[发明专利]一种边缘计算节点协助的多层边缘计算任务卸载方法

权利要求书

1.一种边缘计算节点协助的多层边缘计算任务卸载方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、建立边缘计算节点协助的边缘计算网络架构；

步骤S2、终端设备向无线接入点发送通信需求指令，控制中心收集边缘计算网络的系统信息，系统信息包括终端设备与无线接入点之间的信道状态信息、计算任务信息和计算资源信息、计算时延需求τ_i；

步骤S3、根据步骤S2控制中心收集的边缘计算网络的信道状态信息，设计终端设备与接入点间关联的优化算法，确定终端设备与无线接入点的关联策略；

所述终端设备与接入点间关联的优化算法步骤包括：

步骤S301：输入步骤S2中的系统信息，初始化满足系统运行约束条件的终端设备与接入点关联因子、终端设备发送预编码、计算任务和计算资源分配；

步骤S302：更新传输速率具体表达式为：

其中，d表示数据流数目，U_i,j表示半正定的辅助变量，V_j,i表示接收预编码，表示接入点处的噪声功率，P_i,j表示终端设备的发送预编码，I_d表示d阶单位矩阵，H_j,i表示终端设备i与接入点j间的信道矩阵，a_i,j表示终端设备i与接入点j间的关联指示因子，表示终端设备集合，表示无线接入点集合，||·||_F表示Frobenius范数，l和i表示不同的终端设备，m和j表示不同的接入点；

步骤S303：更新辅助变量b_i,j，具体表达式为：

步骤S304：利用内点法求解终端设备与接入点优化问题，得到终端设备与无线接入点的关联因子，优化问题具体表示为：

a_i,j∈[0,1](8)

其中，ω_r表示终端设备能量消耗的权重，κ表示因为传输数据大小与原始数据大小之比，D_tr,i表示无线传输的数据大小，n表示迭代次数，表示边缘服务器处的计算时延，表示无线接入点将计算任务传输至边缘服务器的时延，表示边缘计算节点k处的计算时延，表示边缘服务器将计算任务传输至边缘计算节点k的时延，n_j表示一个无线接入点至多服务的终端设备数目，表示边缘计算节点的集；

步骤S305：迭代步骤S302至步骤S304，直至公式(3)中的优化目标收敛，具体为其中表示第n次迭代时公式(3)中优化目标的能量消耗，表示第n-1次迭代时公式(3)中优化目标的能量消耗，ε表示可接受的误差；

步骤S4、根据步骤S3中终端设备和无线接入点的关联策略，设计终端设备发送预编码的优化算法，确定各个终端设备的发送预编码；

所述终端设备发送预编码的优化算法步骤包括：

步骤S401：输入系统信息、终端设备与接入点的关联策略，初始化可行的终端设备发送预编码、计算任务和计算资源分配；

步骤S402：根据公式(1)更新传输速率

步骤S403：更新变量z_i,j，具体表达式为：

步骤S404：利用内点法求解终端设备预编码优化问题，得到发送预编码矩阵，优化问题具体表示为：

其中，P_max,i表示终端设备i的最大发送功率；

步骤S405：迭代步骤S402至步骤S404，直至公式(10)中的优化目标稳定，具体为其中表示第n次迭代时公式(10)中优化目标的能量消耗，表示第n-1次迭代时公式(10)中优化目标的能量消耗；

步骤S5、根据步骤2控制中心收集的计算任务信息和计算资源信息，设计计算任务分配的优化算法，确定终端设备本地、边缘服务器和边缘计算节点处的计算任务大小；

所述计算任务分配的优化算法步骤包括：

步骤S501：输入系统信息、终端设备与接入点关联策略、终端设备发送预编码矩阵，初始化满足系统运行约束条件的计算任务和计算资源分配；

步骤S502：利用内点法求解关于计算任务分配的线性规划问题，得到计算任务分配策略，优化问题具体表示为：

其中，R_i,j表示终端设备i与无线接入点j之间的通信速率，φ_i＝ω_rβ_iμ_if_i²，ψ_l＝D_pk/W_l，φ_l＝D_pk-D_oh，D_loc,i表示终端设备i处计算的计算任务大小，D_p,i表示边缘服务器计算终端设备i的计算任务大小，D_k,i表示边缘计算节点k计算终端设备i的计算任务大小，f_i表示终端设备i的计算资源，f_p,i表示边缘服务器分配给终端设备i的计算资源，f_k,i表示边缘计算节点k分配给终端设备i的计算资源，D_pk表示有线传输时一个数据包的大小，D_oh表示有线传输时的开销大小，W_l表示有线传输的带宽，β_i表示终端设备i的计算能力，β_p表示边缘服务器的计算能力，β_k表示边缘计算节点k的计算能力，ω_p表示边缘服务器的能量消耗权重，ω_c表示边缘计算节点的能量消耗权重；D_i表示计算任务的大小，μ_i表示计算任务的处理密度；

步骤S503：迭代步骤S502，直至公式(14)中的优化目标收敛，具体为其中表示第n次迭代时公式(14)中优化目标的能量消耗，表示第n-1次迭代时公式(14)中优化目标的能量消耗；

步骤S6、根据步骤S5中终端设备本地、边缘服务器和边缘计算节点的计算任务大小和步骤S2控制中心收集的时延需求τ_i，确定边缘服务器和边缘计算节点分配给各个计算任务的计算资源；

所述边缘服务器和边缘计算节点分配给各个计算任务的计算资源确定方法表示为：

根据时延要求，得到边缘服务器和边缘计算节点分配给各个计算任务的计算资源，具体表示为：

其中，表示边缘服务器分配给计算任务i的最优计算资源，表示边缘计算节点k分配给计算任务i的最优计算资源，f_p,tot表示边缘服务器的总计算资源，f_k,tot表示边缘计算节点k的总计算资源；

步骤S7、设计联合计算卸载与资源分配的优化算法，迭代加载步骤S3至步骤S6，直到系统总能量消耗稳定，最终确定终端设备与无线接入点的关联策略、终端设备发送预编码、计算任务分配和计算资源分配。