CN109688596B - 一种基于noma的移动边缘计算系统构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非正交多址接入(NOMA)的移动边缘计算系统构建方法，在该系统中多个移动用户以资源块共享的方式同时将各自的部分计算任务经由无线链路发送给附近的基站，基站利用自身配备的移动边缘计算服务器对所接收到的信息进行快速处理，从而对移动用户的计算任务执行起到积极的辅助作用。本发明的优点是既保证了移动用户端对时延容忍度低且复杂度高的计算任务的快速执行，又显著提高了整个系统的资源利用效率，使得未来网络低功耗下的高质量用户体验成为可能。此外，本发明通过一类基于概率分析的中断事件来衡量系统的通信性能以及评估发送功率和卸载任务量对系统性能的影响，从而能够有效地保证系统稳定性。

Description

一种基于NOMA的移动边缘计算系统构建方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于NOMA的移动边缘计算系统的构建方法。

背景技术

非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access，NOMA)和移动边缘计算(Mobile Edge Computing，MEC)都被认为是下一代无线网络中极具发展前景的技术。随着智能通信的快速发展，移动边缘计算越来越多地应用于未来通信领域，它可以提高用户在应用中的计算能力，可以在如虚拟现实、增强现实、无人驾驶等领域发挥重要作用。与使用传统的云计算系统不同，移动边缘计算可以在云无线接入网中提供计算能力。移动边缘计算的基本思想是利用无线电网络中具有强大计算能力的设施，通过利用如集成于基站中的移动边缘计算服务器，用户可以将计算任务卸载到位于网络边缘的移动边缘计算服务器中，再由移动边缘计算服务器进行任务计算。由于移动边缘计算服务器可以部署在用户附近，因此使用移动边缘计算的网络可以为用户提供低延迟和低能耗的任务计算服务。移动边缘计算有两种操作模式，即部分卸载模型和二进制卸载模型。在部分卸载模型中，计算任务可以分为两部分，其中一部分用于本地执行，另一部分则卸载到移动边缘计算服务器。在二进制卸载模型中，计算任务可以在本地执行，也可以全部卸载到移动边缘计算服务器。NOMA已被公认为下一代移动通信网络的关键技术，可用以应对数据流量爆炸式的增长。由于叠加编码在发射机处的使用和连续干扰消除在接收机处的应用，NOMA可以实现比传统正交多址接入更高的频谱效率。如果将NOMA上行链路和下行链路传输和移动边缘计算相结合，通过应用NOMA的移动边缘计算卸载可以显著减少延迟和能量消耗，这对于提高移动用户的用户体验将有极大的提升。但是当前现有技术中还没有这方面的相关方法或技术方案的实现。

发明内容

发明目的：本发明的目的是通过NOMA技术和移动边缘计算技术的结合，来保证移动用户端对时延容忍度低且复杂度高的计算任务的快速执行，从而提高整个系统的资源利用效率，保证未来网络低功耗下用户的高质量体验。

技术方案：为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于NOMA的移动边缘计算系统构建方法，包括以下步骤：

(1)建立系统模型，所述系统包括两个用户和一个配备移动边缘计算服务器的基站，用户和基站都配备单天线，上行采用NOMA方式进行信息传输，无线信道采用频率非选择性准静态块衰落模型，在选择的给定传输块期间内信道状态保持不变，且持续时间有限，用户到基站的信息传输为部分卸载模型；

(2)根据上行链路采用的NOMA模型，得到在基站处用户m和用户n的信干噪比；

(3)根据安全传输要求，得到每个用户在最坏情况下的信息传输速率条件；

(4)定义安全中断概率分析整个系统传输过程的通信性能，同时根据步骤2和步骤3的分析结果，写出整个系统传输中断概率的表达式，并推导出结果。

优选地，所述步骤1中对系统模型的表述为：令k∈{m,n}表示两个用户，上行采用NOMA方式进行信息传输，即在保证用户n不会对用户m造成干扰的情况下，用户n被允许进入NOMA中仅由用户m占用的时隙；根据无线信道采用频率非选择性准静态块衰落模型，选择持续时间为T的特定时间块，每个用户k∈{m,n}在T时间内需执行L_k>0输入比特的计算任务；根据部分卸载模型，用户k可以将计算任务划分为l_k和L_k-l_k输入比特两个部分，分别表示用户本身进行本地计算的任务量和通过无线信道卸载到带有移动边缘计算服务器基站的任务量；

基站处的接收信号为：

其中s_k是用户用于卸载的任务承载信号，h_k表示用户到基站的信道系数，p_k＞0表示用户发射功率，n是基站处方差为σ²的零均值的加性高斯白噪声。

优选地，所述步骤2中，在基站处用户m和用户n的接收信干噪比分别由下式给出：

|h_m|²和|h_n|²分别为用户m、n到基站的信道增益，P_m和P_n分别表示用户m、n的发射功率。

优选地，所述步骤3中，每个用户在最坏情况下的信息传输速率条件为：

BTR_k≥L_k-l_k,k∈{m,n}

BTR_k表示用户的信息传输比特数，T表示传输时间，R_k表示用户信息码字速率，B表示用户到基站的信道带宽，并且：

针对用户m和用户n，上式可以写为：

优选地，所述步骤4中定义中断概率来分析系统的通信性能是指，如果

每个用户k在最坏情况下的信息传输速率小于卸载速率，则无法保证部分计算任务的安全卸载，则发生安全中断，因此，中断概率表达式为：

有益效果：本发明所构建的基于NOMA的移动边缘计算系统，多个移动用户以资源块共享的方式同时将各自的部分计算任务经由无线链路发送给附近的基站，基站利用自身配备的移动边缘计算服务器对所接收到的信息进行快速处理，从而对移动用户的计算任务执行起到积极的辅助作用。本发明既保证了移动用户端对时延容忍度低且复杂度高的计算任务的快速执行，又显著提高了整个系统的资源利用效率，使得未来网络低功耗下的高质量用户体验成为可能。此外，本发明通过一类基于概率分析的中断事件来衡量系统的通信性能以及评估发送功率和卸载任务量对系统性能的影响，从而能够有效地保证系统稳定性。

附图说明

图1为本发明的基于NOMA的移动边缘计算系统模型图；

图2为本发明中用户m和用户n的发送功率和安全中断概率的关系示意图；

图3为本发明中用户m和用户n的本地计算量和安全中断概率的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

参照图1，本实例中提供了一种基于非正交多址接入的移动边缘计算系统，所述系统的构建包括以下步骤：

步骤1：建立系统模型，在实施例中，该系统考虑两个用户和一个配备移动边缘计算服务器的基站，用户和基站都配备单天线。令k∈{m,n}表示两个用户，上行采用非正交多址接入方式进行信息传输，即在保证用户n不会对用户m造成干扰的情况下，用户n被允许进入正交多址接入中仅由用户m占用的时隙。无线信道采用频率非选择性准静态块衰落模型，在选择的给定传输块期间内信道状态保持不变，且持续时间有限。选择持续时间为T的特定时间块，每个用户k∈{m,n}在T时间内需执行L_k>0输入比特的计算任务。关于用户的信息卸载，考虑部分卸载模型，即用户k可以将计算任务划分为l_k和L_k-l_k输入比特两个部分，分别表示用户本身进行本地计算的任务量和通过无线信道卸载到带有移动边缘计算服务器基站的任务量。用户k到基站的信道系数表示为

其中d_k表示用户k到基站之间的距离，α表示路径损耗指数，g_k～CN(0,1)服从归一化瑞利衰落信道状态，用户到基站的信道带宽为B。

另外，此处采用两个用户来执行NOMA是具有现实意义的，因为NOMA系统易受到强干扰限制，考虑两个用户可以通过用户配对更好地执行NOMA，两个用户在实际中实施LTE-A通常也更为合适。

基站处的接收信号为：

其中s_k是用户k∈{m,n}用于卸载的任务承载信号，p_k＞0是用户的发射功率，n是AP处方差为σ²的零均值的加性高斯白噪声。

步骤2：上行链路采用NOMA来传输，基站端采用连续干扰消除对接收的消息进行解码。此处虽然假设允许用户n进入用户m发送信息的时隙，但用户n需保证不能对用户m造成干扰，且不能导致用户m的任何性能下降，在基站的移动边缘计算服务器处，用户n的消息在用户m之前被解码。因此，在基站处用户m和用户n的接收信干噪比分别由下式给出：

|h_m|²和|h_n|²分别为用户m、n到基站的信道增益。|h_m|²p_m表示来自用户m的干扰。

步骤3：对每一个用户而言，每个用户k在最坏情况下的信息传输速率R_k必须不小于卸载速率，从而保证在任何可能的窃听信道下的卸载安全。即：

BTR_k≥L_k-l_k,k∈{m,n} (5)

其中：

针对用户m和用户n，(5)式可以写为：

步骤4：定义中断概率来分析系统的通信性能。如果

每个用户k在最坏情况下的信息传输速率小于卸载速率，则无法保证部分计算任务的安全卸载，则发生安全中断。

因此，中断概率可以定义为：

其中：

即：

即：

则：

令：

用户k到基站的信道增益|h_m|²和|h_n|²的概率密度函数分别为

和

即：

令：

则：

P_o＝1-f₁(l_n,p_m,p_n)f₂(l_m,l_n,p_m,p_n) (15)

对(15)式进行分析，当σ²＜1时，当l_m增大时，中断概率P_o变小；当l_n增大时，中断概率P_o变小；当p_n增大时，中断概率P_o变小；而当p_m增大时，中断概率P_o不能确定。

通过本发明的方法构建的系统，充分利用了NOMA的高频谱效率的优势，既保证了移动用户端对时延容忍度低且复杂度高的计算任务的快速执行，又显著提高了整个系统的资源利用效率，可以实现大量的接入，具有低延时、低信令花费和较强的鲁棒性等优点，使得未来网络低功耗下的高质量用户体验成为可能。图2和图3是根据本发明的仿真实验得到的结果图，在σ²＜1时，图2是用户m和用户n发送功率与中断概率的关系图，由图可知，随着P_n的增大，中断概率是逐渐减小的，在超过一定限制后中断概率变大。图3是本地计算量和中断概率的关系图，由图可知，随着l_m和l_n的增大，中断概率逐渐减小。由此可知，可以通过设置用户的发送功率和本地计算量，来实现安全的传输。

Claims (3)

1.一种基于NOMA的移动边缘计算系统的构建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)建立系统模型，所述系统包括两个用户m、n和一个配备移动边缘计算服务器的基站，用户和基站都配备单天线，上行采用NOMA方式进行信息传输，无线信道采用频率非选择性准静态块衰落模型，在选择的给定传输块期间内信道状态保持不变，且持续时间有限，用户到基站的信息传输为部分卸载模型；

(2)根据上行链路采用的NOMA模型，得到在基站处用户m和用户n的信干噪比γ_m和γ_n；

(3)根据安全传输要求，得到每个用户在最坏情况下的信息传输速率条件，表示为：

BTR_k≥L_k-l_k,k∈{m,n}

BTR_k表示用户的信息传输比特数，T表示传输时间，R_k表示用户信息码字速率，B表示用户到基站的信道带宽；L_k为用户要执行的计算任务量，l_k为用户本地计算的任务量，其中

|h_m|²和|h_n|²分别为用户m、n到基站的信道增益，P_m和P_n分别表示用户m、n的发射功率，σ²为噪声方差；

则针对用户m和用户n，在最坏情况下的信息传输速率条件分别为：

(4)定义安全中断概率分析整个系统传输过程的通信性能，同时根据步骤(2)的信干噪比和步骤(3)的信息传输速率条件，写出整个系统传输中断概率的表达式，并推导出结果；其中，定义安全中断概率分析整个系统传输过程的通信性能是指如果

每个用户k在最坏情况下的信息传输速率小于卸载速率，则无法保证部分计算任务的安全卸载，则发生安全中断；整个系统传输中断概率表达式为：

2.根据权利要求1所述的基于NOMA的移动边缘计算系统的构建方法，其特征在于，所述步骤(1)中对系统模型的表述为：令k∈{m,n}表示两个用户，上行采用NOMA方式进行信息传输，即在保证用户n不会对用户m造成干扰的情况下，用户n被允许进入NOMA中仅由用户m占用的时隙；根据无线信道采用频率非选择性准静态块衰落模型，选择持续时间为T的特定时间块，每个用户k∈{m,n}在T时间内需执行L_k>0输入比特的计算任务；根据部分卸载模型，用户k可以将计算任务划分为l_k和L_k-l_k输入比特两个部分，分别表示用户本身进行本地计算的任务量和通过无线信道卸载到带有移动边缘计算服务器基站的任务量；

基站处的接收信号为：

其中s_k是用户用于卸载的任务承载信号，h_k表示用户到基站的信道系数，p_k＞0表示用户发射功率，N是基站处方差为σ²的零均值的加性高斯白噪声。

3.根据权利要求2所述的基于NOMA的移动边缘计算系统的构建方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在基站处用户m和用户n的接收信干噪比分别由下式给出：

|h_m|²和|h_n|²分别为用户m、n到基站的信道增益，P_m和P_n分别表示用户m、n的发射功率。

Images