[发明专利]空天地一体化移动边缘计算系统部署优化和计算卸载方法

权利要求书

1.空天地一体化移动边缘计算系统部署优化和计算卸载方法，其特征在于包括M个GTs的地面层、N台UAVs的空中层以及1台LEO卫星构成的空间层；将GTs和UAVs的集合分别表示为M＝{1,2,…,M}和N＝{1,2,…,N}；在地面层，具有有限计算能力的GTs分布在通信基础设施缺乏的区域，并执行具有计算要求的任务；空中层的UAVs作为边缘节点，为GTs提供边缘计算服务；在空间层，LEO卫星为其覆盖区域内的所有GTs提供集中式云计算服务；允许GTs将其部分计算任务卸载到UAVs和LEO卫星上执行。

2.根据权利要求1所述的空天地一体化移动边缘计算系统部署优化和计算卸载方法，其特征在于，采用三维欧几里德坐标系来表示各地面终端设备和UAVs的位置，第i个GT在当前时隙的位置用三维坐标表示，相应地，第j个UAV的当前位置用三维坐标其中，H表示UAVs的飞行高度；

采用一个4元组I_i＝D_i,S_i,O_i,E_i表示第i个GT在当前时隙内需要执行的计算任务，其中D_i表示计算任务I_i的输入数据大小；S_i表示执行单位计算任务输入量所需的计算资源数；O_i表示任务执行结果的大小；E_i表示该计算任务的最大容忍时延；计算任务执行结果O_i的大小远小于任务的输入量D_i，计算任务I_i的完成时延不得超过最大容忍时延E_i；

将计算任务I_i卸载到UAVs和LEO卫星上执行；采用部分卸载策略，允许GTs对其计算任务进行划分并将部分计算任务卸载到UAVs和LEO卫星上执行，本地执行的部分以及卸载到UAVs和LEO卫星上执行的子任务所占比例分别用和来表示；

当第i个GT不处于任何一台UAV的覆盖范围内时，该GT不能将部分计算任务卸载到UAVs上执行，此时有

3.根据权利要求2所述的空天地一体化移动边缘计算系统部署优化和计算卸载方法，其特征在于，根据各个子任务的执行位置不同，将原计算任务的执行过程分为三种不同模式，即：在本地执行的本地计算模式、在UAV上执行的边缘计算模式和在LEO卫星上执行的云计算模式；这三种计算模式并行地执行；

1)在本地计算模式下，定义参数为第i个GT本地CPU的计算频率，根据计算任务I_i以及本地卸载比例的定义得到本地待处理的任务量大小为因此，本地计算所产生的时延表示为

2)在边缘计算模式下，执行计算任务所产生的时延将由三个部分构成，即：将任务卸载到关联UAV上的传输时延、在UAV上执行的计算时延以及将计算结果返回GT的回传时延；

将第i个GT与第j台UAV之间的无线信道建模为视距信道链路模型；第i个GT和第j台UAV之间的无线信道功率增益被量化为

其中h₀表示参考距离d₀＝1米时无线信道内的信道增益大小，d_ij表示第i个GT和第j台无人机之间的距离，利用欧几里德坐标系表示为

因此，第i个GT和第j台UAV之间的数据传输速率进一步表示为

其中，B表示GTs与UAVs之间的系统带宽，Pi表示第i个GT的传输功率；σ²表示信道中的背景噪声功率；

定义一个二进制变量β_ij表示GTs与UAVs之间的关联关系，其中，β_ij＝1表示第i个GT决定将部分任务卸载到第j台UAV上执行，否则β_ij＝0；规定每个GT至多能将部分任务卸载到一台UAV上执行，因此有以下约束：

此外，规定在当前时隙内每台UAV的并发数量上限，因此有以下约束：

对于第i个GT，其边缘计算模式下的任务完成时延由传输时延和计算时延两部分构成，具体表示为

其中，表示第j台UAV分配给关联GT的CPU计算频率；

3)在云计算模式下，GTs与LEO卫星将采用直接地面—空间传输技术将部分计算任务卸载到远端执行，将所有GTs与LEO卫星之间的数据传输速率统一定义为R_s，定义参数表示LEO卫星分配给各GT的CPU计算频率，因此，其云计算模式下的任务完成时延表示为

由于本地计算模式、边缘计算模式和云计算模式可以并行地执行，因此，对于第i个GT，其计算任务的完成时延T_i应表示为

系统平均响应时延定义为系统中所有计算任务完成时延的平均值，具体表示如下：

联合部署和计算卸载的优化问题表述为：

其中，C1表示各任务的完成时延不能超过该任务的最大容忍时延；C2和C3表示任务卸载率的约束；C4-C6表示GTs与UAVs之间的关联关系约束；C7表示每台UAV仅能为有限范围内GTs提供卸载服务。