CN109474983A - Mec网络中联合发射功率控制的信道分配方法 - Google Patents

Mec网络中联合发射功率控制的信道分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种MEC网络中联合发射功率控制的信道分配方法，其特征在于：其步骤包括：S1、MEC网络中的资源分配决策单元收集网络信息；S2、形成信道增益表H；S3、构成初始化标准表Q；S4、所述资源分配决策单元为服务请求用户分配初始发射功率；S5、所述资源分配决策单元为每个服务请求用户分配初始信道；S6、所述资源分配决策单元为所有服务请求用户进行信道和发射功率调整迭代，得到最小化MEC网络总时延‑能耗加权和J的信道分配方案。本发明能在计算服务请求用户和通信服务请求用户同存的情况下，快速获得满足最大发射功率约束和最小传输速率约束的信道‑发射功率分配方法。

Description

MEC网络中联合发射功率控制的信道分配方法
技术领域
本发明属于移动边缘计算技术领域，具体地说，是一种MEC网络中联合发射功率控制的信道分配方法。
背景技术
当前移动互联网与移动应用创新面临三大矛盾，包括移动设备计算密集型应用需求剧增但移动设备自身计算能力和电池容量有限、移动云接入需求剧增但接入能力有限、移动网络技术革新越来越多但运营商网络管道化严重且用户平均收益不断降低。为了解决上述矛盾，2014年，欧洲电信标准研究所(ETSI)提出移动边缘计算(MEC,mobile edgecomputing)技术，定义为“在无线接入网(RAN)内靠近移动用户的位置提供IT和云计算能力的新平台”，并已列入第五代移动通信的关键网络技术之一。
本质上，移动边缘计算技术是移动云计算技术向网络边缘的延伸。在该模式下，首先，大量计算和存储资源部署在网络边缘，靠近移动设备或传感器，用户可以将计算密集型任务迁移到边缘云服务器(ECS)中执行，从而显著降低对移动设备计算能力的要求并减小移动设备计算密集型任务执行带来的能耗。其次，通过在网络边缘部署服务器，移动用户无需接入远端云，可以降低云平台和骨干网负载，减少时延。
尽管移动边缘计算技术与超密集组网技术已列入第五代移动通信的关键网络技术，资源分配问题已得到深入研究，但针对超密集网络与移动边缘技术融合下的发射功率控制和信道分配却研究不够。已有的方法局限于计算请求用户，但在实际MEC网络中，通常表现为计算请求用户与通信请求用户并存，而现有的移动边缘计算技术无法既需要满足通信请求用户的最低传输速率要求，还需要满足所有请求用户的最大发射功率约束。
发明内容
针对上述MEC网络中信道分配无法同时满足计算请求用户与通信请求用户的缺陷，本发明提出了一种MEC网络中联合发射功率控制的信道分配方法，该方法具有同时满足通信用户最小发射功率约束和所有用户最大发射功率约束的信道分配准则，最小化了MEC网络中总的时延-能耗和。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种MEC网络中联合发射功率控制的信道分配方法，其特征在于：其步骤包括：
S1、MEC网络中的资源分配决策单元收集所有服务请求用户、基站和边缘云服务器的网络信息；其中，所述服务请求用户包括通信服务请求用户和计算服务请求用户；
S2、所述资源分配决策单元对收集到的网络信息进行筛选、整合，形成信道增益表H；
S3、所述资源分配决策单元通过对所述信道增益表H中的数据进行计算，构成初始化标准表Q；
S4、所述资源分配决策单元为服务请求用户分配初始发射功率，其中每个通信服务请求用户的初始发射功率设置为该通信服务请求用户发射功率可取的最大值pmax，每个计算服务请求用户的初始发射功率设置为该计算服务请求用户发射功率可取的最小值pmin，pmin>0；
S5、所述资源分配决策单元为每个服务请求用户分配初始信道；
S6、所述资源分配决策单元为所有服务请求用户进行信道和发射功率调整迭代，得到最小化MEC网络总时延-能耗加权和J的信道分配方案；其中MEC网络总时延-能耗加权和J即为计算服务请求用户时延-能耗加权和J。
上述方案中，资源分配决策单元(RADU)设置在MEC网络中，信道和发射功率调整迭代过程中，每一次迭代都是在为MEC网络寻找最小时延-能耗加权和；pmax和pmin为MEC网络中设备的发射功率的最大值和最小值。
步骤S1中，所述资源分配决策单元收集的网络信息包括基站/小区总数M、基站子信道数L、服务请求用户数N、服务请求用户类型、计算服务请求用户的计算任务量、基站的子信道数量及其占用状态、基站与服务请求用户之间各个子信道的信道增益。
上述方案中，服务请求用户类型包括通信服务请求用户和计算服务请求用户两种类型。信道增益为已知值，由信道本身的属性而定。一般的，每个小区配置一个基站，故而基站数和小区数相等。
步骤S2中，所述信道增益表H为
其中，表示第m个小区的第n个服务请求用户接入第i个小区的第l个子信道的信道增益。
步骤S3中，所述初始化标准表Q的计算方法为
其中 表示第m个小区的第n个服务请求用户接入第i个小区的第l个子信道的信道增益与该服务请求用户接入其他小区相同子信道的信道增益之和的比值。
步骤S5中，所述初始信道的分配方法的步骤包括：
S51、根据初始化标准表Q中取值的大小分别对通信服务请求用户和计算服务请求用户进行降序排列；
S52、按排列顺序依次为第X个通信服务请求用户分配信道，其中X的初始值为1；
S53、判断前X个已分配信道的通信服务请求用户是否能同时满足所有服务请求用户的发射功率约束和通信服务请求用户的传输速率约束，是则信道分配成功,进入步骤S54，否则，返回步骤S52；
S54、判断X是否等于通信服务请求用户总数n1；若是进入步骤S55，否则令X＝X+1，返回步骤S52；
S55、按步骤S51的排列顺序为第Y个计算服务请求用户分配信道；
S56、判断前Y个已分配信道的计算服务请求用户是否能同时满足所有服务请求用户的发射功率约束和通信服务请求用户的传输速率约束，是则信道分配成功,进入步骤S57，否则，返回步骤S55；
S57、判断Y是否等于通信服务请求用户总数n2；若是则结束，否则令Y＝Y+1，返回步骤S55；其中n1+n2＝N。
上述方案中，发射功率约束指所有服务请求用户的发射功率不得超过网络最大发射功率；传输速率约束指通信服务请求用户的传输速率不得低于网络最小传输速率。
步骤S6中，所述信道和发射功率调整迭代的步骤为：
S61、设定最大迭代次数Tmax，并设当前迭代次数t的值为0；
S62、将t的值加1，即t＝t+1；
S63、对所有服务请求用户进行信道调整；
S64、对所有服务请求用户进行功率调整；
S65、判断所有计算服务请求用户的时延-能耗加权和J是否收敛，或者判断当前迭代次数是否大于等于Tmax，是则结束，否则返回步骤S62。
上述方案中，收敛是指一轮迭代前后，对目标函数的优化效果几乎没有，本算法中时延-能耗加权和J收敛，即在一轮迭代前后时延-能耗加权和J的值几乎没有减小；最大迭代次数Tmax为经验值，技术人员按MEC网络的具体情况进行设置，设置最大迭代次数具有两个目的，一是为了防止算法出错，执行次数超过最大迭代次数会强制终止算法；二是通过设置最大执行次数，可以使其执行时间不会太长。此处，若算法是因为到达最大执行次数而停止，则只认为该迭代结果是一个满意的结果，并非局部最优结果。
步骤S63中，所述信道调整的步骤为：
S631、服务请求用户的总数为N，将i的初始值设为1；
S632、对第i个服务请求用户已分配的信道进行预更换，其中预更换的信道为随机选择的信道；
S633、预更换信道后，判断是否所有通信服务请求用户均满足最小速率约束，且所有计算服务请求用户的时延-能耗加权和J减小，是则进入步骤S634，否则进入步骤S635；
S634、按预更换方案调整该用户的信道，进入步骤S636；
S635、将该服务请求用户的信道还原，进入步骤S636；
S636、判断i是否大于等于服务请求用户数N，是则结束，否则令i＝i+1，并返回步骤S632。
上述方案中，信道调整为随机尝试，每次迭代中每个用户都会重新尝试接入各个信道，当需调整换的目标信道中已接入其他用户，则将两个用户的信道进行交换。
步骤S64中，所述功率调整的步骤为：
S641、服务请求用户的总数为N，将j的初始值设为1；
S642、将第j个服务请求用户的发射功率以最小步进Δp为单位进行调整；
S643、调整功率后，判断是否所有通信服务请求用户均满足最小速率约束，且所有计算服务请求用户的时延-能耗加权和J减小，是则进入步骤S644，否则进入步骤S645；
S644、按上述方案对该服务请求用户的发射功率进行调整，进入步骤S646；
S645、将该服务请求用户的发射功率还原，进入步骤S646；
S646、判断j是否大于等于服务请求用户数N，是则结束，否则令j＝j+1并返回步骤S642。
上述方案中，最小步进Δp取决于MEC系统在读功率进行调整时所能改变的最小值；发射功率调整或为增大或为减小，具体操作时增大或者减小取决于这两种调整哪个能使调整之后的值满足约束条件且使时延-能耗加权和J的值减小。
所述计算服务请求用户的时延-能耗加权和J的计算方法为：
其中，dm,n为第m个小区的第n个计算服务请求用户的时延，pm,n为第m个小区的第n个计算服务请求用户的能耗，α为时延权重因子，β为能耗权重因子，满足α+β＝1,α,β∈[0,1]。
有益效果：(1)本发明能在计算服务请求用户和通信服务请求用户同存的情况下，快速获得满足最大发射功率约束和最小传输速率约束的信道-发射功率分配方法；(2)能最小化MEC网络的全局时延-能耗加权和，最大限度节约网络资源。
附图说明
图1为本发明中MEC网络拓扑图；
图2为本发明的方法流程图；
图3为信道和发射功率调整迭代流程图；
图4为信道调整流程图；
图5为发射功率调整流程图；
图6位本发明与信道迭代-等功率分配方法的系统总时延-能耗加权和对比图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
一种MEC网络中联合发射功率控制的信道分配方法，其特征在于：如图1所示，本实施例中，MEC网络包括1个边缘服务器Server，3个小区，每个小区配置一个基站BS，每个基站BS的覆盖范围内存在N个服务请求用户。
第m个小区的服务请求用户集合为第m个小区的通信服务请求用户集合为第m个小区的计算服务请求用户集合为第m个小区的子信道集合其中L为子信道个数。
如图2所示，其步骤包括：
S1、MEC网络中的资源分配决策单元收集所有服务请求用户、基站和边缘云服务器的网络信息；其中，所述服务请求用户包括通信服务请求用户和计算服务请求用户；所述网络信息包括基站/小区总数为3、基站子信道数L、服务请求用户数N、服务请求用户类型、计算服务请求用户的计算任务量、基站的子信道数量及其占用状态、基站与服务请求用户之间各个子信道的信道增益；
S2、所述资源分配决策单元对收集到的网络信息进行筛选、整合，形成信道增益表H；所述信道增益表H为
其中，表示第m个小区的第n个服务请求用户接入第i个小区的第l个子信道的信道增益；
S3、所述资源分配决策单元通过对所述信道增益表H中的数据进行计算，构成初始化标准表Q；所述初始化标准表Q的计算方法为
其中 表示第m个小区的第n个服务请求用户接入第i个小区的第l个子信道的信道增益与该服务请求用户接入其他小区相同子信道的信道增益之和的比值；
S4、所述资源分配决策单元为服务请求用户分配初始发射功率，其中每个通信服务请求用户的初始发射功率设置为该通信服务请求用户发射功率可取的最大值pmax，每个计算服务请求用户的初始发射功率设置为该计算服务请求用户发射功率可取的最小值pmin，pmin>0；
S5、所述资源分配决策单元为每个服务请求用户分配初始信道；
所述初始信道的分配方法的步骤包括：
S51、根据初始化标准表Q中取值的大小分别对通信服务请求用户和计算服务请求用户进行降序排列；
S52、按排列顺序依次为第X个通信服务请求用户分配信道，其中X的初始值为1；
S53、判断前X个已分配信道的通信服务请求用户是否能同时满足所有服务请求用户的发射功率约束和通信服务请求用户的传输速率约束，是则信道分配成功,进入步骤S54，否则，返回步骤S52；
S54、判断X是否等于通信服务请求用户总数n1；若是进入步骤S55，否则令X＝X+1，返回步骤S52；
S55、按步骤S51的排列顺序为第Y个计算服务请求用户分配信道；
S56、判断前Y个已分配信道的计算服务请求用户是否能同时满足所有服务请求用户的发射功率约束和通信服务请求用户的传输速率约束，是则信道分配成功,进入步骤S57，否则，返回步骤S55；
S57、判断Y是否等于通信服务请求用户总数n2；若是则结束，否则令Y＝Y+1，返回步骤S55；其中n1+n2＝N。
S6、所述资源分配决策单元为所有服务请求用户进行信道和发射功率调整迭代，得到最小化MEC网络总时延-能耗加权和J的信道分配方案；其中MEC网络总时延-能耗加权和即为计算服务请求用户时延-能耗加权和J，所述信道和发射功率调整迭代的步骤为：
如图3所述，S61、设定最大迭代次数Tmax，并设当前迭代次数t的值为0；
S62、将t的值加1，即t＝t+1；
S63、对所有服务请求用户进行信道调整；
如图4所述，所述信道调整的步骤为：
S631、服务请求用户的总数为N，将i的初始值设为1；
S632、对第i个服务请求用户已分配的信道进行预更换，其中预更换的信道为随机选择的信道；
S633、预更换信道后，判断是否所有通信服务请求用户均满足最小速率约束，且所有计算服务请求用户的时延-能耗加权和J减小，是则进入步骤S634，否则进入步骤S635；
S634、按预更换方案调整该用户的信道，进入步骤S636；
S635、将该服务请求用户的信道还原，进入步骤S636；
S636、判断i是否大于等于服务请求用户数N，是则结束，否则令i＝i+1，并返回步骤S632；
S64、对所有服务请求用户进行功率调整；
所述功率调整的步骤为：
如图5所述，S641、服务请求用户的总数为N，将j的初始值设为1；
S642、将第j个服务请求用户的发射功率以最小步进Δp为单位进行调整；
S643、调整功率后，判断是否所有通信服务请求用户均满足最小速率约束，且所有计算服务请求用户的时延-能耗加权和J减小，是则进入步骤S644，否则进入步骤S645；
S644、按上述方案对该服务请求用户的发射功率进行调整，进入步骤S646；
S645、将该服务请求用户的发射功率还原，进入步骤S646；
S646、判断j是否大于等于服务请求用户数N，是则结束，否则令j＝j+1并返回步骤S642；
S65、判断所有计算服务请求用户的时延-能耗加权和J是否收敛，或者判断当前迭代次数是否大于等于Tmax，是则结束，否则返回步骤S62。
作为优选，所述计算服务请求用户的时延-能耗加权和J的计算方法为：
其中，dm,n为第m个小区的第n个计算服务请求用户的时延，pm,n为第m个小区的第n个计算服务请求用户的能耗，α为时延权重因子，β为能耗权重因子，满足α+β＝1,α,β∈[0,1]。
本实施例中，α＝0.8,β＝0.2。
如图6所示，利用蒙特卡洛仿真，将本发明的联合发射功率控制的信道分配方法与传统的信道迭代-等功率分配方法进行比较，其中，信道迭代-等功率分配方法的基本思想是：首先使每个子信道接入的通信服务请求用户的发射功率相同，计算服务请求用户的发射功率也相同，然后通过固定发射功率下信道迭代与固定信道下调整发射功率来优化系统的总时延-能耗加权和。仿真条件的设置为：基站数为3个，子信道数为5，每个小区的用户数由3到12变化。可以看出，本发明提供的MEC网络中联合发射功率控制的信道分配方法相对于信道迭代-等功率分配方法，能减小系统总时延-能耗加权和，且随着用户数增多，效果更明显。

Claims (9)

1.一种MEC网络中联合发射功率控制的信道分配方法，其特征在于：其步骤包括：
S1、MEC网络中的资源分配决策单元收集所有服务请求用户、基站和边缘云服务器的网络信息；其中，所述服务请求用户包括通信服务请求用户和计算服务请求用户；
S2、所述资源分配决策单元对收集到的网络信息进行筛选、整合，形成信道增益表H；
S3、所述资源分配决策单元通过对所述信道增益表H中的数据进行计算，构成初始化标准表Q；
S4、所述资源分配决策单元为服务请求用户分配初始发射功率；其中每个通信服务请求用户的初始发射功率设置为该通信服务请求用户发射功率可取的最大值pmax，每个计算服务请求用户的初始发射功率设置为该计算服务请求用户发射功率可取的最小值pmin，pmin>0；
S5、所述资源分配决策单元为每个服务请求用户分配初始信道；
S6、所述资源分配决策单元为所有服务请求用户进行信道和发射功率调整迭代，得到最小化MEC网络总时延-能耗加权和J的信道分配方案；其中MEC网络总时延-能耗加权和J即为计算服务请求用户时延-能耗加权和J。
2.根据权利要求1所述的MEC网络中联合发射功率控制的信道分配方法，其特征在于：步骤S1中，所述资源分配决策单元收集的网络信息包括基站/小区总数M、基站子信道数L、服务请求用户数N、服务请求用户类型、计算服务请求用户的计算任务量、基站的子信道数量及其占用状态、基站与服务请求用户之间各个子信道的信道增益。
3.根据权利要求2所述的MEC网络中联合发射功率控制的信道分配方法，其特征在于：步骤S2中，所述信道增益表H为
其中，表示第m个小区的第n个服务请求用户接入第i个小区的第l个子信道的信道增益。
4.根据权利要求3所述的MEC网络中联合发射功率控制的信道分配方法，其特征在于：步骤S3中，所述初始化标准表Q的计算方法为
其中 表示第m个小区的第n个服务请求用户接入第i个小区的第l个子信道的信道增益与该服务请求用户接入其他小区相同子信道的信道增益之和的比值。
5.根据权利要求1所述的MEC网络中联合发射功率控制的信道分配方法，其特征在于：步骤S5中，所述初始信道的分配方法的步骤包括：
S51、根据初始化标准表Q中取值的大小分别对通信服务请求用户和计算服务请求用户进行降序排列；
S52、按排列顺序依次为第X个通信服务请求用户分配信道，其中X的初始值为1；
S53、判断前X个已分配信道的通信服务请求用户是否能同时满足所有服务请求用户的发射功率约束和通信服务请求用户的传输速率约束，是则信道分配成功,进入步骤S54，否则，返回步骤S52；
S54、判断X是否等于通信服务请求用户总数N1；若是进入步骤S55，否则令X＝X+1，返回步骤S52；
S55、按步骤S51的排列顺序为第Y个计算服务请求用户分配信道；
S56、判断前Y个已分配信道的计算服务请求用户是否能同时满足所有服务请求用户的发射功率约束和通信服务请求用户的传输速率约束，是则信道分配成功,进入步骤S57，否则，返回步骤S55；
S57、判断Y是否等于计算服务请求用户总数N2；若是则结束，否则令Y＝Y+1，返回步骤S55；其中N1+N2＝N。
6.根据权利要求5所述的MEC网络中联合发射功率控制的信道分配方法，其特征在于：步骤S6中，所述信道和发射功率调整迭代的步骤为：
S61、设定最大迭代次数Tmax，并设当前迭代次数t的值为0；
S62、将t的值加1，即t＝t+1；
S63、对所有服务请求用户进行信道调整；
S64、对所有服务请求用户进行功率调整；
S65、判断所有计算服务请求用户的时延-能耗加权和J是否收敛，或者判断当前迭代次数是否大于等于Tmax，是则结束，否则返回步骤S62。
7.根据权利要求6所述的MEC网络中联合发射功率控制的信道分配方法，其特征在于：步骤S63中，所述信道调整的步骤为：
S631、服务请求用户的总数为N，将i的初始值设为1；
S632、对第i个服务请求用户已分配的信道进行预更换，其中预更换的信道为随机选择的信道；
S633、预更换信道后，判断是否所有通信服务请求用户均满足最小速率约束，且所有计算服务请求用户的时延-能耗加权和J减小，是则进入步骤S634，否则进入步骤S635；
S634、按预更换方案调整该用户的信道，进入步骤S636；
S635、将该服务请求用户的信道还原，进入步骤S636；
S636、判断i是否大于等于服务请求用户数N，是则结束，否则令i＝i+1，并返回步骤S632。
8.根据权利要求6所述的MEC网络中联合发射功率控制的信道分配方法，其特征在于：步骤S64中，所述功率调整的步骤为：
S641、服务请求用户的总数为N，将j的初始值设为1；
S642、将第j个服务请求用户的发射功率以最小步进Δp为单位进行调整；
S643、调整功率后，判断是否所有通信服务请求用户均满足最小速率约束，且所有计算服务请求用户的时延-能耗加权和J减小，是则进入步骤S644，否则进入步骤S645；
S644、按上述方案对该服务请求用户的发射功率进行调整，进入步骤S646；
S645、将该服务请求用户的发射功率还原，进入步骤S646；
S646、判断j是否大于等于服务请求用户数N，是则结束，否则令j＝j+1并返回步骤S642。
9.根据权利要求6或7或8所述的MEC网络中联合发射功率控制的信道分配方法，其特征在于：所述计算服务请求用户的时延-能耗加权和J的计算方法为：
其中，dm,n为第m个小区的第n个计算服务请求用户的时延，pm,n为第m个小区的第n个计算服务请求用户的能耗，α为时延权重因子，β为能耗权重因子，满足α+β＝1,α,β∈[0,1]。
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