[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

说明书

本发明提供了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，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。应用本技术方案可通过优化UAVs的部署位置和计算任务的卸载策略，实现系统内各计算任务的平均响应时间最小化。

技术领域

本发明涉及空天地一体计算技术领域，特别是一种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。

背景技术

物联网以及相关科学技术的快速发展使得各式各样的应用业务不断涌现，给人们的学习、生活和工作带来了极大的便利。然而，新兴的计算密集型应用通常对时延具有较强的敏感性，因此在执行时对终端设备的计算能力提出了很高的要求。由于受到现有的硬件技术水平和便携性等因素的限制，终端设备有限的存储和计算资源难以独立满足上述应用的需求，这大大降低了计算任务在终端设备上执行时的性能表现。

移动边缘计算(Mobile edge computing,MEC)技术将服务器部署到网络边缘，被认为是应对上述挑战的一种前瞻性技术手段。在移动边缘计算技术中，终端设备可以将待执行的计算任务卸载到附近的MEC服务器上，能够克服传统移动云计算中因集中式处理而引发的网络拥塞问题，并且传输距离更短，传输时间和能量消耗更少，进而有效提高了用户的服务质量。然而，MEC服务器的位置通常是固定的，不能根据移动用户的需求灵活改变，这限制了MEC系统的能力。

近年来，随着无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)技术的持续发展，UAV在无线通信领域受到了广泛关注。UAV已经在一些通信基础设施受限的场景中得到应用，例如灾害响应和战场通信等。在此基础之上，空-天-地一体化的云边端混合MEC系统开始受到了学术界的关注。一般来说，空-天-地一体化系统由空间层网络、空中层网络和地面网络三个部分构成。空中层网络由搭载了MEC服务器的UAV组成，能够为一定区域内的地面终端设备(Ground terminal,GT)提供远程无线接入和低延迟边缘计算服务。空间层网络中的近地轨道(low Earth orbit,LEO)卫星能够覆盖整个区域，为所有的地面设备提供无处不在的云计算服务。目前，已有一些工作研究了空间卫星使能的计算卸载机制，然而，这些工作主要集中在空-地合作上，并没有考虑空-天-地协同；此外，尽管已有一些工作对空-天-地一体化MEC系统的关键技术展开了研究，然而，其中大部分的工作仅考虑了支持单台UAV的场景，因此无法应用于实际的复杂场景；另外，为了简化模型，大多数的工作仅采用了二进制的卸载策略，这将导致系统内各类终端的资源利用率较低；最后，关于UAV使能的MEC系统的现有工作通常旨在优化系统能耗、能源效率或者吞吐量，对于时延，特别是系统整体的平均响应时延的研究还略有不足。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种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，通过优化UAVs的部署位置和计算任务的卸载策略，实现系统内各计算任务的平均响应时间最小化。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：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，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。