[发明专利]一种基于非正交多址接入与蜂窝网络用户协作的移动边缘计算时延优化方法

权利要求书

1.一种基于非正交多址接入与蜂窝网络用户协作的移动边缘计算时延优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)在一个基站的覆盖范围下有2个边缘计算用户和1个蜂窝网用户，此基站附近有1个边缘服务器，边缘计算用户用集合表示，边缘计算用户使用非正交接入技术同时向基站发送数据，其中边缘计算用户i需要发送的数据量用表示；

在保证边缘计算用户数据需求以及蜂窝网用户吞吐量需求的条件下，最小化上行传输时间与所有边缘计算用户完成所有计算工作量所需的总延时的优化问题描述为如下所示的优化问题OLM：

(OLM)minmax{d₁,d₂}

约束条件：

待优化变量：t,{s_i}_i∈I,{μ_E,i}_i∈I

将问题中的各个变量做一个说明，如下：

g_iE：从边缘计算用户到边缘服务器的信道功率增益；

g_cE：从蜂窝网用户到基站的信道功率增益；

蜂窝网用户的吞吐量需求，单位是兆比特/秒；

W：边缘计算用户到基站的信道带宽，单位是赫兹；

n₀：信道背景噪声的频谱功率密度；

S_i^tot：边缘计算用户i需要处理的计算工作量，单位是兆比特；

μ_L,i：边缘计算用户i的本地计算速率，单位是兆比特/秒；

ρ_i：边缘计算用户i的本地计算的功耗，单位是焦耳/秒；

E_i^max：边缘计算用户i的能耗预算，单位是焦耳；

E_c^max：边缘计算用户i的能耗预算，单位是焦耳；

P_i^max：边缘计算用户i运输迁移的工作计算量到边缘服务器的总的传输功率的上限，单位是瓦特；

P_c^max：蜂窝网用户传输数据量到基站的传输功率的上限，单位是瓦特；

边缘服务器所提供的计算资源上限，单位是兆比特/秒；

将问题中的各个待优化变量做一个说明，如下：

t：2个边缘计算用户的非正交传输时间，单位是秒；

{s_i}_i∈I：边缘计算用户i迁移到边缘服务器上的计算量，单位是兆比特；

{μ_i,E}_i∈I：边缘服务器为边缘计算用户i分配的计算资源，单位是兆比特/秒；

2)OLM问题表示如下：

(OLM)minmax{d₁,d₂}

约束条件：

待优化变量：t,{s_i}_i∈I,{μ_E,i}_i∈I

为了有效地求解OLM问题，首先引入一个辅助变量m来表示两个边缘计算用户分流的计算量之和，即

m＝s₁+s₂

设置一个m的区间为m∈[0,m^upp]，根据约束条件(5)和约束条件(7)得到：

m＜m^upp (8)

其中，为了保证问题(OLM)是可行的，假设Q≥1，辅助参数u_t表示为：

约束条件(3)和约束条件(4)能够等价地转换成：

其中，

当i＝1的时候，约束条件(6)的左边是关于s₁的严格凸函数，存在唯一为正数的点，用α表示，通过对分搜索的方法把α求解出来，在给定(t,m)的前提下，并进一步考虑到0≤s₁≤m，i＝1限制条件(6)能被等价地转换成：

0≤s₁≤min{m,α}

然而，当i＝2时候，约束条件(6)很难处理，因为限制条件(6)的左边是关于s₁的严格凹函数，为了解决这个问题，通过引入能量分配因子γ，利用γ，此时约束条件(6)分为：

注意到，在接下来的算法设计中γ是一个可调整的变量，利用γ把(12)和(13)转换成：

注意到取决于γ和(t,m)，此外随着γ的增大而减小；

约束条件(8)将被用于接下来的算法设计中，为了有效解决OLM问题，首先假设提前给定(t,m)，提出通过执行一个二维线性搜索来枚举(t,m)同时满足约束条件(8)，然后OLM问题分解为OLM-Sub问题和OLM-Top问题；

通过引入一个辅助变量θ＝max{d₁,d₂}，在给定(t,m)和γ的前提下，OLM-Sub问题表述如下，

(OLM-Sub):

约束条件：

待优化变量：θ≥0,s₁,μ_E,1≥0,andμ_E,2≥0

OLM-Sub问题能够被等价地转换成OLM-Sub-E问题：

(OLM-Sub-E):

约束条件：

待优化变量：θ≥0 and s₁

问题(OLM-Sub-E)旨在找到θ的最小可行值以及s₁的可行区间为非空，得到关于OLM-Sub-E问题的最优解的解析结果；

问题(OLM-Sub-E)的最小总延时θ^*能表示成：

利用问题(OLM-Sub)中提出的将原问题表述为：

约束条件：

m＜m^upp

0≤γ≤1

待优化变量：t,m,andγ；

3)求解OLM问题的思路是：将OLM问题分解为OLM-Sub问题和OLM-Top问题进行求解，在OLM-Top问题上采用线性枚举t,m和γ，在给定(t,m)和γ的前提下，计算OLM-Sub-E问题，利用(16)来获取即OLM问题的目标函数值；

4)给定t,m和γ求解OLM-Top问题的OLM-Algorithm算法，目的是求解OLM问题并输出两个边缘计算用户的最小总延时，其步骤如下：

步骤4.1：输入计算步长Δ_t＝10^-4，输入计算步长Δ_m＝10^-4，输入计算步长Δ_γ＝10^-4，设置CVB＝∞和

步骤4.2：设置t^cur＝Δ_t；

步骤4.3：如果t^cur≤T^upp，则执行步骤4.4，否则执行步骤4.19；

步骤4.4：根据(9)计算m^upp；

步骤4.5：设置m^cur＝Δ_m；

步骤4.6：如果m^cur≤m^upp，则执行步骤4.7，否则执行步骤4.18；

步骤4.7：根据(10)，计算s₁的上限，根据(11)计算s₁；

步骤4.8：设置γ^cur＝Δ_γ；

步骤4.9：如果γ^cur≤1，则执行步骤4.10，否则执行步骤4.17；

步骤4.10：根据(14)计算β，根据(15)计算

步骤4.11：如果则跳转至行步骤4.16；

步骤4.12：如果或者则跳转至执行步骤4.16；

步骤4.13：利用(16)计算

步骤4.14：如果则执行步骤4.15，否则跳转至执行步骤4.16；

步骤4.15：设置利用获取计算计算

步骤4.16：更新γ^cur＝γ^cur+Δ_γ，跳至执行步骤4.9；

步骤4.17：更新m^cur＝m^cur+Δ_m，跳至执行步骤4.6；

步骤4.18：更新t^cur＝t^cur+Δ_t，跳至执行步骤4.3；

步骤4.19：输出2个边缘计算用户完成所有计算工作量所需要的最小总延时CBV和问题(OLM)的解

OLM-Algorithm算法输出的CBV代表OLM-Top问题所求边缘计算用户完成所有计算工作量所需要的总延迟最小值；输出的CBS代表OLM问题对应的最优解。