[發(fā)明專利]一種異構(gòu)IoT網(wǎng)絡(luò)中的邊緣計算與緩存方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011467098.3
• 申請日: 2020-12-14
• 公開（公告）號: CN112689296B
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 田杰;支媛;劉爽;劉倩倩
• 申請（專利權(quán)）人: 山東師范大學
• 主分類號: H04W24/02
• 分類號: H04W24/02;H04W28/14;H04W28/16
• 代理公司: 濟南圣達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 李圣梅

1.一種異構(gòu)IoT網(wǎng)絡(luò)中的邊緣計算與緩存方法，其特征在于，包括以下步驟：

構(gòu)建基于移動邊緣計算的異構(gòu)IoT網(wǎng)絡(luò)模型；

對異構(gòu)IoT網(wǎng)絡(luò)中不同類型的用戶分別建模分析；針對計算任務型用戶，構(gòu)建上行鏈路通信模型與計算模型；針對內(nèi)容請求型用戶，構(gòu)建下行鏈路通信模型與緩存模型；

問題建模，明確系統(tǒng)優(yōu)化目標，最小化所有用戶的時延與能耗的加權(quán)和；

采用MADDPG算法聯(lián)合優(yōu)化計算卸載、資源分配和內(nèi)容緩存的決策；

其中，在SBSk服務的小區(qū)中，計算任務型用戶選擇將計算任務卸載到MBS或SBSk，其中，MBS與SBS為其關(guān)聯(lián)的用戶均等地分配帶寬，當SBS小區(qū)中的用戶關(guān)聯(lián)到MBS時，MBS為其關(guān)聯(lián)用戶均等分配帶寬；當SBS小區(qū)內(nèi)的用戶關(guān)聯(lián)到本小區(qū)基站，本小區(qū)SBS為其關(guān)聯(lián)用戶均等分配帶寬；在SBSk服務的小區(qū)中，當計算任務型用戶選擇通過無線信道將計算任務卸載到SBSk配備的MEC服務器時，計算任務型用戶的上行鏈路傳輸速率為：

其中，表示計算任務型用戶，表示計算任務型用戶的發(fā)射功率，W_s表示SBS的帶寬，表示計算任務型用戶到SBSk之間的信道增益，σ²表示背景噪聲功率；表示小區(qū)k中選擇將計算任務卸載到SBSk的用戶數(shù)，具體的，在SBSk服務的小區(qū)中，表示計算任務型用戶選擇將計算任務卸載到SBSk；其中，1(e)代表指標函數(shù)，如果事件e為真，則1(e)＝1，否則1(e)＝0；

當計算任務型用戶選擇將計算任務卸載到MBS配備的MEC服務器時，計算任務型用戶的上行鏈路傳輸速率為：

其中，W_m表示MBS的帶寬，表示計算任務型用戶到MBS之間的信道增益，表示網(wǎng)絡(luò)中選擇將計算任務卸載到MBS的用戶數(shù)，表示計算任務型用戶選擇將計算任務卸載到MBS；

在SBSk服務的小區(qū)中，SBSk傳輸內(nèi)容到內(nèi)容請求型用戶的下行鏈路傳輸速率為：

其中，P_k表示SBSk的發(fā)射功率，表示SBSk到內(nèi)容請求型用戶之間的信道增益，表示SBSk服務的內(nèi)容請求型用戶數(shù)；

所述針對計算任務型用戶構(gòu)建計算模型的三種計算方式具體變現(xiàn)為：

a1.本地計算：計算任務型用戶在本地執(zhí)行計算任務用表示計算任務型用戶的計算能力，計算任務在本地計算的執(zhí)行時延為相應的執(zhí)行能耗為其中，ζ表示有效開關(guān)電容，具體取決于芯片的架構(gòu)；表示完成任務所需的CPU周期總數(shù),表示每CPU周期的能耗；

a2.卸載到SBS計算：計算任務型用戶將其計算任務卸載到關(guān)聯(lián)的SBS配備的MEC服務器進行計算，用F^s表示SBS的MEC服務器的計算資源，用表示計算任務型用戶所占用的SBS的MEC服務器的計算資源比例，具體的，在SBSk服務的小區(qū)中，選擇卸載到SBSk的用戶所占用的資源和不能大于SBS的MEC服務器的計算資源，計算任務在關(guān)聯(lián)的SBS的MEC服務器中的執(zhí)行時延為相應的執(zhí)行能耗為其中，e_s表示SBS每CPU周期的能耗,表示計算任務的數(shù)據(jù)大?。?/p>

a3.卸載到MBS計算：計算任務型用戶將其計算任務卸載到MBS配備的MEC服務器進行計算，用表示MBS的MEC服務器分配給計算任務型用戶的計算資源，卸載到MBS上的所有用戶分配相同的計算資源；計算任務在MBS的MEC服務器中的執(zhí)行時延為相應的執(zhí)行能耗為其中，e_m表示MBS每CPU周期的能耗；

所述針對內(nèi)容請求型用戶構(gòu)建緩存模型的四種內(nèi)容傳輸方式具體變現(xiàn)為：

b1.SBS→UE：若內(nèi)容請求型用戶所關(guān)聯(lián)的SBSk緩存了用戶請求內(nèi)容n，內(nèi)容請求型用戶請求內(nèi)容n的下行鏈路傳輸時延為相應的傳輸能耗為其中，表示內(nèi)容請求型用戶的請求內(nèi)容n的數(shù)據(jù)大??；

b2.SBS^nb→SBS→UE：

考慮到同一MBS覆蓋范圍內(nèi)的SBS通過光纖連接且距離較近，且該范圍內(nèi)的內(nèi)容傳輸時間較短，因此假設(shè)MBS覆蓋范圍內(nèi)鄰居SBS到SBS單個內(nèi)容的傳輸時延為固定值T_sbs，傳輸能耗為固定值E_sbs，MBS到SBS單個內(nèi)容的傳輸時延為固定值T_mbs，傳輸能耗為固定值E_mbs；若內(nèi)容請求型用戶所關(guān)聯(lián)的SBSk未緩存用戶請求內(nèi)容n，鄰居SBSk′已緩存，則內(nèi)容傳輸時延為相應的傳輸能耗為

b3.MBS→SBS→UE：若內(nèi)容請求型用戶所關(guān)聯(lián)的SBSk與鄰居SBS均未緩存內(nèi)容n，MBS已緩存，則內(nèi)容傳輸時延為相應的傳輸能耗為

b4.Core Network→MBS→SBS→UE：內(nèi)容請求型用戶請求內(nèi)容n的回程帶寬為其中，表示核心網(wǎng)絡(luò)中的平均數(shù)據(jù)傳輸速率；內(nèi)容請求型用戶請求內(nèi)容n的回程鏈路時延為相應能耗為內(nèi)容傳輸時延為相應的傳輸能耗為

所述采用MADDPG算法聯(lián)合優(yōu)化計算卸載、資源分配和內(nèi)容緩存的決策，具體表現(xiàn)為：

在預設(shè)時隙內(nèi)，離線集中訓練MADDPG模型，每個SBS充當學習智能體，在線執(zhí)行階段快速做出計算卸載、資源分配和內(nèi)容緩存決策；具體的狀態(tài)、動作及獎勵函數(shù)設(shè)置如下：

狀態(tài)空間：時隙t，所有SBS的狀態(tài)集合：具體的單個SBSk的狀態(tài)描述為：其中，ca表示SBS所緩存的內(nèi)容，co，ta，lo，ac分別表示當前小區(qū)內(nèi)用戶的請求內(nèi)容，計算任務，位置，計算執(zhí)行方式，計算資源分配方式環(huán)境因素；行動空間：時隙t，所有SBS的動作集合：具體的單個SBSk的行動描述為：其中，x，a分別表示卸載決策與計算資源分配決策，y表示SBS的緩存決策；

獎勵函數(shù)：智能體通過與環(huán)境的相互作用最大化其獎勵來做出決策，為了最小化系統(tǒng)中所有用戶的時延與能耗的加權(quán)和，將獎勵函數(shù)定義為其中，表示在t時隙，SBSk服務小區(qū)內(nèi)的優(yōu)化效用，表示SBSk服務小區(qū)內(nèi)的所有用戶最大時延與能耗的加權(quán)和。