基于能量收集的UAV-D2D多中继卸载MEC系统的资源分配方法技术方案

本发明专利技术提供了基于能量收集的UAV

【技术实现步骤摘要】
基于能量收集的UAV
‑
D2D多中继卸载MEC系统的资源分配方法


[0001]本专利技术涉及无线通信技术和移动边缘计算
，特别是基于能量收集的UAV
‑
D2D多中继卸载MEC系统的资源分配方法。

技术介绍

[0002]随着现代网络通信技术的迅速发展，人们对于网络性能的要求也在相应的提高。针对物联网不断增长的移动业务需求，无人机辅助的设备到设备通信网络备受关注。在资源有限的系统中，UAV因其易部署，高机动性的优势成为了移动通信网络的重要部分；D2D通信技术在密集型通信中能有效提高频谱效率，减少基站负担，是未来移动通信系统实现海量接入的关键技术。
[0003]将MEC引入到UAV辅助的D2D系统中，既可以节省本地计算资源，减少电池消耗，又能够显著提高移动设备的计算能力。此外，射频能量收集是一种将接收到的射频信号转换成电能的技术，以其新型绿色的供电方式为用户设备提供持续稳定的能量。通过合理的资源分配策略，能够有效减少设备任务计算时间。因此，研究UAV辅助的D2D通信的MEC资源分配策略具有重要意义。
[0004]然而，大多数现有的UAV辅助D2D中继转发系统中常常考虑的是，单个中继节点转发单个任务或多个任务的问题。却忽视了中继节点本身的通信资源负担，从而导致中继节点的电池寿命大大减少，设备硬件老化过快的问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供基于能量收集的UAV
‑
D2D多中继卸载MEC系统的资源分配方法，以解决系统中由于距离基站较远无法实现任务卸载以及中继通信负担大的问题。通过对发射功率、能量收集时间、信道资源和计算资源进行联合优化以实现系统总任务完成时间最小化。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：基于能量收集的UAV
‑
D2D多中继卸载MEC系统的资源分配方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1：建模UAV
‑
D2D的多中继卸载系统网络结构；
[0008]步骤S2：建模总任务传输时隙分配结构；
[0009]步骤S3：建模D2D链路传输时间和中继转发链路传输时间；
[0010]步骤S4：建模中继转发数据能耗和无人机无线能量传输时间；
[0011]步骤S5：建模边缘服务器计算任务的时间；
[0012]步骤S6：建模D2D链路传输、中继转发链路传输和边缘计算时间总和；
[0013]步骤S7：建模用户发射功率、能量收集、计算资源、信道资源和链路速率的预设约束；
[0014]步骤S8：建模系统总任务完成时间最小化的优化模型；
[0015]步骤S9：采用基于帕德近似的交替迭代优化算法，求解系统总任务完成时间最小
化优化模型，得到发射功率、能量收集时间、计算资源和信道资源的最佳分配结果，并将最佳分配结果代入系统总任务完成时间最小化函数得到系统总任务完成时间。
[0016]在一较佳的实施例中，所述步骤S1具体为：
[0017]步骤S11：构建UAV
‑
D2D多中继卸载网络结构，包括一个携带MEC服务器的基站、U架UAV部署于BS的辐射边缘，每架UAV覆盖一个GNs集群，每个GNs集群由R
u
组D2D对组成，其中UAV通过无线能量传输WPT为所在集群的DR进行无线供电，并通过集中式D2D控制来进行D2D通信；DT位于BS的辐射边缘外，而DR位于UAV与BS共同覆盖的区域；
[0018]步骤S12：所有UAV的飞行高度均为H1，第u架UAV的位置坐标为q
u
＝[x
u
,y
u
,H1]；假设第u架UAV覆盖范围下的集群中每组D2D对由一个DT和个DR组成，其中，R＝＝{R1,
···
,R
u
,
···
,R
U
}，}，第u个集群的第r组D2D对的DT和第k个DR位置分别为和UAV悬停并已知用户位置，地面基站的坐标为M＝[x
M
,y
M
,H
M
]；集群u的无人机与该集群的第r组D2D对中配对的第k个DR之间的距离为集群u第r组D2D对中配对的第k个DR与BS的距离为集群u第r组D2D对中的DT与第k个DR的距离为
[0019]在一较佳的实施例中，所述步骤S2具体为：构建总任务传输时隙分配结构；总任务完成时间分为U个集群任务完成时间，每个集群的任务均包括三个部分，分别为传输部分、计算部分和下载部分；其中，假设下载部分的所需传输数据比特结果非常小，在时间上忽略不计。在传输部分，又分三个阶段，分别是能量传输、D2D传输和中继转发三个阶段。
[0020]在一较佳的实施例中，所述步骤S3具体为：
[0021]步骤S31：
[0022]根据下式，计算第u个集群中的第r组D2D对中第k条D2D链路传输速率
[0023][0024]其中，B
u,r
表示第u个集群中第r组D2D对所分配的子信道资源；表示第u个集群里第r组D2D对的DT向第k个DR传输的发射功率；σ2表示系统噪声功率；
[0025]根据下式，计算第u个集群中第r组数据任务在D2D阶段的传输时间
[0026][0027]其中，表示每个DR接收数据的传输时间；
[0028]由于采用FDMA传输模式，根据下式，计算第u个集群的D2D阶段传输时间
[0029][0030]步骤S32：
[0031]在中继转发阶段，接收到数据的DR作为中继设备逐一进行转发卸载；根据下式，计
算每个DR的转发传输速率
[0032][0033]其中，表示第u个集群里第r组D2D对的第k个DR的发射功率；
[0034]根据下式，计算第u个集群里中继转发阶段的总传输时间
[0035][0036]其中，表示为每个DR转发数据的传输时间；由于DF中继系统的性能仅限于源节点到中继和中继到目标节点的两个链路中信道条件较差的信道；因此第u个集群里第r个DT的第k条卸载传输链路的传输速率为
[0037]在一较佳的实施例中，所述步骤S4具体为：根据下式，计算每一个DR所收集到的能量
[0038][0039]其中，η表示DR的能量收集效率，表示为每个DR的能量收集时间，P
u
表示第u架UAV的发射功率；
[0040]根据下式，计算第u个集群里第r组D2D对的第k个DR的能量消耗
[0041][0042]D2D传输阶段与能量收集阶段同时进行，并且中继需要在D2D阶段结束前完成所需能量的收集。
[0043]在一较佳的实施例中，所述步骤S5具体为：根据下式，计算每个任务计算时间
[0044][0045]其中C
u,r
表示第u个集群中的第r个用户任务计算其原始数据所需的CPU机器周期数；计算本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于能量收集的UAV
‑
D2D多中继卸载MEC系统的资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：建模UAV
‑
D2D的多中继卸载系统网络结构；步骤S2：建模总任务传输时隙分配结构；步骤S3：建模D2D链路传输时间和中继转发链路传输时间；步骤S4：建模中继转发数据能耗和无人机无线能量传输时间；步骤S5：建模边缘服务器计算任务的时间；步骤S6：建模D2D链路传输、中继转发链路传输和边缘计算时间总和；步骤S7：建模用户发射功率、能量收集、计算资源、信道资源和链路速率的预设约束；步骤S8：建模系统总任务完成时间最小化的优化模型；步骤S9：采用基于帕德近似的交替迭代优化算法，求解系统总任务完成时间最小化优化模型，得到发射功率、能量收集时间、计算资源和信道资源的最佳分配结果，并将最佳分配结果代入系统总任务完成时间最小化函数得到系统总任务完成时间。2.根据权利要求1所述的基于能量收集的UAV
‑
D2D多中继卸载MEC系统的资源分配方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：步骤S11：构建UAV
‑
D2D多中继卸载网络结构，包括一个携带MEC服务器的基站、U架UAV部署于BS的辐射边缘，每架UAV覆盖一个GNs集群，每个GNs集群由R
u
组D2D对组成，其中u∈U＝＝{1,2,
···
,U}；UAV通过无线能量传输WPT为所在集群的DR进行无线供电，并通过集中式D2D控制来进行D2D通信；DT位于BS的辐射边缘外，而DR位于UAV与BS共同覆盖的区域；步骤S12：所有UAV的飞行高度均为H1，第u架UAV的位置坐标为q
u
＝[x
u
,y
u
,H1]；假设第u架UAV覆盖范围下的集群中每组D2D对由一个DT和K
ru
个DR组成，其中，R＝＝{R 1
,
···
,R
u
,
···
,R U
}，r∈R
u
＝＝{1,2,
···
,R
u
}，k∈K
u,r
＝＝{1,2,
···
,K
u,r
}；第u个集群的第r组D2D对的DT和第k个DR位置分别为和UAV悬停并已知用户位置，地面基站的坐标为M＝[x
M
,y
M
,H
M
]；集群u的无人机与该集群的第r组D2D对中配对的第k个DR之间的距离为集群u第r组D2D对中配对的第k个DR与BS的距离为集群u第r组D2D对中的DT与第k个DR的距离为3.根据权利要求1所述的基于能量收集的UAV
‑
D2D多中继卸载MEC系统的资源分配方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：构建总任务传输时隙分配结构；总任务完成时间分为U个集群任务完成时间，每个集群的任务均包括三个部分，分别为传输部分、计算部分和下载部分；其中，假设下载部分的所需传输数据比特结果非常小，在时间上忽略不计；在传输部分，又分三个阶段，分别是能量传输、D2D传输和中继转发三个阶段。4.根据权利要求1所述的基于能量收集的UAV
‑
D2D多中继卸载MEC系统的资源分配方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：步骤S31：根据下式，计算第u个集群中的第r组D2D对中第k条D2D链路传输速率
其中，B
u,r
表示第u个集群中第r组D2D对所分配的子信道资源；表示第u个集群里第r组D2D对的DT向第k个DR传输的发射功率；σ2表示系统噪声功率；根据下式，计算第u个集群中第r组数据任务在D2D阶段的传输时间其中，表示每个DR接收数据的传输时间；由于采用FDMA传输模式，根据下式，计算第u个集群的D2D阶段传输时间步骤S32：在中继转发阶段，接收到数据的DR作为中继设备逐一进行转发卸载；根据下式，计算每个DR的转发传输速率其中，表示第u个集群里第r组D2D对的第k个DR的发射功率；根据下式，计算第u个集群里中继转发阶段的总传输时间其中，表示为每个DR转发数据的传输时间；由于DF中继系统的性能仅限于源节点到中继和中继到目标节点的两个链路中信道条件较差的信道；因此第u个集群里第r个DT的第k条卸载传输链路的传输速率为5.根据权利要求1所述的基于能量收集的UAV
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D2D多中继卸载MEC系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宜升，尤鸿艺，张鑫宇，菅凯歌，梁立，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：