[發(fā)明專利]一種多無人機(jī)輔助的空地協(xié)作邊緣計(jì)算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210038978.1
• 申請日: 2022-01-13
• 公開（公告）號: CN114374424B
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃錦明;許思潔;李逸凡;張軍;吳怡
• 申請（專利權(quán)）人: 福建師范大學(xué)
• 主分類號: H04B7/185
• 分類號: H04B7/185;H04W16/10;H04W16/18;H04W24/02;H04W28/20;H04W28/24
• 代理公司: 福州君誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 35211
• 代理人: 戴雨君

1.一種多無人機(jī)輔助的空地協(xié)作邊緣計(jì)算方法，其采用的系統(tǒng)包括搭載MEC服務(wù)器的無人機(jī)、地面終端和具有MEC服務(wù)器的地面基站，其特征在于：方法包括如下步驟：

步驟S1，首先初始化并獲取系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置；

步驟S2，根據(jù)初始化參數(shù)確定最大用戶任務(wù)完成時(shí)延，并構(gòu)建最大用戶任務(wù)完成時(shí)延方程；

步驟S3，根據(jù)最大用戶任務(wù)完成時(shí)延方程構(gòu)建最小化最大用戶任務(wù)完成時(shí)延優(yōu)化問題，并將整個(gè)問題拆分成五個(gè)子問題；利用塊坐標(biāo)下降法和連續(xù)凸近似方法配合輔助變量輪流迭代求解；

步驟S4，判斷前后兩次得到的最小用戶可達(dá)速率差值是否小于預(yù)設(shè)的精準(zhǔn)度；是則，結(jié)束迭代得到最終的無人機(jī)與用戶的連接情況，無人機(jī)部署位置，用戶帶寬分配，用戶任務(wù)的分配比例，最大用戶任務(wù)完成時(shí)延方程；否則，執(zhí)行步驟S3；

步驟S1中系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為：記所有用戶的集合為無人機(jī)的集合為終端用戶坐標(biāo)為w_k＝(x_k,y_k)；地面基站水平坐標(biāo)為w_g＝(x_g,y_h)，高度為H_g；無人機(jī)水平坐標(biāo)為q_m＝(x_m,y_m)，高度為z_m；用戶對地面基站的距離為用戶對無人機(jī)的距離為根據(jù)用戶是否在地面基站覆蓋范圍內(nèi)將用戶分為兩類，一類在覆蓋范圍內(nèi)的用戶稱為ITD，集合為另一類在覆蓋范圍外的用戶稱為OTD；

步驟S2最大用戶任務(wù)完成時(shí)延的確定步驟具體如下：

步驟S2-1，定義用戶到地面基站的信道為地面信道，地面信道為瑞利衰弱信道；用戶到無人機(jī)的信道為空中信道，空中信道為概率LoS信道，包含LoS狀態(tài)和NLoS狀態(tài)；

步驟S2-2，計(jì)算得到第k個(gè)用戶的地面信道的傳輸速率

其中，為第k個(gè)用戶的空中信道帶寬，p代表用戶的發(fā)射功率，N₀代表功率譜密度；h_k,g表示地面信道的路徑損耗，且β₀為單位路徑損耗，α_R代表瑞利信道的路徑損耗因子，ζ_k,g代表服從單位均值指數(shù)分布的瑞利衰弱因子；

步驟S2-3，計(jì)算得到空中信道最終的傳輸速率為：

其中，為LoS狀態(tài)的概率，c₁,c₂,c₃,c₄均為和環(huán)境有關(guān)的常數(shù)，且c₁+c₂＝1，θ_k,m為無人機(jī)和用戶之間的角度；為NLoS狀態(tài)的概率，為LoS信道的傳輸速率，為第k個(gè)用戶的空中信道帶寬，p代表用戶的發(fā)射功率，N₀代表功率譜密度，Γ代表信號編碼方案與實(shí)際傳輸?shù)牟罹?；為LoS信道的路徑損耗，α_L為LoS信道的路徑損耗因子；

步驟S2-4，計(jì)算得到地面基站和無人機(jī)的計(jì)算時(shí)延

其中，l_k表示每個(gè)用戶的計(jì)算任務(wù)；x_kl_k表示傳給無人機(jī)的任務(wù)，0≤x_k≤1；(1-x_k)l_k表示傳給地面基站的任務(wù)；f^g表示地面基站計(jì)算服務(wù)器分配給每個(gè)任務(wù)的計(jì)算資源，f^u表示無人機(jī)計(jì)算服務(wù)器分配給每個(gè)任務(wù)的計(jì)算資源；

步驟S2-5，計(jì)算得到用戶通過地面信道完成任務(wù)的總時(shí)延在地面服務(wù)器覆蓋范圍內(nèi)的用戶(ITD)才有地面信道，因此：

步驟S2-6，計(jì)算得到用戶通過空中信道完成任務(wù)的總時(shí)延為T_k,m，每個(gè)用戶最多只能選擇一架無人機(jī)進(jìn)行任務(wù)卸載,用戶和無人機(jī)之間的約束表示為其中，因此：

步驟S2-7，系統(tǒng)的最大用戶任務(wù)完成時(shí)延為所有用戶的最大時(shí)延ζ，

其中，ζ表示所有用戶的最大時(shí)延,表示第k個(gè)用戶通過第g個(gè)地面信道完成任務(wù)的總時(shí)延，T_k,m表示第k個(gè)用戶通過第m個(gè)無人機(jī)的空中信道完成任務(wù)的總時(shí)延，表示任意k以及任意m；

步驟S3中最小化最大用戶任務(wù)完成時(shí)延為：

其中，max代表最大化，s.t.代表約束條件，代表要優(yōu)化的變量；公式(3)和(4)代表每個(gè)用戶最多選擇一架無人機(jī)進(jìn)行任務(wù)卸載，公式(5)代表無人機(jī)的高度限制；公式(6)代表無人機(jī)和用戶之間的角度；公式(7)和(8)代表ITD的任務(wù)分配比約束；公式(9)和(10)代表每個(gè)用戶的帶寬約束；

步驟S3拆分為的5個(gè)問題分別為：P2-用戶和無人機(jī)的連接問題、P3-無人機(jī)的水平位置優(yōu)化問題、P4-無人機(jī)的高度優(yōu)化問題、P5-用戶帶寬分配優(yōu)化問題、P6-用戶任務(wù)比例分配優(yōu)化問題；

用戶和無人機(jī)的連接問題P2的函數(shù)為約束公式為公式(1)、(2)、(3)和(4)；

無人機(jī)的水平位置優(yōu)化問題P3的函數(shù)為約束公式為公式(1)、(2)和(6)；

無人機(jī)的高度優(yōu)化問題P4的函數(shù)為約束公式為公式(1)、(2)、(5)和(6)；

用戶帶寬分配優(yōu)化問題P5的函數(shù)為約束公式為公式(1)、(2)、(9)和(10)；

用戶任務(wù)比例分配優(yōu)化問題P6的函數(shù)為約束公式為公式(1)、(2)、(7)和(8)；

用戶和無人機(jī)的連接問題P2求解時(shí)，將約束公式(4)進(jìn)行松弛處理，即用戶和無人機(jī)的連接問題P2轉(zhuǎn)化為P2.1，即函數(shù)為約束公式為公式(1)、(2)、(3)，且0≤a_k,m≤1；

經(jīng)過松弛處理后的用戶和無人機(jī)的連接問題P2.1，采用凸優(yōu)化工具CVX解決；

無人機(jī)的水平位置優(yōu)化問題P3求解時(shí)，由于約束公式(1)和(6)對變量q_m而言是非凸約束，利用泰勒公式對約束公式(1)和(6)近似轉(zhuǎn)化，

對約束公式(6)近似轉(zhuǎn)化時(shí)：記則:

其中,(r)代表第r次迭代的數(shù)值，并且

對約束公式(1)近似轉(zhuǎn)化時(shí)：

先對約束公式(1)進(jìn)行松弛處理，即利用泰勒公式進(jìn)行近似轉(zhuǎn)化得到：

其中

無人機(jī)的水平位置優(yōu)化問題P3轉(zhuǎn)化為P3.1，即：

(P3.1)

經(jīng)過近似轉(zhuǎn)換后的無人機(jī)的水平位置優(yōu)化問題P3.1是一個(gè)凸優(yōu)化問題，采用凸優(yōu)化工具CVX解決；

無人機(jī)的高度優(yōu)化問題P4求解時(shí)，約束公式(1)對于z_m而言是非凸約束，利用泰勒公式將R_k,m轉(zhuǎn)化為：

其中

經(jīng)過近似轉(zhuǎn)換后的無人機(jī)的高度優(yōu)化問題是一個(gè)凸優(yōu)化問題，采用凸優(yōu)化工具CVX解決；

無人機(jī)的水平位置優(yōu)化問題P5求解時(shí)，采用凸優(yōu)化工具CVX直接解決。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多無人機(jī)輔助的空地協(xié)作邊緣計(jì)算方法，其特征在于：無人機(jī)的水平位置優(yōu)化問題P6求解得到關(guān)于x_k的閉式最優(yōu)解為: