[發明專利]基于交替方向乘子算法的無人機支持物聯網資源優化方法

有效

• 申請號: 202110322863.0
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN113163365B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 張延華;趙鋮澤;李萌;孫恩昌;楊睿哲;司鵬搏
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H04W4/44
• 分類號: H04W4/44;H04W24/02;H04L67/10;H04L67/12;H04L9/32
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.基于交替方向乘子算法的無人機支持物聯網資源優化方法，其特征在于：該方法包括如下步驟：

步驟一，將構建的無人機支持的物聯網系統初始化，設定無人機數量、物聯網設備數量和基站數量，并確定無人機、物聯網設備、基站位置；

步驟二，根據初始化條件并結合實際情況，計算MEC系統總能耗E^M，包括數據卸載傳輸的總能耗E^tr、無人機進行數據計算的總能耗和基站進行數據計算的總能耗

步驟三，根據初始化條件并結合實際情況，計算區塊鏈系統的計算成本G_d，從而得到區塊鏈系統的計算時延T^d；

步驟四，結合場景和優化目標，構建系統模型優化問題；

步驟五，對問題進行轉換和分解，對MEC系統的資源分配問題采用基于ADMM的分布式優化算法對其求解；首先推導出具有全局一致約束的增廣拉格朗日量，其次進行變量和拉格朗日乘子的迭代和更新；

步驟六，對區塊鏈系統節點的CPU周期頻率進行優化；

步驟一中，通信場景中存在M個物聯網設備，在三維笛卡爾坐標系下，把O定義為所有物聯網設備的幾何中心，每個物聯網設備的位置表示為(x_m,y_m,0),m∈M＝{1,2,...,M}；其中x_m，y_m為物聯網設備的x軸和y軸坐標；無人機共有N架，其位置表示為(x_n,y_n,h),n∈N＝{1,2,...,N}，其中x_n，y_n，h為無人機的x軸、y軸和z軸坐標；第n架無人機懸停的時間為T_n秒；另外，基站的位置固定，表示為(x_b,y_b,0)，其中x_b，y_b為BS的x軸和y軸坐標；

步驟二中，在MEC系統中，物聯網設備、無人機與基站之間進行數據的傳輸與計算；具體步驟如下：

步驟(2.1)，無人機將收集到的相關物聯網數據卸載到基站，將a_mn∈{0,1},定義為無人機的計算卸載決策；第n架無人機到基站的信道功率增益為

其中為第n架無人機與其相關基站的距離，h₀為距離時的信道增益；設B為總信道帶寬，為第n架無人機的傳輸功率；σ²為噪聲功率，e_mn∈[0,1]，表示基站分配給計算任務的無線電頻譜的百分比；那么從第n架無人機到其相關基站的數據傳輸速率表示為

設D_mn表示第m個物聯網設備傳輸給第n個無人機的數據量，第n架無人機到其相關基站的數據傳輸時延表示為

數據卸載傳輸的總能耗E^tr為

其中，為計算任務的無人機頻譜效率；

步驟(2.2)，無人機選擇將收集到的物聯網設備數據自己處理時，設C_mn為完成計算任務所需的CPU周期總數，為第n架無人機的計算能力，求得第n架無人機計算第m個物聯網設備的數據的執行時間為

無人機進行數據計算的總能耗為

其中，l_n＝10^-26為有效開關電容，γⁿ＝3是一個正常數；

步驟(2.3)，無人機選擇將數據卸載到基站MEC服務器進行計算時，設F為一個MEC服務器的總計算能力，BS分配給第m個物聯網設備的計算資源的百分比為k_mn∈[0,1]，因此，MEC服務器計算第m個物聯網設備的數據的執行時間為

BS進行數據計算的總能耗為

得到整個MEC系統消耗的能量E^M為

步驟三中，為保證卸載到MEC的數據安全，區塊鏈系統的共識節點采用拜占庭容錯(PBFT)協商機制對MEC系統發送的計算卸載記錄進行驗證和共識；具體步驟如下：

步驟(3.1)，首先，區塊鏈中的節點將MEC系統生成的計算卸載記錄收集為事務；當主節點收到事務時，需要檢查簽名和消息認證碼MAC；假設生成或驗證一個簽名、生成或驗證一個MAC分別需要和θ個CPU周期；得到主節點的計算成本為

其中，φ為一個區塊中可以包含的事務數，g是正確事務的比例；

步驟(3.2)，主節點向所有副本節點發送預準備消息；副本節點在接收到一個新塊后，首先驗證該塊的簽名和MAC，然后驗證事務的簽名和MAC；在該過程中，主節點和副本節點的計算成本為

和

步驟(3.3)，每個副本節點向其他副本節點發送準備消息；節點需要驗證2f個來自其他副本節點的簽名和MAC，其中f＝(N-1)/3；因此，主節點的計算成本為

另外，副本節點需要生成一個簽名和N-1個MAC，可得副本節點的計算成本

步驟(3.4)，每個副本節點向其他節點發送提交消息；節點在收到提交消息后需要驗證2f個簽名和MAC；因此，副本節點的計算成本為

步驟(3.5)，收集到2f個匹配的提交消息之后，新的塊成為一個有效的塊，并將其廣播到區塊鏈系統；主節點和副本節點的計算成本為

和

得到各共識節點完成一次共識過程所需的總計算成本G_d為

因此，區塊鏈系統的總計算延遲T^d為

其中，是區塊鏈節點n的CPU周期頻率。