1  系統(tǒng)模型

    圖  2  算法整體流程圖

    圖  3  算法收斂性能分析與UAV部署位置示意圖

    圖  4  不同方案及帶寬資源對(duì)任務(wù)完成量的影響

    1  聯(lián)合UAV位置、帶寬分配、用戶(hù)-邊緣服務(wù)器關(guān)聯(lián)算法

     (1) 初始化$ {{\boldsymbol{\varOmega}} ^0} $, $ {{\boldsymbol{B}}^0} $, $ {{\boldsymbol{A}}^0} $,置$ k $=0;
     (2) While 目標(biāo)函數(shù)的增長(zhǎng)值低于閾值$ \varepsilon $:
     (3)   給定{$ {{\boldsymbol{B}}^k},{{\boldsymbol{A}}^k} $},輸入算法2,輸出結(jié)果$ {{\boldsymbol{\varOmega}} ^{k + 1}} $;
     (4)   給定{$ {{\boldsymbol{\varOmega}} ^{k + 1}},{{\boldsymbol{A}}^k} $},輸入算法3,輸出結(jié)果$ {{\boldsymbol{B}}^{k + 1}} $;
     (5)   給定{$ {{\boldsymbol{\varOmega}} ^{k + 1}},{{\boldsymbol{B}}^{k + 1}} $},輸入算法4,輸出結(jié)果$ {{\boldsymbol{A}}^{k + 1}} $;
     (6)   更新$ k = k + 1 $;
     (7) End While
     (8) 得到最終$ {\boldsymbol{\varOmega}} $, $ {\boldsymbol{A}} $, $ {\boldsymbol{B}} $
    下載: 導(dǎo)出CSV

    2  基于PSO的UAV 3維位置優(yōu)化算法

     輸入:用戶(hù)位置$ ({\boldsymbol{w}}_m^{\text{T}},0) $、邊緣服務(wù)器位置$ ({\boldsymbol{w}}_s^{\text{T}},0) $、任務(wù)參數(shù)
     $ ({l_i},{c_i},{\tau _i}) $;其他基本參數(shù)$ {A_1},{A_2},{\beta _0},N,\gamma ,{c_1},{c_2},{r_1},{r_2},{k_{{\text{max}}}} $;
     輸出:無(wú)人機(jī)3維位置$ {\boldsymbol{\varOmega}} $
     (1) 初始化迭代次數(shù)$ k $=1;
     (2) For 每個(gè)粒子$ i $:
     (3)  For 每個(gè)維度$ d $:
     (4)   在允許范圍內(nèi)隨機(jī)初始化粒子位置$ {{\boldsymbol{X}}_{id}} $;
     (5)   在允許范圍內(nèi)隨機(jī)初始化粒子速度$ {{\boldsymbol{V}}_{id}} $;
     (6)  End For
     (7) End For
     (9) While $ k \le {k_{{\text{max}}}} $:
     (10)   For 每個(gè)粒子$ i $:
     (11)    計(jì)算每個(gè)粒子能夠完成的系統(tǒng)任務(wù)量;
     (12)    If $ f({\boldsymbol{X}}_{id}^k) < f({\bf{pbest}}_{id}^{k - 1}) $
     (13)     選擇當(dāng)前粒子位置作為該粒子的最優(yōu)位置$ {\bf{pbest}}_{id}^k $;
     (14)    End If
     (15) End For
     (16) For 每個(gè)粒子$ i $:
     (17)   For 每個(gè)維度$ d $:
     (18)    根據(jù)式(6)計(jì)算粒子新速度;
     (19)    根據(jù)$ {\boldsymbol{X}}_{id}^{k + 1} = {\boldsymbol{X}}_{id}^k + {\mkern 1mu} {\mkern 1mu} {\boldsymbol{V}}_{id}^{k + 1} $更新粒子新位置;
     (20)   End For
     (21) End For
     (22) $ k = k + 1 $;
     (23) End While
    下載: 導(dǎo)出CSV

    3  基于DE的帶寬分配優(yōu)化算法

     輸入:用戶(hù)位置$ ({\boldsymbol{w}}_m^{\text{T}},0) $、邊緣服務(wù)器位置$ ({\boldsymbol{w}}_s^{\text{T}},0) $、任務(wù)參數(shù)
     $ ({l_i},{c_i},{\tau _i}) $;其他基本參數(shù)$ {A_1},{A_2},{\beta _0},N,{\text{CR}},{k_{{\text{max}}}} $;
     輸出:帶寬分配比例$ {\boldsymbol{B}} $
     (1) 初始化迭代次數(shù)$ k $=1;
     (2) For 每個(gè)個(gè)體$ i $:
     (3)  For 每個(gè)維度$ d $:
     (4)   在允許范圍內(nèi)隨機(jī)初始化個(gè)體位置$ {{\boldsymbol{x}}_{n,1}} $;
     (5)   計(jì)算每個(gè)個(gè)體能完成的系統(tǒng)任務(wù)量;
     (6)  End For
     (7) End For
     (8) While $ k \le {k_{{\text{max}}}} $:
     (9)  For 每個(gè)個(gè)體$ i $:
     (10)   從當(dāng)前$ {{\boldsymbol{x}}_{n,k}} $中選擇3個(gè)不同個(gè)體 $ {{\boldsymbol{x}}_{r1,k}} $, $ {{\boldsymbol{x}}_{r2,k}} $, $ {{\boldsymbol{x}}_{r3,k}} $;
     (11)   計(jì)算得到變異個(gè)體;
     (12) End For
     (13) For 每個(gè)個(gè)體$ i $:
     (14)  生成當(dāng)前個(gè)體的交叉概率$ {\text{CR}} $;
     (15)  根據(jù)式(8)計(jì)算得到試驗(yàn)個(gè)體;
     (16) End For
     (17) For 每個(gè)個(gè)體$ i $:
     (18)  根據(jù)式(9)擇優(yōu)選出最優(yōu)個(gè)體;
     (19) End For
     (20) $ k = k + 1 $;
     (21) End While
    下載: 導(dǎo)出CSV

    4  基于交換的用戶(hù)-邊緣服務(wù)器關(guān)聯(lián)矩陣優(yōu)化算法

     輸入:用戶(hù)位置$ ({\boldsymbol{w}}_m^{\text{T}},0) $、邊緣服務(wù)器位置$ ({\boldsymbol{w}}_s^{\text{T}},0) $、任務(wù)參數(shù)
     $ ({l_i},{c_i},{\tau _i}) $;其他基本參數(shù)$ \mathcal{H},\mathcal{F},{A_1},{A_2},{\beta _0} $;
     輸出:用戶(hù)-邊緣服務(wù)器關(guān)聯(lián)矩陣$ {\boldsymbol{A}} $
     (1) 初始化迭代次數(shù)$ k $=1;
     (2) 根據(jù)式(10)計(jì)算得到當(dāng)前系統(tǒng)完成任務(wù)量$ \varPhi $;
     (3) 根據(jù)用戶(hù)集合計(jì)算得到用戶(hù)組合個(gè)數(shù)$ {\rm{C}}_M^2 $;
     (4) While $ k \le {\rm{C}}_M^2 $:
     (5)  計(jì)算此連接方式下系統(tǒng)完成任務(wù)量$ {\varPhi ^ * } $;
     (6)  If $ {\varPhi ^ * } > \varPhi $:
     (7)   交換此用戶(hù)組合的連接方式,更新$ {{{a}}_{{{m}},{{s}}}} $;
     (8)  End If
     (9)  $ k = k + 1 $;
     (10) End While
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  1  仿真參數(shù)設(shè)置

    參數(shù)名 參數(shù)值 參數(shù)名 參數(shù)值
    邊緣服務(wù)器計(jì)算能力fs [1, 9] GHz 無(wú)人機(jī)傳輸功率$ {P_{\mathrm{u}}} $ 2 W
    邊緣服務(wù)器最大用戶(hù)服務(wù)數(shù)$ {\eta _s} $ 3 噪聲功率譜密度$ {N_0} $ –169 dBm/Hz
    任務(wù)的數(shù)據(jù)量$ {l_i} $ [100, 900] kB 路徑損耗系數(shù)$ \alpha $ 2.5
    用戶(hù)-UAV上行鏈路帶寬W 6 MHz 平均信道功率增益$ {\beta _0} $ –60 dB
    UAV-服務(wù)器下行鏈路帶寬W 6 MHz Rice因子最小值$ {K_{{\text{min}}}} $ 0 dB
    用戶(hù)設(shè)備傳輸功率$ {P_m} $ 15 dBm Rice因子最大值$ {K_{{\text{max}}}} $ 30 dB
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  2  PSO, DE子算法參數(shù)設(shè)置

    算法參數(shù)名參數(shù)值算法參數(shù)名參數(shù)值
    PSO種群規(guī)模大小40DE種群規(guī)模大小60
    粒子維度3粒子維度14
    最大迭代次數(shù)300最大迭代次數(shù)300
    個(gè)體學(xué)習(xí)因子2縮放因子0.5
    群體學(xué)習(xí)因子2交叉因子0.4
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  3  仿真對(duì)比算法

    算法類(lèi)型 算法序號(hào) 算法簡(jiǎn)介
    隨機(jī)分配 對(duì)比算法1 隨機(jī)給定UAV位置、用戶(hù)-服務(wù)器關(guān)聯(lián)矩陣、帶寬分配比例。
    對(duì)比算法2 隨機(jī)給定UAV位置、用戶(hù)-服務(wù)器關(guān)聯(lián)矩陣,平均分配帶寬比例。
    1維資源
    獨(dú)立優(yōu)化
    對(duì)比算法3 單獨(dú)優(yōu)化用戶(hù)-服務(wù)器關(guān)聯(lián)矩陣;隨機(jī)給定UAV位置、帶寬分配比例。
    對(duì)比算法4 單獨(dú)優(yōu)化UAV位置;隨機(jī)給定帶寬分配比例、用戶(hù)-服務(wù)器關(guān)聯(lián)矩陣。
    對(duì)比算法5 單獨(dú)優(yōu)化帶寬分配比例;隨機(jī)給定UAV位置、用戶(hù)-服務(wù)器關(guān)聯(lián)矩陣。
    2維資源
    聯(lián)合優(yōu)化
    對(duì)比算法6 聯(lián)合優(yōu)化用戶(hù)-服務(wù)器關(guān)聯(lián)矩陣、UAV位置;隨機(jī)給定帶寬分配比例。
    對(duì)比算法7 聯(lián)合優(yōu)化UAV位置、帶寬分配比例,隨機(jī)給定用戶(hù)-服務(wù)器關(guān)聯(lián)矩陣。
    對(duì)比算法8 聯(lián)合優(yōu)化用戶(hù)-服務(wù)器關(guān)聯(lián)矩陣、帶寬分配比例,隨機(jī)給定UAV位置。
    下載: 導(dǎo)出CSV
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  • 加載中
圖(4) / 表(7)
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出版歷程
  • 收稿日期:  2024-05-25
  • 修回日期:  2024-11-07
  • 網(wǎng)絡(luò)出版日期:  2024-11-13
  • 刊出日期:  2024-12-01

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