[发明专利]一种基于MEC的NOMA窄带物联网的系统能耗最小化方法

摘要

一种基于移动边缘计算的非正交多址接入窄带物联网的系统能耗最小化方法，在兼备MEC和NOMA技术的窄带物联网络中通过联合优化发射功率、计算资源分配和解码排序实现系统能耗最小化，该优化问题描述为一个多变量优化；将P1分解为两个子优化问题：优化资源分配和优化解码排序，其中，针对资源分配的优化，首先根据一对一对数变换已将P1问题转换成P2的凸问题，再通过梯度下降算法来优化发射功率和计算资源分配的问题；其次针对设备解码排序的优化，采用禁忌搜索算法来优化变量。本发明提供一种在兼备MEC和NOMA技术的窄带物联网中通过设计一种联合发射功率、计算资源分配以及设备解码排序的优化算法实现整个系统能耗最小化的方法。

主权项

1.一种基于MEC的NOMA窄带物联网的系统能耗最小化方法，所述方法包括以下步骤：/n1)在基于MEC的NOMA窄带物联网中通过联合优化计算资源分配、用户传输功率和解码排序实现系统能耗最小化，该优化问题描述为一个多变量优化：/n /n受限于:/n /n /n /n /n在此，问题P1的各参数定义如下：/n 用户数据信号的连续干扰消除SIC解码排序；/nd_n：解码排序中第n个解码的用户；/n 用户d_n的传输能耗，单位是焦耳；/n 用户d_n的计算能耗，单位是焦耳；/n 用户d_n需要计算的任务数据量，单位是比特；/n 用户d_n的传输功率；/n 用户d_n的传输速率；/nr：边缘移动计算单元的计算能耗效用系数；/n 边缘移动计算单元计算用户d_n的任务时所分配的计算资源；/n 用户d_n传输任务数据到移动边缘计算单元的传输延迟，单位是秒；/n 移动边缘计算单元计算用户d_n的任务数据的计算耗时，单位是秒；/nC：移动边缘计算单元的总计算容量，单位是Mbps；/nT：每个用户任务执行时延的最大上限，单位是秒；/n 窄带物联网中的用户集{1,···,N}；/n 为集合{1,···,N}的排列集合；/n2)由于问题P1是混合整数非线性优化问题，故将P1分解为两个子优化问题：优化资源分配和优化解码排序，其中，针对资源分配的优化，所述资源分配包括用户传输功率和计算资源分配，首先引入新变量定义其为窄带物联网设备d_n接收到的信噪比，其计算公式为：/n /n对需要优化的变量进行对数变换，即令在给定解码排序的情况下，问题P1等效地转换为以下问题P2：/n /n受限于:/n /n /n /n其中，式中参数定义如下：/nN₀：加性高斯噪声功率；/n 用户d_n和基站之间的信道增益；/nW：所有窄带物联网用户共享的带宽；/n3)根据一对一对数变换已将P1问题转换成P2的凸问题，再通过梯度下降算法来优化用户传输功率和计算资源分配的问题，该过程包括如下步骤：/n步骤3.1：由于问题P2为凸问题，则得到一个拉格朗日函数：/n /n /n其中，式中参数定义如下：/n 优化参量的向量表示；/n 优化参量的向量表示；/n 优化参量的向量表示；/nμ，ψλ：拉格朗日函数乘子系数和向量；/n步骤3.2：对于P2问题中的目标函数，令再对该拉格朗日函数求偏导得到以下式子：/n /n /n /n步骤3.3：利用梯度下降法，得到优化变量的下降方向：/n /n经过k次的迭代更新优化变量的值，得到：/n /n拉格朗日函数系数通过次梯度法进行更新迭代，得到公式：/n /n步骤3.4：随机给定各个参量所需要的参数，即信噪比传输速率计算资源以及拉格朗日乘子μ⁽⁰⁾，ψ⁽⁰⁾，λ⁽⁰⁾,设置初始迭代次数k＝1；/n步骤3.5：设定最大容忍误差ε，计算二范数的值,作为循环的停止条件，更新迭代次数k为k＝k+1并重新回到步骤3.3开始新一轮的计算,直到满足终止标准问题P1获得最优解信噪比速率计算资源/n4)其次针对用户解码排序的优化，采用禁忌搜索算法来优化变量该过程包括如下步骤：/n步骤4.1：根据凸优化的参数选定初始可行解并给出禁忌列表设置初始迭代次数m＝1；/n步骤4.2：在第m次迭代中，通过交换第m-1次的排序，即中任意两个窄带物联网设备的解码排序来生成在满足禁忌要求的候选集和T^(m-1)中选一个最优的解决方案并记录当前最优的解更新禁忌列表T^(m)；/n步骤4.3：若满足停止条件，即当不可解时，则停止计算，否则重复步骤4.2，并更新迭代更新次数m＝m+1，最终得到解码排序的最优解/n