CN114205374B - 基于信息时效性的传输和计算联合调度方法、装置及系统 - Google Patents

基于信息时效性的传输和计算联合调度方法、装置及系统 Download PDF

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CN114205374B CN202010980639.6A CN202010980639A CN114205374B CN 114205374 B CN114205374 B CN 114205374B CN 202010980639 A CN202010980639 A CN 202010980639A CN 114205374 B CN114205374 B CN 114205374B
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Abstract

本发明实施例提供的基于信息时效性的传输和计算联合调度方法、装置及系统，其中，方法包括：采用信息年龄、多设备的能量信息，基于可用子信道及可用计算资源，为多设备确定最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，以实现对多设备传输的任务和计算资源的联合调度。并，在任务的年龄满足年龄新鲜条件时，更新满足信息年龄老化条件的信息年龄，这样使用信息年龄实现对信息的及时更新，保证了多设备信息更新的时效性，从而能够及时地获取多设备相关的信息年龄的更新，实现为多设备确定待传输任务和待用计算资源。这样将可用子信道及可用计算资源能够合理分配给多设备，优化系统的性能。

Description

基于信息时效性的传输和计算联合调度方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，特别是涉及的基于信息时效性的传输和计算联合调度方法、装置及系统。
背景技术
在智慧城市的背景下，物联网设备用于实现社会运作的自动化以及周围环境的智能化。目前移动互联网与物联网的深度融合，使得各种新型应用场景比如无人监控、车载网络以及工业控制等不断的涌现，加快了城市智能化的速度。
以上述新型应用场景中的无人监控系统为例，进行如下说明：
源节点拍张照片，此照片可能包含周围环境状态，将此照片作为原始数据，并将此原始数据上传到控制节点；控制节点采用计算资源对原始数据中的照片进行识别，获取照片包含的周围环境状态。
上述控制节点的资源有限，处理各个源节点的数据，系统性能较差。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供的基于信息时效性的传输和计算联合调度方法、装置及系统，用以优化系统性能。具体技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种基于信息时效性的传输和计算联合调度方法，应用于控制中心，所述方法包括：
接收由多设备反馈的能量信息，所述能量信息包括：在当前时隙开始时多设备的能量信息；
确定所述当前时隙各设备的可用子信道及可用计算资源，所述可用子信道及可用计算资源分别是随时间变化的；
在所述可用子信道、所述能量信息以及所述可用计算资源的约束下，为多设备确定最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策；其中，所述最优传输调度决策用于决策传输任务的当前设备，所述最优计算资源调度决策用于决策所述当前设备执行任务的待用计算资源；
根据所述最优传输调度决策以及所述最优计算资源调度决策，联合调度多设备传输的任务和计算资源，为多设备确定待传输任务和待用计算资源；
其中，所述当前设备是根据在当前时隙开始时的所述能量信息以及已接收到多设备任务得出的信息年龄，确定所述信息年龄满足信息时效条件且能量信息满足传输任务的能量条件的设备，作为备选设备；从所述备选设备中，确定的不超过当前可用子信道数的设备；
所述待用计算资源是根据所述信息年龄以及多设备传输任务的年龄，在任务的年龄满足年龄新鲜条件时，更新满足信息年龄老化条件的信息年龄，作为备选执行任务；确定所有备选执行任务所需的所有可用计算资源不超过当前可用计算资源量，则将各备选执行任务所需的所有可用计算资源，作为各当前设备的待用计算资源。
进一步的，所述多设备包括：第一异构设备及第二异构设备，所述接收由多设备反馈的能量信息包括：
接收由第一异构设备反馈的第一能量信息，以及由第二异构设备反馈的第二能量信息，其中，所述第一能量信息为在当前时隙开始时所述第一异构设备的电池存有的第一能量及在所述当前时隙开始时到达所述第一异构设备的第二能量；所述第二能量信息为在所述当前时隙开始时到达所述第二异构设备的第三能量；
所述根据所述最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，联合调度多设备传输的任务和计算资源，为多设备确定待传输任务和待用计算资源之前，所述方法还包括：
根据第一能量和第二能量，执行用于管理所述第一异构设备中能量的能量管理决策，所述能量管理决策包括：在所述第一异构设备的第一能量不足以支持待传输任务，则由所述第一异构设备收集能量，或者，在所述第一异构设备的第一能量足以支持待传输任务，则使用所述第一异构设备的第一能量；
所述根据所述最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，联合调度多设备传输的任务和计算资源，为多设备确定待传输任务和待用计算资源，包括：
在所述能量管理决策下，根据所述最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，联合调度多设备传输的任务和计算资源，为多设备确定待传输任务和待用计算资源。
进一步的，所述在所述可用子信道、所述能量信息以及所述可用计算资源的约束下，为多设备确定最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，包括：
在所述可用子信道、所述能量信息以及所述可用计算资源的约束下，最小化所有设备在所述控制中心处状态更新的信息年龄的加权和，为多设备确定最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，其中，所述备选执行任务的平均信息年龄为满足年龄新鲜条件的任务的年龄、与满足信息年龄老化条件的信息年龄之间的差值。
进一步的，采用如下公式，确定最小化所有设备在所述控制中心处状态更新的信息年龄的加权和：
Figure BDA0002687393750000031
Figure BDA0002687393750000032
Figure BDA0002687393750000033
Figure BDA0002687393750000034
Figure BDA0002687393750000035
Figure BDA0002687393750000036
Figure BDA0002687393750000037
进一步的，采用如下公式，确定最优传输调度决策：
Figure BDA0002687393750000038
其中，
Figure BDA0002687393750000039
表示有足够能量用于任务传输的第二异构设备，
Figure BDA00026873937500000310
表示没有足够能量用于任务传输的第二异构设备，
Figure BDA0002687393750000041
表示最优传输调度决策，c表示所有第一异构设备和有足够能量用于任务传输的第二异构设备集合中第一个不分配子信道的设备，
Figure BDA0002687393750000042
argmin(.)表示最小化功能函数；
采用如下公式，确定最优计算资源调度决策：
Figure BDA0002687393750000043
其中，
Figure BDA0002687393750000044
表示最优计算资源调度决策，d表示所有设备中第一个不分配计算资源的设备，
Figure BDA0002687393750000045
进一步的，采用如下公式，确定能量管理决策：
Figure BDA0002687393750000046
其中，ei(t)*表示能量管理决策，θi表示摄动参数。
进一步的，所述根据所述最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，联合调度多设备传输的任务和计算资源，为多设备确定待传输任务和待用计算资源之后，所述方法还包括：
将所述待传输任务分配给当前设备，由当前设备根据当前设备的待传输任务，生成携带有待传输任务的原始数据，所述原始数据还携带有在当前设备上的生成时间；
接收由当前设备采用所述最优传输调度决策分配的可用子信道，传输所述原始数据；
在当前时隙，采用所述最优计算资源调度决策分配给当前设备的当前可用计算资源，对所述待传输任务的原始数据进行分析，执行当前设备的待传输任务，得到当前设备的待传输任务的执行结果。
进一步的，所述在当前时隙，采用所述最优计算资源调度决策分配给当前设备的当前可用计算资源，对所述待传输任务的原始数据进行分析，执行当前设备的待传输任务，得到当前设备的待传输任务的执行结果，包括：
在当前时隙，采用所述最优计算资源调度决策分配给当前设备的当前可用计算资源，确定所述任务的年龄以及信息年龄；
执行所述当前设备的待传输任务，得到当前设备的待传输任务的执行结果；
若任务的年龄满足年龄新鲜条件时，更新满足信息年龄老化条件的信息年龄。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于信息时效性的多设备任务传输和计算联合调度装置，应用于控制中心，所述装置包括：
第一接收模块，用于接收由多设备反馈的能量信息，所述能量信息包括：在当前时隙开始时多设备的能量信息；
第一处理模块，用于确定所述当前时隙各设备的可用子信道及可用计算资源，所述可用子信道及可用计算资源分别是随时间变化的；
第二处理模块，用于在所述可用子信道、所述能量信息以及所述可用计算资源的约束下，为多设备确定最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策；其中，所述最优传输调度决策用于决策传输任务的当前设备，所述最优计算资源调度决策用于决策所述当前设备执行任务的待用计算资源；
联合调度模块，用于根据所述最优传输调度决策以及所述最优计算资源调度决策，联合调度多设备传输的任务和计算资源，为多设备确定待传输任务和待用计算资源；
其中，所述当前设备是根据在当前时隙开始时的所述能量信息以及已接收到多设备任务得出的信息年龄，确定所述信息年龄满足信息时效条件且能量信息满足传输任务的能量条件的设备，作为备选设备；从所述备选设备中，确定的不超过当前可用子信道数的设备；
所述待用计算资源是根据所述信息年龄以及多设备传输任务的年龄，在任务的年龄满足年龄新鲜条件时，更新满足信息年龄老化条件的信息年龄，作为备选执行任务；确定所有备选执行任务所需的所有可用计算资源不超过当前可用计算资源量，则将各备选执行任务所需的所有可用计算资源，作为各当前设备的待用计算资源。
第三方面，本发明实施例提供了一种基于信息时效性的多设备任务传输和计算联合调度系统，所述系统包括：
多设备，用于获得能量信息，将所述能量信息反馈给控制中心，所述能量信息包括：在当前时隙开始时多设备的能量信息；
所述控制中心，用于实现如上述的基于信息时效性的传输和计算联合调度方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种边缘服务器，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述第一方面任一的方法的步骤。
第五方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述第一方面任一的方法。
本发明实施例有益效果：
本发明实施例提供的一种基于信息时效性的传输和计算联合调度方法、装置及系统，采用信息年龄、多设备的能量信息，基于可用子信道及可用计算资源，为多设备确定最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，以实现对多设备传输的任务和计算资源的联合调度。并，在任务的年龄满足年龄新鲜条件时，更新满足信息年龄老化条件的信息年龄，这样使用信息年龄实现对信息的及时更新，保证了多设备信息更新的时效性，从而能够及时地获取多设备相关的信息年龄的更新，即状态更新；并且，通过在可用子信道、能量信息以及可用计算资源的约束下，根据所述最优传输调度决策以及所述最优计算资源调度决策，实现为多设备确定待传输任务和待用计算资源，这样将可用子信道及可用计算资源能够合理分配给多设备，优化系统的性能。
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于信息时效性的多设备任务传输和计算联合调度方法的流程示意图；
图2为本发明实施例与设备相关的状态更新的年龄演变示意图；
图3为本发明实施例提供的基于信息时效性的传输和计算联合调度装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的基于信息时效性的传输和计算联合调度系统的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的边缘服务器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面首先对本发明实施例提供的一种基于信息时效性的传输和计算联合调度方法进行介绍。
本发明实施例所提供的一种基于信息时效性的传输和计算联合调度方法，应用于支撑自动驾驶、智能监控等新型应用场景。本发明实施例提供的方法可以应用于控制中心。此控制中心可以是中心节点，即中心控制服务器。此控制中心也可以是无线节点，即边缘服务器。由于边缘服务器更加靠近于多设备，因此有利于消息更加及时的传输。
如图1所示，本发明实施例所提供的一种基于信息时效性的传输和计算联合调度方法，该方法可以包括如下步骤：
步骤110，接收由多设备反馈的能量信息，所述能量信息包括：在当前时隙开始时多设备的能量信息。
本步骤110中的，多设备可以是异构设备。异构设备是指应用于同一能量收集支持的系统的不同架构的设备。在能量到达模型基础上，将能量收集支持的系统分为两种典型架构：即采集使用后存储(Harvest Use Store，简称HUS)构架和采即用(Harvest Use，简称HU)构架。HU架构的HU设备没有或者是仅供即时使用的能量存储单元，倾向于把采集到的能量用尽，而剩余未用尽能量将被丢弃，不能存起来再利用；相比于HU架构，HUS架构的HUS设备具有较大的能量存储单元，可以将收集到的能量存起来用于未来，并且利用当前电池中的能量为设备提供能量。
为了方便描述和区分两种构架中的设备，本发明实施例中的HUS设备，也可以称为第一异构设备，而本发明实施例中的HU设备，也可以称为第二异构设备。
步骤120，确定所述当前时隙各设备的可用子信道及可用计算资源，所述可用子信道及可用计算资源分别是随时间变化的。
其中，上述当前时隙可以是当前的任意时隙。为了在控制中心通过接收任务获取状态更新，多设备需要利用无线频谱资源将任务传输到控制中心。这里无线信道的分布为独立同分布块衰落，即信道状态在每个当前时隙内保持不变，而不同时隙之间发生变化。也就是，各设备可以利用的子信道，称为可用子信道，此可用子信道是随时间变化的。并且，各设备可以利用的计算资源，称为可用计算资源，此可用计算资源也是随时间变化的。
控制中心为无线节点时，设备通过无线频谱资源连接到无线节点，无线节点执行对设备采集到的原始数据分析和处理任务，从而获得与每个设备相关的状态更新。在每个时隙，控制节点决定多个设备的传输和计算联合决策。
步骤130，在可用子信道、能量信息以及可用计算资源的约束下，为多设备确定最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策；其中，最优传输调度决策用于决策传输任务的当前设备，最优计算资源调度决策用于决策所述当前设备执行任务的待用计算资源。
其中，多设备中根据最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策确定待传输任务和待用计算资源的设备，称为当前设备。多设备分布在各个观察点，并且多设备只利用可再生能源为自身提供能量。
步骤140，根据最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，联合调度多设备传输的任务和计算资源，为多设备确定待传输任务和待用计算资源。
其中，所述当前设备是根据在当前时隙开始时的所述能量信息以及已接收到多设备任务得出的信息年龄，确定所述信息年龄满足信息时效条件且能量信息满足传输任务的能量条件的设备，作为备选设备；从所述备选设备中，确定的不超过当前可用子信道数的设备；
所述待用计算资源是根据所述信息年龄以及多设备传输任务的年龄，在任务的年龄满足年龄新鲜条件时，更新满足信息年龄老化条件的信息年龄，作为备选执行任务；确定所有备选执行任务所需的所有可用计算资源不超过当前可用计算资源量，则将各备选执行任务所需的所有可用计算资源，作为各当前设备的待用计算资源。
首先需要说明的是，对于上述新型应用场景中，信息的新鲜度对系统性能起到决定性作用，越新鲜的信息，越有利于做出正确的控制决策。而，信息是否新鲜可以通过信息的时效性进行衡量。因此，人们提出了信息年龄(Age of Information，简称AoI)作为衡量信息时效性的网络性能指标，其定义为在源节点处最新接收到的数据包从生成到被接收经过的时间，和时延的区别在于它不仅包含传输时延，而且包含数据在源节点的等待时间以及在目的节点的停留时间。即，目的节点在任意时间t，收到的最后一个更新数据包，此最后一个更新数据包在源节点生成的时间为u(t)，那么在t时隙此最后一个更新数据的信息年龄为t-u(t)。由此可知，如果在目的节点处与源节点相关的数据包不更新，那么信息年龄将会直线增加，从而源节点在目的节点处的信息将会过时，目的节点将无法捕获到源节点处的新鲜信息。因此基于此AoI，本发明实施例提供了一种基于信息时效性的传输和计算联合调度方法，以完成对信息年龄的更新，即状态更新，优化系统性能。
以下基于AoI，依次说明信息时效条件，传输任务的能量条件，信息年龄老化条件以及任务的年龄满足年龄新鲜条件；
信息时效条件可以是根据用户需求设置的。比如，信息时效条件的确定方式可以但不限于为信息年龄最小，或者对信息年龄由小到大的排序中，选择前几位的信息年龄，再或者，对信息年龄由大到小的排序中，选择后几位的信息年龄。具体的前几位的数目可以是和可用子信道有关。这样可以找到信息年龄最小，也就是最新鲜的信息年龄，或者较新鲜的信息年龄，对应后续更新最老的信息年龄，或者较老的信息年龄。而对于任务的年龄满足年龄新鲜条件而言，任务的年龄满足年龄新鲜条件的确定方式与上述信息时效条件的确定方式，除以前者是任务的年龄，而后者是信息年龄的对象不同外，其他确定方式的过程与上述信息时效条件的确定方式的过程相同，均可参照上述信息时效条件的确定方式的确定方式，在此不再赘述。
上述传输任务的能量条件可以是根据用户需求设置的。比如，能量条件的确定方式可以但不限于为能量最大，或者对能量由大到小的排序中，选择前几位的能量，再或者，对能量由小到大的排序中，选择后几位的能量。这样可以找到排列好的能量中，即能量队列中，能量最大，或者能量较大的设备。
信息年龄老化条件可以是根据用户需求设置的。比如，信息年龄老化条件的确定方式可以但不限于为信息年龄最大，或者对信息年龄由大到小的排序中，选择前几位的信息年龄，再或者，对信息年龄由小到大的排序中，选择后几位的信息年龄。具体的前几位的数目可以是和可用子信道有关。这样可以找到最老的信息年龄，或者较老的信息年龄。
在本发明实施例中，采用信息年龄、多设备的能量信息，基于可用子信道及可用计算资源，为多设备确定最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，以实现对多设备传输的任务和计算资源的联合调度。并，在任务的年龄满足年龄新鲜条件时，更新满足信息年龄老化条件的信息年龄，这样使用信息年龄实现对信息的及时更新，保证了多设备信息更新的时效性，从而能够及时地获取多设备相关的信息年龄的更新，即状态更新；并且，通过在可用子信道、能量信息以及可用计算资源的约束下，根据最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，实现为多设备确定待传输任务和待用计算资源，这样将可用子信道及可用计算资源能够合理分配给多设备，优化系统的性能。
结合上述内容，为了能够更有效地为各设备提供能量，能量收集(Energyharvesting，简称EH)技术作为高效的设备供电方式被提出，它能够使设备捕捉周围的可回收能量，如太阳能和风能等，完成有效地为设备提供能量。在本发明实施例的一种可能的实现方式中，多设备包括：第一异构设备及第二异构设备，接收由多设备反馈的能量信息包括：
接收由第一异构设备反馈的第一能量信息，以及由第二异构设备反馈的第二能量信息，其中，第一能量信息为在当前时隙开始时第一异构设备的电池存有的第一能量及在当前时隙开始时到达第一异构设备的第二能量；第二能量信息为在当前时隙开始时到达第二异构设备的第三能量；
步骤140之前，方法还包括：根据第一能量和第二能量，执行用于管理第一异构设备中能量的能量管理决策，能量管理决策包括：在第一异构设备的第一能量不足以支持待传输任务，则由第一异构设备收集能量，或者，在第一异构设备的第一能量足以支持待传输任务，则使用第一异构设备的第一能量。这样第一异构设备不收集能量。
步骤140进一步包括：在能量管理决策下，根据最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，联合调度多设备传输的任务和计算资源，为多设备确定待传输任务和待用计算资源。
本发明实施例，考虑能量的随机达到，根据多设备电池的电量以及多设备在控制中心的状态更新的信息年龄，高效的完成状态更新以及对平均年龄性能进行分析，从而保证状态更新的高时效性。
为了方便理解，如下举例说明上述状态更新的信息年龄：
在相关新型应用场景中，为了实现远程监控的功能，远端的控制中心，即目的节点需要借助于源节点实时地对周围环境进行监测。即，需要部署多个设备，即源节点对周围多个观测点进行监测，源节点将采集到的环境信息，通过无线频谱资源传输到远端控制节点。对此，进行如下说明：
假设多设备对周围多个观测点进行监测，多设备以5秒为周期，每5秒向中心控制发送一个任务，此任务有任务的年龄，在控制中心，确定满足状态更新条件时，则更新控制中心的信息年龄。详细叙述如下：
在当前5秒时多设备将拍摄的照片生成任务，此任务中携带有任务的年龄；多设备将此任务发送给控制中心，控制中心接收到到此任务。对多设备发送任务到控制中心接收任务的整个过程，控制中心对应有一个信息年龄；并且此信息年龄会随着时间不断增长的；
在下一个5秒时多设备将拍摄的照片生成任务，此任务中携带有任务的年龄；多设备将此任务发送给控制中心，控制中心接收到到此任务。如果在任务的年龄满足年龄新鲜条件，上述一个信息年龄也满足信息年龄老化条件时，对于多设备发送任务到控制中心接收任务的整个过程，控制中心对应有另一个信息年龄，并使用此另一个信息年龄更新上述一个信息年龄，即状态更新的信息年龄。本发明实施例关注状态更新的信息年龄，以便确定信息的时效性。
结合上述内容的介绍，相关新型应用场景是由控制节点、多设备构成的系统。首先通过控制节点提前获得单个用户设备能够执行任务的情况，为单个用户设备预先设置好需要执行的任务，即待执行任务；其次，根据已知通信信道的分布，随机为待执行任务分配使用的信道；再次，根据已知计算服务资源时间分布，随机为待执行任务分配使用的计算服务资源；然后，单个用户设备使用分配的信道，将待执行任务发送给控制节点，紧接着，控制节点采用分配的计算服务资源，对待执行任务进行分析和处理，获取任务中所需的信息。这样通过这些固定设置的任务，只是简单完成任务的执行，并不能掌握系统的信息时效性，实现对系统的性能优化。并且，由于无线频谱资源受限，为了保证控制节点能够得到新鲜的周围环境的状态信息，即状态更新，本发明实施例提供的基于信息时效性的传输和计算联合调度方法中，上述步骤130的一种可能的实现方式是：在可用子信道、能量信息以及可用计算资源的约束下，最小化所有设备在控制中心处状态更新的信息年龄的加权和，为多设备确定最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，其中，备选执行任务的平均信息年龄为满足年龄新鲜条件的任务的年龄、与满足信息年龄老化条件的信息年龄之间的差值。这样考虑无线信道状态的可用子信道和在控制中心处与各设备相关的状态更新的信息年龄，最小化所有设备在控制中心处状态更新的信息年龄的加权和。
在本发明实施例中，基于信息时效性的传输和计算联合调度方法，考虑多设备的异构性，多设备电池水平的稳定性以及通信和计算资源的随机特性，在随机通信和计算资源受限以及设备端电池水平稳定的情况下，保证所有设备在控制中心处通过计算获取的状态更新的高时效性，从而优化系统性能。
为了方便理解，确定最小化所有设备在控制中心处状态更新的信息年龄的加权和，为多设备确定最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，需要进行如下说明：
首先，考虑能量收集设备的异构性、能量收集设备端的电池水平稳定性以及通信和计算资源的随机性和有限性，提出最小化所有设备在控制中心处状态更新的信息年龄的加权和的问题。其次，为了能够实现在线优化，利用虚拟队列模型和目标函数转化，将最小化问题转化为最大化与每个设备传输和计算决策相关的平均收益的加权和的问题，此问题为典型的长期随机优化问题。再次，利用随机梯度下降方法将长期随机优化问题转化为单时隙确定性优化问题，并且可以将确定性问题分为三个确定性子问题，即能量管理子问题、传输调度子问题以及计算调度子问题。最后，通过在线优化算法求解单时隙确定性问题，实现完成基于信息时效性的传输和计算联合调度方法。
以下详细说明各问题的解决过程：采用如下公式，确定最小化所有设备在控制中心处状态更新的信息年龄的加权和，即问题P1：
Figure BDA0002687393750000131
Figure BDA0002687393750000132
Figure BDA0002687393750000133
Figure BDA0002687393750000134
Figure BDA0002687393750000135
Figure BDA0002687393750000136
Figure BDA0002687393750000137
其中，
Figure BDA0002687393750000138
Asu(x(t))表示所有设备执行任务的信息年龄的加权和，
Figure BDA0002687393750000139
表示多设备中任意设备i公平性的系数，
Figure BDA00026873937500001310
表示任意，su表示状态更新(status updates，简称su)，
Figure BDA00026873937500001311
表示备选执行任务的平均信息年龄的加权和，
Figure BDA00026873937500001312
x(t)表示在当前时隙时所有设备的传输和计算调度以及能量管理决策，
Figure BDA00026873937500001313
表示多设备中任意设备i在当前时隙时任务传输决策，tra表示任务传输(transmission，简称tra)，
Figure BDA00026873937500001314
表示多设备中任意设备i在当前时隙时任务计算决策，com表示任务计算(computing，简称com)，i表示任意设备i的序号，j表示任意设备j的序号，j和i表示不同设备，ej(t)表示任意设备i的能量管理决策，
Figure BDA00026873937500001315
表示所有设备的集合，
Figure BDA00026873937500001316
表示具有能量存储单元的第一异构设备的集合，hus表示第一异构设备，
Figure BDA00026873937500001317
表示
Figure BDA00026873937500001318
时间内所有设备的任务传输、任务调度和能量管理决策，这个
Figure BDA00026873937500001319
来描述问题的，因为此问题是优化一段时间内的设备决策，所以问题要表示一段时间内的形式，t表示当前时隙t的序号，
Figure BDA0002687393750000141
表示时间集合，时间集合包括T个时隙，T是表示时间集合
Figure BDA0002687393750000142
中时隙数，
Figure BDA0002687393750000143
lim表示极限，
Figure BDA0002687393750000144
表示期望，M表示总设备数，αi表示任意设备i的公平性系数，
Figure BDA0002687393750000145
表示多设备中任意设备i在当前时隙开始时的状态更新的年龄，
Figure BDA0002687393750000146
表示指示函数，
Figure BDA0002687393750000147
表示当a等于1时，此指数函数等于1，当a不等于1时，此指数函数等于0，K(t)表示随时间变化的可用子信道数，Ei(t)表示多设备中任意设备i在当前时隙内能量消耗；
Figure BDA0002687393750000148
Pi(t)表示当信道状态hi(t)时，多设备中任意设备i在当前时隙内的传输功率，Di表示任意设备i的一个任务大小，包括Di个比特数，w表示处理一个比特所需要的计算资源，B表示任意设备i的一个任务所需的子信道带宽，τ表示一个时隙的长度，hi(t)为多设备的任意设备i与控制中心之间的信道状态，其是信道功率增益和接收噪声功率的比，
Figure BDA0002687393750000149
表示最优传输调度决策，
Figure BDA00026873937500001410
表示多设备的任意设备i在当前时隙时将一个任务传输到控制中心，
Figure BDA00026873937500001411
表示多设备的任意设备i在当前时隙时将一个任务没有传输到控制中心，
Figure BDA00026873937500001412
表示在当前时隙开始时到达第一异构设备的第二能量或者在当前时隙开始时到达第二异构设备的第三能量，
Figure BDA00026873937500001413
表示第二异构设备的集合，hu表示第二异构设备，ei(t)表示第一异构设备能够存储部分或者全部新收集到的能量，Bi(t)表示在当前时隙开始时第一异构设备的电池存有的第一能量，
Figure BDA00026873937500001414
表示任意设备i在当前时隙内的任务计算决策，F(t)表示随时间变化的可用计算资源。
在一种可能的实现方式中，采用如下公式，确定最优传输调度决策：
Figure BDA00026873937500001415
其中，
Figure BDA00026873937500001416
表示有足够能量用于任务传输的第二异构设备，
Figure BDA00026873937500001417
表示没有足够能量用于任务传输的第二异构设备，
Figure BDA0002687393750000151
表示最优传输调度决策，c表示所有第一异构设备和有足够能量用于任务传输的第二异构设备集合中第一个不分配子信道的设备，
Figure BDA0002687393750000152
argmin(.)表示最小化功能函数；按照ai(t)和bi(t)的值按从大到小的顺序排列，然后取前K(t)个设备，从而确定最优传输调度决策。ai(t)为第一异构设备的集合中任意设备i的收益，bi(t)为第二异构设备集合中任意设备j的收益，
Figure BDA0002687393750000153
和
Figure BDA0002687393750000154
在控制中心接收到任务，控制中心将利用计算资源执行任务来获取有效的状态更新。这里，考虑控制中心具有有限的计算资源(转数/s)。如果控制中心决定为多设备中任意设备i执行任务，那么将会分配它Diw计算资源。又因为存在其他并行的计算任务需要控制中心处理，所以对于这些设备可利用的计算资源是随着时间变化的，表示为F(t)。在一种可能的实现方式中，采用如下公式，确定最优计算资源调度决策：
Figure BDA0002687393750000155
其中，
Figure BDA0002687393750000156
表示最优计算资源调度决策，d表示所有设备中第一个不分配计算资源的设备，
Figure BDA0002687393750000157
这样每个设备的值
Figure BDA0002687393750000158
按照从大到小的顺序进行排序，然后将排在前面d个设备进行任务处理，这里每个设备αi的值不同。
在一种可能的实现方式中，采用如下公式，确定能量管理决策：
Figure BDA0002687393750000159
其中，ei(t)*表示能量管理决策，θi表示摄动参数。
为了直观地看出每次决策的收益，对目标函数
Figure BDA0002687393750000161
进行。本发明实施例中最小化所有设备在控制中心处状态更新的信息年龄的加权和，又因为平均信息年龄是和每个设备的传输和计算决策有关，因此这里给出每次决策的收益，从而将平均信息年龄的加权和对应的最小化问题转化为收益最大化问题。修订，详细求解过程进行如下说明
采用如下公式，将平均信息年龄的加权和对应的最小化问题转化为收益最大化问题，即问题P2：
Figure BDA0002687393750000162
s.t.公式1、公式2、公式3、公式6、公式7
其中，公式7为
Figure BDA0002687393750000163
虚拟电池队列需要在这个优化问题中，保持稳定，这个式子表示保持虚拟电池队列的稳定性约束条件。
其中，
Figure BDA0002687393750000164
Figure BDA0002687393750000165
表示在当前时隙内所有设备做决策获取的收益加权和x(t)表示在当前时隙内所有设备所做决策，即传输决策，计算决策以及能量管理决策αi表示多设备中任意设备i的公平性系数；
Figure BDA0002687393750000166
Figure BDA0002687393750000167
表示在当前时隙内多设备中任意设备任务的传输和计算联合调度决策的收益；
Figure BDA0002687393750000168
Figure BDA0002687393750000169
表示在当前时隙内多设备中任意设备任务的计算调度决策的收益，
Figure BDA00026873937500001610
表示多设备中任意设备在当前时隙开始时的计算决策，
Figure BDA00026873937500001611
表示多设备中任意设备在当前时隙开始时边缘服务器为多设备中任意设备执行一个任务，否则，
Figure BDA00026873937500001612
表示多设备中任意设备在当前时隙开始时边缘服务器没有为多设备中任意设备执行一个任务；
Figure BDA0002687393750000171
Figure BDA0002687393750000172
表示在当前时隙开始时在边缘服务器处与多设备中任意设备相关的状态更新的信息年龄；此状态更新可以是环境状态更新。当
Figure BDA0002687393750000173
时，t+1时隙的信息年龄
Figure BDA0002687393750000174
在t时隙的信息年龄
Figure BDA0002687393750000175
加1，当
Figure BDA0002687393750000176
时，t+1时隙的信息年龄
Figure BDA0002687393750000177
在t时刻的信息年龄
Figure BDA0002687393750000178
加1。比如，参见图2所示，当
Figure BDA0002687393750000179
说明在第2个时隙开始时边缘服务器没有为多设备中任意设备执行一个任务，不需要状态更新时，因此在第2个时隙的信息年龄
Figure BDA00026873937500001710
在第1个时隙的信息年龄
Figure BDA00026873937500001711
加1，呈线性增长，直至到第3个时隙开始时，
Figure BDA00026873937500001712
说明在第3个时隙开始时边缘服务器为多设备中任意设备执行一个任务，需要状态更新时，因此在第3个时隙的信息年龄
Figure BDA00026873937500001713
在t时隙的信息年龄
Figure BDA00026873937500001714
加1。
Figure BDA00026873937500001715
表示在当前时隙内多设备中任意设备任务的传输决策的收益，也就是通过如下
Figure BDA00026873937500001716
公式，利用
Figure BDA00026873937500001717
确定的在当前时隙内多设备中任意设备传输一个任务获取的收益，由于控制中心只处理来自于设备的当前可用的生成任务，所以控制中心处与多设备中任意设备i相关的通过计算获取的状态更新年龄取决于在控制中心处与多设备中任意设备i相关的任务更新的年龄，
Figure BDA00026873937500001718
表示在当前时隙开始时在边缘服务器处与多设备中任意设备相关的任务更新(task update，简称tu)的年龄，
Figure BDA00026873937500001719
表示多设备中任意设备i在当前时隙开始时的传输决策，
Figure BDA00026873937500001720
表示多设备中任意设备在当前时隙开始时将一个待传输任务传输到边缘服务器，
Figure BDA00026873937500001721
表示多设备中任意设备i在当前时隙开始时没有将一个待传输任务传输到边缘服务器，当
Figure BDA00026873937500001722
时，t+1时隙的年龄
Figure BDA00026873937500001723
变成1，当
Figure BDA00026873937500001724
时，t+1时隙的年龄
Figure BDA00026873937500001725
在t时隙的年龄
Figure BDA00026873937500001726
加1。
Figure BDA00026873937500001727
Figure BDA00026873937500001728
表示在当前时隙内多设备任务的传输调度决策的收益，
Figure BDA0002687393750000181
表示多设备中任意设备i在当前时隙t内的传输任务决策。这里，
Figure BDA0002687393750000182
和
Figure BDA0002687393750000183
具有相同的上界值，也就是当年龄(
Figure BDA0002687393750000184
和
Figure BDA0002687393750000185
)增加到数值Amax时，年龄将不再增加，Amax表示年龄上界的正整数，并且当两者相同时，计算决策的收益为0，此时不分配给用户计算资源，不为其设备计算任务。
Figure BDA0002687393750000186
其中，t表示当前时隙t，
Figure BDA0002687393750000187
表示在当前时隙t开始时第一异构设备的虚拟电池队列，Bi(t)表示在当前时隙t开始时第一异构设备的电池存有的第一能量，
Figure BDA0002687393750000188
Bi(t+1)表示在当前时隙t+1开始时第一异构设备的电池存有的第一能量，也就是使用Bi(t)更新了Bi(t+1)之后，得到新的Bi(t)，θi表示摄动参数，其保证当HUS设备需要传输数据时，HUS设备有足够的能量用于数据传输，
Figure BDA0002687393750000189
表示有第一异构设备的集合，i表示多设备中任意设备i；
Figure BDA00026873937500001810
其中，
Figure BDA00026873937500001811
表示在当前时隙t之后相邻的时隙t+1开始时第一异构设备的虚拟电池队列，Ei(t)表示第一异构设备的实时能量消耗，ei(t)表示第一异构设备能够存储部分或者全部新收集到的能量，这样通过此公式，将
Figure BDA00026873937500001812
作为
Figure BDA00026873937500001813
得到上述约束条件之一，即
Figure BDA00026873937500001814
实现长期电池能量水平稳定。
通过如下解决方式，解决上述问题P1及问题P2：
a)、通过随机梯度下降进行时间解耦：
根据排队论可得，系统稳定性约束条件可以表示为队列的平均输入速率不超过队列的平均输出速率。因此，上述公式7可以如下表示为：
Figure BDA00026873937500001815
其中，
Figure BDA00026873937500001816
表示队列输入和队列输出差的平均值，网络随机性包括F(t)，K(t)，hi(t)，
Figure BDA0002687393750000191
这些参数合并于w(t)，w(t)表示网络的随机参数。由于这些参数都是随时间独立变换，那么w(t)也是随时间独立变换。因此，上述公式
Figure BDA0002687393750000192
可以如下表示为：
Figure BDA0002687393750000193
其中，
Figure BDA0002687393750000194
表示期望。同时，通过用期望值代替平均时间目标，问题P2可以转化为：
问题P3：
Figure BDA0002687393750000195
s.t.公式1、公式2、公式3、公式6及公式8
其中，
Figure BDA0002687393750000196
表示所有设备收益的平均值，*表示最优值，
Figure BDA0002687393750000197
表示所有设备在一段时间
Figure BDA0002687393750000198
内的决策，x(t)表示当前时隙t内所有设备的决策。
根据随机梯度下降，可以得到问题P3的拉格朗日式子表示为：
Figure BDA0002687393750000199
其中，λ(t)表示当前时隙t时拉格朗日乘子Φ表示拉格朗日函数，λ(t)表示当前时隙t时拉格朗日乘子；
这里，瞬时拉格朗日乘子式子Φ(x(t),λ(t))表示为：
Figure BDA00026873937500001910
和
Figure BDA00026873937500001911
其中，Φ(x(t),λ(t))表示拉格朗日乘子函数，
Figure BDA00026873937500001912
表示时隙t内所有设备的收益，
Figure BDA00026873937500001913
表示与公式8相关的拉格朗日乘子，
Figure BDA00026873937500001914
表示虚拟队列。
问题P3的对偶问题表示为
Figure BDA00026873937500001915
这里，D(λ(t))表示为：
Figure BDA00026873937500001916
s.t.公式1、公式2、公式3、公式6
其中，D(λ(t))表示对偶函数，另外，最佳的主决策x*(t)可以表示为：
问题P4：
Figure BDA0002687393750000201
s.t.公式1、公式2、公式3、公式6
利用随机梯度下降，拉格朗日乘子被更新为：
Figure BDA0002687393750000202
其中，
Figure BDA0002687393750000203
表示在当前时隙t+1时对应于多设备中任意设备i的拉格朗日乘子，
Figure BDA0002687393750000204
表示当前时隙t时隙时对应于多设备中任意设备i的拉格朗日乘子ε表示随机梯度下降的步长。
比较上述
Figure BDA0002687393750000205
和上述
Figure BDA0002687393750000206
可得，
Figure BDA0002687393750000207
因此，问题P4可以转化为：
问题P5：
Figure BDA0002687393750000208
s.t.公式1、公式2、公式3、公式6
其中，
Figure BDA0002687393750000209
Figure BDA00026873937500002010
h(e(t))表示与能量管理决策相关的目标函数，θi表示摄动参数，ei(t)表示第一异构设备的集合中任意设备i的能量管理决策q(ucom(t))表示与任务计算决策相关的目标函数，ucom(t)表示所有设备在时隙t内任务计算决策，e(t)表示第一异构设备在当前时隙t内的能量管理决策
Figure BDA00026873937500002011
表示第一异构设备的集合中任意设备i在当前时隙t内任务计算决策，αi表示第一异构设备的集合中任意设备i的公平性系数g(utra(t))表示与任务传输决策相关的目标函数，
Figure BDA00026873937500002012
表示第一异构设备的集合中任意设备i在当前时隙t内的任务传输决策。
b)、在线优化算法：
由于e(t)、utra(t)和ucom(t)可以在目标函数和限制条件上相互分离，问题P5可以分离成三个子问题，即能量管理子问题、传输调度子问题以及计算调度子问题。这三个子问题分别被解决来最大化与所有设备相关的平均收益加权和。
能量管理子问题：该问题被表示为：
Figure BDA0002687393750000211
s.t.公式3
从而得到每个第一异构设备的最优能量管理决策为：
Figure BDA0002687393750000212
传输调度子问题：该问题可以表示为：
Figure BDA0002687393750000213
s.t.公式1、公式2
其中，
Figure BDA0002687393750000214
和
Figure BDA0002687393750000215
传输调度问题实际上是一个背包问题。对于背包问题，可以通过选择收益更高的“选项”以填补背包容量来获得最佳解决方案。定义第一异构设备的集合中任意设备i的收益是ai(t)，以及第二异构设备集合中任意设备j的收益是bi(t)。然后将所有第一异构设备和满足公式2的第二异构设备按照它们的收益以降序进行排序。因此，在一种可能的实现方式中，本发明实施例可以得到第一个不分配子信道的设备，其序号c表示为：
Figure BDA0002687393750000216
这样按照ai(t)和bi(t)的值按从大到小的顺序排列，然后取前K(t)个设备，从而所有能量收集设备的传输调度最优决策可以表示为：
Figure BDA0002687393750000221
其中，
Figure BDA0002687393750000222
表示有足够能量用于任务传输的第二异构设备，
Figure BDA0002687393750000223
表示没有足够能量用于任务传输的第二异构设备。
计算调度子问题：该问题可以表示为：
Figure BDA0002687393750000224
s.t.公式6
计算调度子问题也是一个背包问题，这里可以得到第一个没有分配计算资源的设备，其序号d可以表示为：
Figure BDA0002687393750000225
这样每个设备的值
Figure BDA0002687393750000226
按照从大到小的顺序进行排序，然后将排在前面d个设备进行任务处理，这里对于每个设备αi的值不同，因此，所有能量收集设备的最优计算调度决策可以表示为：
Figure BDA0002687393750000227
目前为止，三个子问题已经完成求解，高效地保证了在控制中心处与所有多设备的状态更新的高时效性。
为了能够在完成调度之后，处理和执行任务，本发明实施例还包括：在步骤140之后，方法还包括：将待传输任务分配给当前设备，由当前设备根据当前设备的待传输任务，生成携带有待传输任务的原始数据，原始数据还携带有在当前设备上的生成时间；接收由当前设备采用最优传输调度决策分配的可用子信道，传输原始数据；在当前时隙，采用最优计算资源调度决策分配给当前设备的当前可用计算资源，对待传输任务的原始数据进行分析，执行当前设备的待传输任务，得到当前设备的待传输任务的执行结果。此步骤进一步包括：在当前时隙，采用最优计算资源调度决策分配给当前设备的当前可用计算资源，确定任务的年龄以及信息年龄；执行当前设备的待传输任务，得到当前设备的待传输任务的执行结果；若任务的年龄满足年龄新鲜条件时，更新满足信息年龄老化条件的信息年龄。这样可以完成任务的执行与处理。
下面继续对本发明实施例提供的一种基于信息时效性的多设备任务传输和计算联合调度装置进行介绍。
参见图3，图3为本发明实施例提供的一种基于信息时效性的多设备任务传输和计算联合调度装置的结构示意图。本发明实施例所提供的一种基于信息时效性的多设备任务传输和计算联合调度装置，应用于控制中心，可以包括如下模块：
第一接收模块21，用于接收由多设备反馈的能量信息，能量信息包括：在当前时隙开始时多设备的能量信息；
第一处理模块22，用于确定当前时隙各设备的可用子信道及可用计算资源，可用子信道及可用计算资源分别是随时间变化的；
第二处理模块23，用于在可用子信道、能量信息以及可用计算资源的约束下，为多设备确定最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策；其中，最优传输调度决策用于决策传输任务的当前设备，最优计算资源调度决策用于决策当前设备执行任务的待用计算资源；
联合调度模块24，用于根据最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，联合调度多设备传输的任务和计算资源，为多设备确定待传输任务和待用计算资源；
其中，当前设备是根据在当前时隙开始时的能量信息以及已接收到多设备任务得出的信息年龄，确定信息年龄满足信息时效条件且能量信息满足传输任务的能量条件的设备，作为备选设备；从备选设备中，确定的不超过当前可用子信道数的设备；
待用计算资源是根据信息年龄以及多设备传输任务的年龄，在任务的年龄满足年龄新鲜条件时，更新满足信息年龄老化条件的信息年龄，作为备选执行任务；确定所有备选执行任务所需的所有可用计算资源不超过当前可用计算资源量，则将各备选执行任务所需的所有可用计算资源，作为各当前设备的待用计算资源。
在一种可能的实现方式中，多设备包括：第一异构设备及第二异构设备，第一接收模块，用于：
接收由第一异构设备反馈的第一能量信息，以及由第二异构设备反馈的第二能量信息，其中，第一能量信息为在当前时隙开始时第一异构设备的电池存有的第一能量及在当前时隙开始时到达第一异构设备的第二能量；第二能量信息为在当前时隙开始时到达第二异构设备的第三能量；
在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：第三处理模块，用于根据第一能量和第二能量，执行用于管理第一异构设备中能量的能量管理决策，能量管理决策包括：在第一异构设备的第一能量不足以支持待传输任务，则由第一异构设备收集能量，或者，在第一异构设备的第一能量足以支持待传输任务，则使用第一异构设备的第一能量；
第二处理模块，用于：
在能量管理决策下，根据最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，联合调度多设备传输的任务和计算资源，为多设备确定待传输任务和待用计算资源。
在一种可能的实现方式中，第二处理模块，用于：
在可用子信道、能量信息以及可用计算资源的约束下，最小化所有设备在控制中心处状态更新的信息年龄的加权和，为多设备确定最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，其中，备选执行任务的平均信息年龄为满足年龄新鲜条件的任务的年龄、与满足信息年龄老化条件的信息年龄之间的差值。
在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：第四处理模块，用于采用如下公式，确定最小化所有设备在控制中心处状态更新的信息年龄的加权和：
Figure BDA0002687393750000241
Figure BDA0002687393750000242
Figure BDA0002687393750000243
Figure BDA0002687393750000244
Figure BDA0002687393750000245
Figure BDA0002687393750000246
Figure BDA0002687393750000247
在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：第五处理模块，用于采用如下公式，确定最优传输调度决策：
Figure BDA0002687393750000251
所述装置还包括：第六处理模块，用于采用如下公式，确定最优计算资源调度决策：
Figure BDA0002687393750000252
其中，
Figure BDA0002687393750000253
表示最优计算资源调度决策，d表示所有设备中第一个不分配计算资源的设备，
Figure BDA0002687393750000254
在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：能量管理决策模块，用于采用如下公式，确定能量管理决策：
Figure BDA0002687393750000255
所述装置还包括：
生成模块，用于将待传输任务分配给当前设备，由当前设备根据当前设备的待传输任务，生成携带有待传输任务的原始数据，原始数据还携带有在当前设备上的生成时间；
第二接收模块，用于接收由当前设备采用最优传输调度决策分配的可用子信道，传输原始数据；
第七处理模块，用于在当前时隙，采用最优计算资源调度决策分配给当前设备的当前可用计算资源，对待传输任务的原始数据进行分析，执行当前设备的待传输任务，得到当前设备的待传输任务的执行结果。
在一种可能的实现方式中，第七处理模块，用于：
在当前时隙，采用最优计算资源调度决策分配给当前设备的当前可用计算资源，确定任务的年龄以及信息年龄；
执行当前设备的待传输任务，得到当前设备的待传输任务的执行结果；
若任务的年龄满足年龄新鲜条件时，更新满足信息年龄老化条件的信息年龄。
下面继续对本发明实施例提供的一种基于信息时效性的多设备任务传输和计算联合调度系统进行介绍。
参见图4，图4为本发明实施例提供的一种基于信息时效性的多设备任务传输和计算联合调度系统的结构示意图。本发明实施例所提供的一种基于信息时效性的多设备任务传输和计算联合调度系统，可以包括如下内容：
多设备31，用于获得能量信息，将能量信息反馈给边缘服务器32，能量信息包括：在当前时隙开始时多设备的能量信息；
边缘服务器32，用于实现如上述的基于信息时效性的传输和计算联合调度方法。
在一种可能的实现方式中，多设备包括：第一异构设备及第二异构设备；
第一异构设备311，用于获取在当前时隙开始时第一异构设备的电池存有的第一能量及在当前时隙开始时到达第一异构设备的第二能量；
第二异构设备312，用于获取在当前时隙开始时到达第二异构设备的第三能量；
边缘服务器，具体用于根据第一能量和第二能量，执行用于管理第一异构设备中能量的能量管理决策，能量管理决策包括：在第一异构设备的第一能量不足以支持待传输任务，则由第一异构设备收集能量，或者，在第一异构设备的第一能量足以支持待传输任务，则使用第一异构设备的第一能量；
第一异构设备，还用于能量管理决策，执行第一异构设备能量。
在边缘服务器处对应每个设备都有一个任务缓存区，存放已经传输过来但是没有被处理的任务。由于边缘服务器将不会从处理过时的任务中受益，所以对应于每个设备的任务缓存区中存在一个任务等待着处理，而新传输过来的任务将会替代等着处理的任务。
下面继续对本发明实施例提供的边缘服务器进行介绍。
参见图5，图5为本发明实施例提供的边缘服务器的结构示意图。本发明实施例还提供了一种边缘服务器，包括处理器41、通信接口42、存储器43和通信总线44，其中，处理器41，通信接口42，存储器43通过通信总线44完成相互间的通信，
存储器43，用于存放计算机程序；
处理器41，用于执行存储器43上所存放的程序时，实现上述基于信息时效性的多设备任务传输和计算联合调度方法的步骤，在本发明一个可能的实现方式中，可以实现如下步骤：
接收由多设备反馈的能量信息，能量信息包括：在当前时隙开始时多设备的能量信息；
确定当前时隙各设备的可用子信道及可用计算资源，可用子信道及可用计算资源分别是随时间变化的；
在可用子信道、能量信息以及可用计算资源的约束下，为多设备确定最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策；其中，最优传输调度决策用于决策传输任务的当前设备，最优计算资源调度决策用于决策当前设备执行任务的待用计算资源；
根据最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，联合调度多设备传输的任务和计算资源，为多设备确定待传输任务和待用计算资源；
其中，当前设备是根据在当前时隙开始时的能量信息以及已接收到多设备任务得出的信息年龄，确定信息年龄满足信息时效条件且能量信息满足传输任务的能量条件的设备，作为备选设备；从备选设备中，确定的不超过当前可用子信道数的设备；
待用计算资源是根据信息年龄以及多设备传输任务的年龄，在任务的年龄满足年龄新鲜条件时，更新满足信息年龄老化条件的信息年龄，作为备选执行任务；确定所有备选执行任务所需的所有可用计算资源不超过当前可用计算资源量，则将各备选执行任务所需的所有可用计算资源，作为各当前设备的待用计算资源。
上述边缘服务器提到的通信总线可以是PCI(Peripheral ComponentInterconnect，外设部件互连标准)总线或EISA(Extended Industry StandardArchitecture，扩展工业标准结构)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
通信接口用于上述边缘服务器与其他设备之间的通信。
存储器可以包括RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)，也可以包括NVM(Non-Volatile Memory，非易失性存储器)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
上述的处理器可以是通用处理器，包括CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、NP(Network Processor，网络处理器)等；还可以是DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理器)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)、FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储介质内存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的基于信息时效性的多设备任务传输和计算联合调度方法的步骤。
本发明实施例提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述的基于信息时效性的多设备任务传输和计算联合调度方法的步骤。
本发明实施例提供了一种计算机程序，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述的基于信息时效性的多设备任务传输和计算联合调度方法的步骤。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置/系统/边缘服务器/存储介质/包含指令的计算机程序产品/计算机程序实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于信息时效性的传输和计算联合调度方法，其特征在于，应用于控制中心，所述方法包括：
接收由多设备反馈的能量信息，所述能量信息包括：在当前时隙开始时多设备的能量信息；
确定所述当前时隙各设备的可用子信道及可用计算资源，所述可用子信道及可用计算资源分别是随时间变化的；
在所述可用子信道、所述能量信息以及所述可用计算资源的约束下，为多设备确定最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策；其中，所述最优传输调度决策用于决策传输任务的当前设备，所述最优计算资源调度决策用于决策所述当前设备执行任务的待用计算资源；
根据所述最优传输调度决策以及所述最优计算资源调度决策，联合调度多设备传输的任务和计算资源，为多设备确定待传输任务和待用计算资源；
其中，所述当前设备是根据在当前时隙开始时的所述能量信息以及已接收到多设备任务得出的信息年龄，确定所述信息年龄满足信息时效条件且能量信息满足传输任务的能量条件的设备，作为备选设备；从所述备选设备中，确定不超过当前可用子信道数的设备；
所述待用计算资源是根据所述信息年龄以及多设备传输任务的年龄，在任务的年龄满足年龄新鲜条件时，更新满足信息年龄老化条件的信息年龄，作为备选执行任务；确定所有备选执行任务所需的所有可用计算资源不超过当前可用计算资源量，则将各备选执行任务所需的所有可用计算资源，作为各当前设备的待用计算资源；
所述在所述可用子信道、所述能量信息以及所述可用计算资源的约束下，为多设备确定最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，包括：
在所述可用子信道、所述能量信息以及所述可用计算资源的约束下，最小化所有设备在所述控制中心处状态更新的信息年龄的加权和，为多设备确定最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，其中，所述备选执行任务的平均信息年龄为满足年龄新鲜条件的任务的年龄、与满足信息年龄老化条件的信息年龄之间的差值；
采用如下公式，确定最优传输调度决策：
Figure FDA0003840016490000021
其中，
Figure FDA0003840016490000022
表示具有能量存储单元的第一异构设备的集合，hus表示第一异构设备，
Figure FDA0003840016490000023
表示有足够能量用于任务传输的第二异构设备，
Figure FDA0003840016490000024
表示没有足够能量用于任务传输的第二异构设备，
Figure FDA0003840016490000025
表示最优传输调度决策，c表示所有第一异构设备和有足够能量用于任务传输的第二异构设备集合中第一个不分配子信道的设备，
Figure FDA0003840016490000026
argmin(.)表示最小化功能函数，i表示任意设备i的序号，j表示任意设备j的序号，j和i表示不同设备，
Figure FDA0003840016490000027
表示所有设备的集合，K(t)表示随时间变化的可用子信道数，Di表示任意设备i的一个任务大小，包括Di个比特数，w表示处理一个比特所需要的计算资源，F(t)表示随时间变化的可用计算资源；
采用如下公式，确定最优计算资源调度决策：
Figure FDA0003840016490000028
其中，
Figure FDA0003840016490000029
表示最优计算资源调度决策，d表示所有设备中第一个不分配计算资源的设备，
Figure FDA00038400164900000210
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多设备包括：第一异构设备及第二异构设备，所述接收由多设备反馈的能量信息包括：
接收由第一异构设备反馈的第一能量信息，以及由第二异构设备反馈的第二能量信息，其中，所述第一能量信息为在当前时隙开始时所述第一异构设备的电池存有的第一能量及在所述当前时隙开始时到达所述第一异构设备的第二能量；所述第二能量信息为在所述当前时隙开始时到达所述第二异构设备的第三能量；
所述根据所述最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，联合调度多设备传输的任务和计算资源，为多设备确定待传输任务和待用计算资源之前，所述方法还包括：
根据第一能量和第二能量，执行用于管理所述第一异构设备中能量的能量管理决策，所述能量管理决策包括：在所述第一异构设备的第一能量不足以支持待传输任务，则由所述第一异构设备收集能量，或者，在所述第一异构设备的第一能量足以支持待传输任务，则使用所述第一异构设备的第一能量；
所述根据所述最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，联合调度多设备传输的任务和计算资源，为多设备确定待传输任务和待用计算资源，包括：
在所述能量管理决策下，根据所述最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，联合调度多设备传输的任务和计算资源，为多设备确定待传输任务和待用计算资源。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，采用如下公式，确定最小化所有设备在所述控制中心处状态更新的信息年龄的加权和：
Figure FDA0003840016490000031
Figure FDA0003840016490000032
Figure FDA0003840016490000033
Figure FDA0003840016490000034
Figure FDA0003840016490000035
Figure FDA0003840016490000036
Figure FDA0003840016490000037
其中，
Figure FDA0003840016490000041
Asu(x(t))表示所有设备执行任务的信息年龄的加权和，
Figure FDA0003840016490000042
表示任意，su表示状态更新，
Figure FDA0003840016490000043
表示所述备选执行任务的平均信息年龄的加权和，
Figure FDA0003840016490000044
x(t)表示在当前时隙时所有设备的传输和计算调度以及能量管理决策，
Figure FDA0003840016490000045
表示多设备中任意设备i在当前时隙时任务传输决策，tra表示任务传输，
Figure FDA0003840016490000046
表示多设备中任意设备i在当前时隙时任务计算决策，com表示任务计算，i表示任意设备i的序号，j表示任意设备j的序号，j和i表示不同设备，ej(t)表示任意设备j的能量管理决策，
Figure FDA00038400164900000415
表示所有设备的集合，
Figure FDA0003840016490000047
表示
Figure FDA00038400164900000416
时间内所有设备的任务传输、任务调度和能量管理决策，t表示当前时隙t的序号，
Figure FDA0003840016490000048
表示时间集合，所述时间集合包括T个时隙，T是表示时间集合
Figure FDA00038400164900000417
中时隙数，
Figure FDA0003840016490000049
lim表示极限，
Figure FDA00038400164900000410
表示期望，M表示总设备数，αi表示任意设备i的公平性系数，
Figure FDA00038400164900000411
表示多设备中任意设备i在当前时隙开始时的状态更新的年龄，
Figure FDA00038400164900000418
表示指示函数，K(t)表示随时间变化的可用子信道数，Ei(t)表示多设备中任意设备i在当前时隙内能量消耗，
Figure FDA00038400164900000412
表示在所述当前时隙开始时到达所述第一异构设备的第二能量或者在所述当前时隙开始时到达所述第二异构设备的第三能量，
Figure FDA00038400164900000413
表示第二异构设备的集合，hu表示第二异构设备，ei(t)表示第一异构设备能够存储部分或者全部新收集到的能量，Bi(t)表示在当前时隙开始时所述第一异构设备的电池存有的第一能量，
Figure FDA00038400164900000414
表示任意设备i在当前时隙内的任务计算决策，Di表示任意设备i的一个任务大小，包括Di个比特数，w表示处理一个比特所需要的计算资源，F(t)表示随时间变化的可用计算资源。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，采用如下公式，确定能量管理决策：
Figure FDA0003840016490000051
其中，ei(t)*表示能量管理决策，θi表示摄动参数，
Figure FDA0003840016490000052
表示在所述当前时隙开始时到达所述第一异构设备的第二能量或者在所述当前时隙开始时到达所述第二异构设备的第三能量，Bi(t)表示在当前时隙开始时所述第一异构设备的电池存有的第一能量。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据所述最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，联合调度多设备传输的任务和计算资源，为多设备确定待传输任务和待用计算资源之后，所述方法还包括：
将所述待传输任务分配给当前设备，由当前设备根据当前设备的待传输任务，生成携带有待传输任务的原始数据，所述原始数据还携带有在当前设备上的生成时间；
接收由当前设备采用所述最优传输调度决策分配的可用子信道，传输所述原始数据；
在当前时隙，采用所述最优计算资源调度决策分配给当前设备的当前可用计算资源，对所述待传输任务的原始数据进行分析，执行当前设备的待传输任务，得到当前设备的待传输任务的执行结果。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在当前时隙，采用所述最优计算资源调度决策分配给当前设备的当前可用计算资源，对所述待传输任务的原始数据进行分析，执行当前设备的待传输任务，得到当前设备的待传输任务的执行结果，包括：
在当前时隙，采用所述最优计算资源调度决策分配给当前设备的当前可用计算资源，确定所述任务的年龄以及信息年龄；
执行所述当前设备的待传输任务，得到当前设备的待传输任务的执行结果；
若任务的年龄满足年龄新鲜条件时，更新满足信息年龄老化条件的信息年龄。
7.一种基于信息时效性的多设备任务传输和计算联合调度装置，其特征在于，应用于控制中心，所述装置包括：
第一接收模块，用于接收由多设备反馈的能量信息，所述能量信息包括：在当前时隙开始时多设备的能量信息；
第一处理模块，用于确定所述当前时隙各设备的可用子信道及可用计算资源，所述可用子信道及可用计算资源分别是随时间变化的；
第二处理模块，用于在所述可用子信道、所述能量信息以及所述可用计算资源的约束下，为多设备确定最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策；其中，所述最优传输调度决策用于决策传输任务的当前设备，所述最优计算资源调度决策用于决策所述当前设备执行任务的待用计算资源；
所述在所述可用子信道、所述能量信息以及所述可用计算资源的约束下，为多设备确定最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，包括：在所述可用子信道、所述能量信息以及所述可用计算资源的约束下，最小化所有设备在所述控制中心处状态更新的信息年龄的加权和，为多设备确定最优传输调度决策以及最优计算资源调度决策，其中，备选执行任务的平均信息年龄为满足年龄新鲜条件的任务的年龄、与满足信息年龄老化条件的信息年龄之间的差值；
联合调度模块，用于根据所述最优传输调度决策以及所述最优计算资源调度决策，联合调度多设备传输的任务和计算资源，为多设备确定待传输任务和待用计算资源；
其中，所述当前设备是根据在当前时隙开始时的所述能量信息以及已接收到多设备任务得出的信息年龄，确定所述信息年龄满足信息时效条件且能量信息满足传输任务的能量条件的设备，作为备选设备；从所述备选设备中，确定不超过当前可用子信道数的设备；
所述待用计算资源是根据所述信息年龄以及多设备传输任务的年龄，在任务的年龄满足年龄新鲜条件时，更新满足信息年龄老化条件的信息年龄，作为备选执行任务；确定所有备选执行任务所需的所有可用计算资源不超过当前可用计算资源量，则将各备选执行任务所需的所有可用计算资源，作为各当前设备的待用计算资源；
采用如下公式，确定最优传输调度决策：
Figure FDA0003840016490000071
其中，
Figure FDA0003840016490000072
表示具有能量存储单元的第一异构设备的集合，hus表示第一异构设备，
Figure FDA0003840016490000073
表示有足够能量用于任务传输的第二异构设备，
Figure FDA0003840016490000074
表示没有足够能量用于任务传输的第二异构设备，
Figure FDA0003840016490000075
表示最优传输调度决策，c表示所有第一异构设备和有足够能量用于任务传输的第二异构设备集合中第一个不分配子信道的设备，
Figure FDA0003840016490000076
argmin(.)表示最小化功能函数，i表示任意设备i的序号，j表示任意设备j的序号，j和i表示不同设备，
Figure FDA0003840016490000077
表示所有设备的集合，K(t)表示随时间变化的可用子信道数，Di表示任意设备i的一个任务大小，包括Di个比特数，w表示处理一个比特所需要的计算资源，F(t)表示随时间变化的可用计算资源；
采用如下公式，确定最优计算资源调度决策：
Figure FDA0003840016490000078
其中，
Figure FDA0003840016490000079
表示最优计算资源调度决策，d表示所有设备中第一个不分配计算资源的设备，
Figure FDA00038400164900000710
8.一种基于信息时效性的多设备任务传输和计算联合调度系统，其特征在于，所述系统包括：
多设备，用于获得能量信息，将所述能量信息反馈给控制中心，所述能量信息包括：在当前时隙开始时多设备的能量信息；
所述控制中心，用于实现如权利要求1至6任一项所述的基于信息时效性的传输和计算联合调度方法。
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