[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

本發明公開了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，通過構建MEC系統模型、區塊鏈系統模型，聯合考慮計算卸載決策、頻譜資源分配和計算資源分配，以實現MEC系統能耗和區塊鏈系統計算延遲的最佳權衡作為優化目標，對網絡場景進行建模。通過交替方向乘子算法對模型進行迭代，實現場景內的資源最優調度。本發明面向無人機支持的物聯網場景，克服了物聯網數據安全、無人機算力不足、資源分配不合理等造成系統能耗過高和計算時延過長等問題。仿真實驗表明，本發明提出的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實現了MEC系統能耗和區塊鏈系統計算延遲的最佳權衡，在提升數據安全和降低系統能耗、計算時延方面具有一定的優勢。

技術領域

本發明涉及一種在融合移動邊緣計算(mobile edge computing,MEC)和區塊鏈的無人機支持的物聯網中，基于交替方向乘子算法的資源優化調度決策方法。通過交替方向乘子算法，設計了一種在物聯網設備、無人機和基站(base station, BS)之間數據卸載、數據計算和數據傳輸過程中，通過優化資源調度策略，提升數據安全并有效減少系統能耗和計算時延的決策優化方法，屬于網絡資源分配和系統決策的相關領域。

背景技術

基于射頻識別、智能傳感器、通信技術和互聯網協議的不斷推進，物聯網的快速發展引起了學術界和工業界的廣泛關注目前，物聯網主要應用于消費者，工業和公共部門等領域。同時，部署的物聯網設備可以收集不同服務所需要的信息，例如交通管理、環境監測、智能家居、可穿戴設備等，已廣泛應用于我們的生活。

然而，很多物聯網設備的計算能力有限，無法對采集到的數據信息進行處理。幸運的是，中心云計算和MEC的出現使上述問題的解決成為了可能。MEC將計算和存儲資源引入移動網絡的邊緣，使其能夠在滿足時延要求的同時利用較大的計算資源處理數據。另一方面，分布式MEC服務器通過卸載計算任務，可以使計算資源更接近用戶，避免不必要的網絡和能源的消耗。

此外，對于部署在偏遠地區的物聯網設備而言，當傳輸鏈路被破壞時，數據交互和計算任務卸載是另一個不可避免的問題。幸運的是，無人機的出現為這一問題提供了有效的解決方案。近年來，無人機的廣泛應用也引起了學術界的廣泛關注。尤其是無人機的移動性使得其更接近設備，為物聯網設備帶來了快速便捷的網絡接入點。此外，無人機可以作為中繼提高通信系統的性能和擴大通信的覆蓋范圍。MEC技術和無人機技術的結合，為物聯網網絡架構的構建提供了一個良好的思路。西北工業大學的Liu等人提出了一種多導多從對策，解決了由兩層無人機組成的MEC網絡中的卸載問題，實現了時延的最小化和利潤的最大化。西南大學的Zhan等人通過考慮無人機支持的MEC系統中的計算卸載和資源分配，實現了無人機能耗和時間消耗之間的最佳權衡。

MEC和無人機的引入給物聯網帶來了巨大的優勢，但同時也面臨著數據安全性和隱私性的巨大挑戰。區塊鏈作為另一種很有前途的技術，有效保證了數據的安全性和真實性。區塊鏈本質上是一個去中心化的分布式賬本數據庫，具有去中心化、不可篡改、可編程等特點，這使它在無人機支持的物聯網中得到了廣泛的應用。北達科他大學的Isaac等人展示了區塊鏈技術在無人機群環境中的應用，說明了區塊鏈框架對無人機群的適用性，提高了系統的安全性。約克大學的Qiu 等人提出了一種基于區塊鏈技術的頻譜交易框架，以保證頻譜交易的安全性。通過Stackelberg博弈模型，得到移動網絡運營商和無人機運營商的最大利潤。

盡管上述研究無人機支持的物聯網中MEC和區塊鏈技術的引入對系統性能進行了優化。然而，在現有的大多數工作中，區塊鏈和MEC的設計和優化都是單獨進行的，區塊鏈與MEC的結合仍然面臨著一些潛在的問題和挑戰。例如，由于無人機的計算能力有限，無人機對于計算任務的卸載決策是不可忽視的。另一個問題是通過考慮頻譜和計算資源的分配來平衡MEC和區塊鏈系統的能量和時間消耗。此外，考慮到無人機懸停時間有限，網絡結構復雜，優化方法的選擇需要慎重考慮。因此，這些問題在設計系統時均須仔細考慮。