一种基于空天地远程物联网的计算卸载方法及系统技术方案

本发明专利技术实施例提供一种基于空天地远程物联网的计算卸载方法及系统，该方法包括：根据物联网终端本地计算能耗、无人机边缘计算卸载能耗、无人机飞行能耗、卫星云计算卸载能耗和无人机边缘计算能耗，构建总能耗目标函数；根据所述总能耗目标函数，获取总能耗最优计算卸载方案；根据所述总能耗最优计算卸载方案，对空天地远程物联网的计算卸载进行调整。本发明专利技术实施例根据不同时隙下的资源分配问题，提出联合优化卸载资源分配、用户调度变量、计算卸载分配和无人机轨迹规划的计算卸载方法，获取在若干限制条件下的空天地远程物联网络下的最优计算卸载方案，从而减少系统总能耗。

A method and system of computing and unloading based on the remote Internet of things

【技术实现步骤摘要】
一种基于空天地远程物联网的计算卸载方法及系统
本专利技术涉及网络计算卸载
，尤其涉及一种基于空天地远程物联网的计算卸载方法及系统。
技术介绍
随着5G的快速发展，出现了越来越多的在线移动应用和服务，如虚拟现实，高清直播和工业自动化等，也带来了超高数据速率，低延迟，高可靠性和大规模连接等优点。然而，除了高效可靠的通信外，广泛的应用还需要大量的计算能力。例如，环境监控中传感信息的融合，智能电网中高清晰度声音或视频信息的处理，军事演练中需要对大量多媒体数据进行处理以及在紧急救援部署中的目标识别，这些计算密集型任务对资源受限的终端设备(尤其是物联网终端)的电池和计算能力构成巨大挑战。因此，计算密集型任务对资源受限的终端设备(尤其是尺寸有限、功耗较低的物联网设备)的电池和计算能力带来巨大挑战。面对这个问题，移动边缘计算(MobileEdgeComputing，简称MEC)作为一种有发展前景的解决方案，受到了的广泛关注。MEC提供有效和灵活的计算服务，可以降低物联网终端对计算能力和电源的性能要求，还可以缩短计算密集型任务的计算延迟。同时，在基站等基础设施有限甚至没有的情况下，无人机(UnmannedAerialVehicle，简称UAV)可以为物联网终端提供卸载机会并降低计算能耗，这是由于无人机有着灵活的机动性和低成本的优势，从而获得高概率的视距(LoS)空对地通道。无人机辅助边缘计算可以进行计算卸载，并且可以部署在离物联网终端很近的地方，从而节约设备能源、提供低延迟服务，并且安全可靠。目前，基于空天地远程物联网的计算卸载的研究较少，该架构下的计算卸载并未得到较好的分配。因此，现在亟需一种基于空天地远程物联网的计算卸载方法及系统来解决上述问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术实施例提供一种基于空天地远程物联网的计算卸载方法及系统。第一方面，本专利技术实施例提供了一种基于空天地远程物联网的计算卸载方法，包括：根据物联网终端本地计算能耗、无人机边缘计算卸载能耗、无人机飞行能耗、卫星云计算卸载能耗和无人机边缘计算能耗，构建总能耗目标函数；根据所述总能耗目标函数，获取总能耗最优计算卸载方案；根据所述总能耗最优计算卸载方案，对空天地远程物联网的计算卸载进行调整。进一步地，所述根据所述总能耗目标函数，获取总能耗最优计算卸载方案，包括：将所述总能耗目标函数中约束条件的二元变量松弛为连续变量，得到约束条件松弛后的总能耗目标函数；根据线性规划、拉格朗日对偶分解法和连续凸优化方法，对约束条件松弛后的总能耗目标函数进行求解，得到总能耗最优计算卸载方案。进一步地，所述物联网终端本地计算能耗是通过本地计算任务量、任务完成时长获取得到的，公式为：其中，表示第k个物联网终端的本地计算能耗，αkLk表示第k个物联网终端的本地计算任务量，G表示有效切换容量和任务执行完成概率的常数，T表示系统周期长度。进一步地，所述无人机边缘计算卸载能耗是通过以下公式获取得到的：其中，表示第k个物联网终端的边缘计算卸载量在第n个时隙卸载到第m个无人机的能耗，表示第k个物联网终端在第n个时隙传输到第m个无人机的边缘计算卸载量，B表示通信带宽，σ2表示物联网终端的噪声功率，λ表示每个时隙中包含有λ个子时隙；表示在第n个时隙，第k个物联网终端到第m个无人机上行链路的信道功率增益遵循的自由空间损耗模型。进一步地，所述无人机飞行能耗是通过无人机飞行推进能源消耗模型获取得到的，所述无人机飞行推进能源消耗模型为：其中，表示第m个无人机在第n个时隙的飞行能耗，vm[n]表示第n个时隙下第m个无人机的速度，Δ表示时隙的长度，qm[n+1]表示第n+1个时隙第m个无人机的飞行轨迹，qm[n]表示第n个时隙第m个无人机的飞行轨迹；c＝0.5QΔ，表示无人机飞行能耗参数，Q表示无人机的质量。进一步地，所述卫星云计算卸载能耗通过以下公式获取得到的：其中，表示第k个物联网终端在第n个时隙卸载卸载到卫星的能耗，表示第k个物联网终端在第n个时隙传输到卫星的云计算卸载量，B表示通信带宽，σ2表示物联网终端的噪声功率，λ表示每个时隙中包含有λ个子时隙；表示在第n个时隙，第k个物联网终端到卫星上行链路的信道功率增益遵循的资源空间损耗模型。进一步地，所述无人机边缘计算能耗通过以下公式获取得到的：其中，表示第m个无人机对第k个物联网终端的边缘计算任务量的计算能耗，βk,mLk表示第k个物联网终端在第k个无人机的边缘计算任务量，G表示有效切换容量和任务执行完成概率的常数，T表示系统周期长度。第二方面，本专利技术实施例提供了一种基于空天地远程物联网的计算卸载系统，包括：效用构建模块，用于根据物联网终端本地计算能耗、无人机边缘计算卸载能耗、无人机飞行能耗、卫星云计算卸载能耗和无人机边缘计算能耗，构建总能耗目标函数；处理模块，用于根据所述总能耗目标函数，获取总能耗最优计算卸载方案；计算卸载调整模块，用于根据所述总能耗最优计算卸载方案，对空天地远程物联网的计算卸载进行调整。第三方面，本专利技术实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所提供的方法的步骤。第四方面，本专利技术实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的方法的步骤。本专利技术实施例提供的一种基于空天地远程物联网的计算卸载方法及系统，根据不同时隙下的资源分配问题，提出联合优化卸载资源分配、用户调度变量、计算卸载分配和无人机轨迹规划的计算卸载方法，获取在若干限制条件下的空天地远程物联网络下的最优计算卸载方案，从而减少系统总能耗。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的基于空天地远程物联网的计算卸载方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例提供的多物联网终端多无人机辅助移动边缘计算的空天地远程物联网系统的结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的TDMA协议的框架示意图；图4为本专利技术实施例提供的基于空天地远程物联网的计算卸载系统的结构示意图；图5为本专利技术实施例提供的电子设备结构示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于空天地远程物联网的计算卸载方法，其特征在于，包括：/n根据物联网终端本地计算能耗、无人机边缘计算卸载能耗、无人机飞行能耗、卫星云计算卸载能耗和无人机边缘计算能耗，构建总能耗目标函数；/n根据所述总能耗目标函数，获取总能耗最优计算卸载方案；/n根据所述总能耗最优计算卸载方案，对空天地远程物联网的计算卸载进行调整。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于空天地远程物联网的计算卸载方法，其特征在于，包括：
根据物联网终端本地计算能耗、无人机边缘计算卸载能耗、无人机飞行能耗、卫星云计算卸载能耗和无人机边缘计算能耗，构建总能耗目标函数；
根据所述总能耗目标函数，获取总能耗最优计算卸载方案；
根据所述总能耗最优计算卸载方案，对空天地远程物联网的计算卸载进行调整。


2.根据权利要求1所述的基于空天地远程物联网的计算卸载方法，其特征在于，所述根据所述总能耗目标函数，获取总能耗最优计算卸载方案，包括：
将所述总能耗目标函数中约束条件的二元变量松弛为连续变量，得到约束条件松弛后的总能耗目标函数；
根据线性规划、拉格朗日对偶分解法和连续凸优化方法，对约束条件松弛后的总能耗目标函数进行求解，得到总能耗最优计算卸载方案。


3.根据权利要求1所述的基于空天地远程物联网的计算卸载方法，其特征在于，所述物联网终端本地计算能耗是通过本地计算任务量、任务完成时长获取得到的，公式为：



其中，表示第k个物联网终端的本地计算能耗，αkLk表示第k个物联网终端的本地计算任务量，G表示有效切换容量和任务执行完成概率的常数，T表示系统总周期。


4.根据权利要求1所述的基于空天地远程物联网的计算卸载方法，其特征在于，所述无人机边缘计算卸载能耗是通过以下公式获取得到的：



其中，表示第k个物联网终端的边缘计算卸载量在第n个时隙卸载到第m个无人机的能耗，表示第k个物联网终端在第n个时隙传输到第m个无人机的边缘计算卸载量，B表示通信带宽，σ2表示物联网终端的噪声功率，λ表示每个时隙中包含有λ个子时隙；表示在第n个时隙，第k个物联网终端到第m个无人机上行链路的信道功率增益遵循的自由空间损耗模型。


5.根据权利要求1所述的基于空天地远程物联网的计算卸载方法，其特征在于，所述无人机飞行能耗是通过无人机飞行推进能源消耗模型获取得到的，所述无人机飞行推进能源消耗模型为：






其中，表示第m个无人机在第n个时隙的飞行能耗，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王莹，刘嫚，李振东，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11