CN114269009B - 基于无人机无线能量传输的边缘计算系统能耗优化方法 - Google Patents
基于无人机无线能量传输的边缘计算系统能耗优化方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114269009B CN114269009B CN202111612204.7A CN202111612204A CN114269009B CN 114269009 B CN114269009 B CN 114269009B CN 202111612204 A CN202111612204 A CN 202111612204A CN 114269009 B CN114269009 B CN 114269009B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- aerial vehicle
- unmanned aerial
- user
- energy
- energy consumption
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title claims abstract description 24
- 238000005457 optimization Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 27
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 claims description 4
- 238000013468 resource allocation Methods 0.000 claims description 4
- 238000011480 coordinate descent method Methods 0.000 claims description 3
- 230000006854 communication Effects 0.000 abstract description 5
- HOWHQWFXSLOJEF-MGZLOUMQSA-N systemin Chemical compound NCCCC[C@H](N)C(=O)N[C@@H](CCSC)C(=O)N[C@@H](CCC(N)=O)C(=O)N[C@@H]([C@@H](C)O)C(=O)N[C@@H](CC(O)=O)C(=O)OC(=O)[C@@H]1CCCN1C(=O)[C@H]1N(C(=O)[C@H](CC(O)=O)NC(=O)[C@H](CCCN=C(N)N)NC(=O)[C@H](CCCCN)NC(=O)[C@H](CO)NC(=O)[C@H]2N(CCC2)C(=O)[C@H]2N(CCC2)C(=O)[C@H](CCCCN)NC(=O)[C@H](CO)NC(=O)[C@H](CCC(N)=O)NC(=O)[C@@H](NC(=O)[C@H](C)N)C(C)C)CCC1 HOWHQWFXSLOJEF-MGZLOUMQSA-N 0.000 abstract 1
- 108010050014 systemin Proteins 0.000 abstract 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
- Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
- Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks
Landscapes
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
Abstract
一种基于无人机无线能量传输的边缘计算系统能耗优化方法，无人机移动边缘计算系统由一架搭载移动边缘计算服务器的无人机UAV和L个地面用户Ui组成，通信过程分为两个子时隙，第一时隙，无人机UAV对L个地面用户发射能量信号，计算用户Ui收到的能量第二时隙，L个用户执行二元卸载策略，决定任务在本地计算或全部卸载到无人机UAV进行计算，计算用户Ui本地计算的能耗卸载计算的能耗和系统的总能耗在该方法中，无人机通过无线能量传输方式给地面用户发射能量信号，用户使用二元卸载策略，决定其任务在本地计算，或利用收集到的能量将任务全部卸载到无人机上进行计算，本发明能够有效降低无人机无线能量传输和边缘计算系统的总能耗。
Description
技术领域
本发明属于无线通信领域中的移动边缘计算领域，特别是一种无人机无线能量传输辅助的移动边缘计算方法。
背景技术
移动边缘计算通过将具有计算、存储以及通信功能的服务平台安置在网络边缘，帮助移动终端用户把计算密集和时延敏感型任务卸载到边缘节点进行快速处理，缓解网络拥塞压力，提升计算效率，被广泛应用于各种场景。无线能量传输技术通过收集射频信号的能量，能够为低功耗移动设备提供可持续和经济的能源供应。基于无人机无线能量传输的移动边缘计算系统不仅能够为地面节点进行快速的边缘计算，还可以给地面节点提供可持续的能量补给，有效提高系统的能量和计算效率。
现有基于无人机无线能量传输的边缘计算系统只对系统的计算速率进行了优化，没有考虑系统的能耗问题。
发明内容
为了克服现有技术的能耗较高、能量和计算效率较低的不足，为了改善现有基于无人机无线能量传输的边缘计算系统能耗，本发明提供一种基于无人机无线能量传输和边缘计算的系统能耗优化方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于无人机无线能量传输的边缘计算系统能耗优化方法，无人机移动边缘计算系统由一架搭载移动边缘计算服务器的无人机UAV和L个地面用户Ui组成，通信过程分为两个子时隙，所述基于无人机无线能量传输的边缘计算系统能耗优化方法包括以下步骤：
1)第一时隙，无人机UAV对L个地面用户发射能量信号，计算用户Ui收到的能量
2)第二时隙，L个用户执行二元卸载策略，决定任务在本地计算或全部卸载到无人机UAV进行计算，计算用户Ui本地计算的能耗卸载计算的能耗/>和系统的总能耗/>
无人机和用户之间的卸载决策优化和资源分配问题建模为：
满足以下条件
τ∈[0，T] (5)
其中，τ表示能量收集时间，pi表示Ui在数据卸载时的发射功率，αi∈{0,1}表示卸载决策，当αi＝1时，表示用户将数据卸载到无人机进行计算，当αi＝0时，表示用户进行本地计算，L表示用户数量，B表示Ui与UAV之间的信道带宽，Ci表示Ui在一个时隙中需要处理的计算任务的数据量，T表示一个时隙的长度，fi max表示Ui的最大CPU频率，bi表示用户Ui的电池电量，Ri表示用户Ui到无人机的传输速率，表示为：
其中σ2表示高斯白噪声功率，hi表示用户Ui与无人机之间的信道增益，表示为:
其中gi表示单位距离d＝1m时的信道功率增益，η表示路径损耗因子，H表示无人机飞行高度，xu和xi分别表示无人机与用户在x轴上的坐标，yu和yi分别表示无人机与用户在y轴上的坐标；
通过块坐标下降法，将上述问题转化为两个子问题，首先在给定初始卸载策略的情况下优化能量收集时间和用户发射功率，然后优化卸载策略，通过交替优化获得问题的最优解。
进一步，所述步骤1)中，用户Ui收集到的能量为：
其中νi表示能量转换效率，P表示无人机发射功率。
更进一步，所述步骤2)中，用户Ui本地计算的能耗卸载计算的能耗/>和系统的总能耗/>分别表示为：
其中ξi表示Ui的有效电容系数，K表示处理1bit计算任务需要的CPU转数；
本发明的技术构思为：现有基于无人机无线能量传输的边缘计算系统仅对系统的计算速率进行了优化，没有考虑系统的能耗问题，本申请方法提供一种能够有降低系统能耗的基于无人机无线能量传输和边缘计算的系统能耗优化方法，通过优化能量收集时间、用户发射功率以及卸载决策，能够有效降低系统的能耗。
本发明的有益效果主要表现在：解决现有的基于无人机无线能量传输的边缘计算系统没有考虑系统的能耗问题。通过优化能量收集时间、用户发射功率以及卸载决策来减少系统的能耗。
附图说明
图1是基于无人机无线能量传输的边缘计算系统能耗优化方法的系统模型示意图；
图2是本发明在不同的计算任务数据量下能量收集时间随着用户数量的变化图；
图3是本发明在不同用户数量下系统总能耗随着计算任务数据量的变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种基于无人机无线能量传输和边缘计算的系统能耗优化方法，是基于现有的无线通信系统实现的，所述无人机无线能量传输和边缘计算系统由一架搭载移动边缘计算服务器的无人机UAV和L个地面用户Ui组成；
本实施方式的方法中，第一时隙，无人机UAV对L个地面用户发射能量信号，计算用户Ui收到的能量第二时隙，L个用户执行二元卸载策略，决定任务在本地计算或全部卸载到无人机UAV进行计算，计算用户Ui本地计算的能耗/>卸载计算的能耗/>和系统的总能耗/>
本实施例中，本地计算的能耗、卸载计算的能耗、能量收集的能量和系统总能耗分别为：
其中，ξi表示Ui的有效电容系数，Ci表示Ui在一个时隙中需要处理的计算任务的数据量，K表示处理1bit计算任务需要的CPU转数，L表示用户数量，T表示一个时隙的长度，τ表示能量收集时间，pi表示Ui在数据卸载时的发射功率，νi表示能量转换效率，P表示无人机发射功率，αi∈{0,1}表示卸载决策，当αi＝1时，表示用户将数据卸载到无人机进行计算，当αi＝0时，表示用户进行本地计算，hi表示用户Ui与无人机之间的信道增益，表示为：
其中gi表示单位距离d＝1m时的信道功率增益，η表示路径损耗因子，H表示无人机悬停高度，xu和xi分别表示无人机与用户在x轴上的坐标，yu和yi分别表示无人机与用户在y轴上的坐标。
本实施例中，卸载决策优化和资源分配方法具体为：
无人机和L个用户之间的卸载决策优化和资源分配问题建模为：
满足以下条件
τ∈[0，T] (5)
其中，B表示Ui与UAV之间的信道带宽，Ci表示Ui在一个时隙中需要处理的计算任务的数据量，fi max表示Ui的最大CPU频率，bi表示用户Ui的电池电量，Ri表示用户Ui到无人机的传输速率，表示为:
其中σ2表示高斯白噪声功率。
通过块坐标下降法，将上述问题转化为两个子问题，首先在给定初始卸载策略的情况下优化能量收集时间和用户发射功率，然后优化卸载策略，通过交替优化获得问题的最优解。
本实施例的基于无人机无线能量传输和边缘计算的系统能耗优化方法，解决现有基于无人机无线能量传输和边缘计算的系统中能耗过高问题，通过优化卸载决策以及分配资源来降低系统的总能耗。
在本实施例中，用户到无人机的传输信道被假设为视距传输信道，用户在一条从无人机正下方到服务区域最远点间的直线上均匀分布，无人机的服务半径为D＝100m，宽带和通信时间分别设置为B＝2MHz，T＝1s。对于每个用户Ui,i＝1,2,...,L,能量转换效率νi＝0.51，计算任务大小Ci∈[80,120]KB，每比特所需要的CPU周期数K＝100周期/比特。
图2显示了随着用户数量的增加，能量收集时间随之减少，同时随着计算任务数据量的增加，用户需要更多地时间处理计算任务，能量收集时间就会减少；
图3显示了随着计算任务数据量的增加，能量收集时间随之减少。
本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。
Claims (1)
1.一种基于无人机无线能量传输的边缘计算系统能耗优化方法，无人机移动边缘计算系统由一架搭载移动边缘计算服务器的无人机UAV和L个地面用户Ui组成，通信过程分为两个子时隙，其特征在于，所述基于无人机无线能量传输的边缘计算系统能耗优化方法包括以下步骤：
1)第一时隙，无人机UAV对L个地面用户发射能量信号，计算用户Ui收到的能量
2)第二时隙，L个用户执行二元卸载策略，决定任务在本地计算或全部卸载到无人机UAV进行计算，计算用户Ui本地计算的能耗卸载计算的能耗/>和系统的总能耗/>
无人机和用户之间的卸载决策优化和资源分配问题建模为：
满足以下条件
τ∈[0，T] (5)
其中，τ表示能量收集时间，pi表示Ui在数据卸载时的发射功率，αi∈{0,1}表示卸载决策，当αi＝1时，表示用户将数据卸载到无人机进行计算，当αi＝0时，表示用户进行本地计算，L表示用户数量，B表示Ui与UAV之间的信道带宽，Ci表示Ui在一个时隙中需要处理的计算任务的数据量，T表示一个时隙的长度，fi max表示Ui的最大CPU频率，bi表示用户Ui的电池电量，Ri表示用户Ui到无人机的传输速率，表示为：
其中σ2表示高斯白噪声功率，hi表示用户Ui与无人机之间的信道增益，表示为:
其中gi表示单位距离d＝1m时的信道功率增益，η表示路径损耗因子，H表示无人机飞行高度，xu和xi分别表示无人机与用户在x轴上的坐标，yu和yi分别表示无人机与用户在y轴上的坐标；
通过块坐标下降法，将上述问题转化为两个子问题，首先在给定初始卸载策略的情况下优化能量收集时间和用户发射功率，然后优化卸载策略，通过交替优化获得问题的最优解；
所述步骤1)中，用户Ui收集到的能量为：
其中νi表示能量转换效率，P表示无人机发射功率；
所述步骤2)中，用户Ui本地计算的能耗卸载计算的能耗/>和系统的总能耗/>分别表示为：
其中ξi表示Ui的有效电容系数，K表示处理1bit计算任务需要的CPU转数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111612204.7A CN114269009B (zh) | 2021-12-27 | 2021-12-27 | 基于无人机无线能量传输的边缘计算系统能耗优化方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111612204.7A CN114269009B (zh) | 2021-12-27 | 2021-12-27 | 基于无人机无线能量传输的边缘计算系统能耗优化方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114269009A CN114269009A (zh) | 2022-04-01 |
| CN114269009B true CN114269009B (zh) | 2024-03-22 |
Family
ID=80830349
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111612204.7A Active CN114269009B (zh) | 2021-12-27 | 2021-12-27 | 基于无人机无线能量传输的边缘计算系统能耗优化方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114269009B (zh) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111313954A (zh) * | 2020-01-20 | 2020-06-19 | 浙江工业大学 | 一种基于无人机辅助无线能量协同传输的移动边缘计算方法 |
| CN112512063A (zh) * | 2020-11-25 | 2021-03-16 | 福州大学 | 基于射频能量收集的无人机协助边缘计算的资源分配方法 |
-
2021
- 2021-12-27 CN CN202111612204.7A patent/CN114269009B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111313954A (zh) * | 2020-01-20 | 2020-06-19 | 浙江工业大学 | 一种基于无人机辅助无线能量协同传输的移动边缘计算方法 |
| CN112512063A (zh) * | 2020-11-25 | 2021-03-16 | 福州大学 | 基于射频能量收集的无人机协助边缘计算的资源分配方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于铁路无人机通信云计算卸载优化方案;陈明阳;刘霞;龙时丹;;铁路通信信号工程技术(09);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114269009A (zh) | 2022-04-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107317700B (zh) | 车载边缘计算节点选择系统及方法 | |
| CN108934002B (zh) | 一种基于d2d通信协作的任务卸载方法 | |
| CN113156992B (zh) | 面向边缘环境下无人机的三层架构协同优化方法 | |
| CN110545584A (zh) | 一种全双工移动边缘计算通信系统的通信处理方法 | |
| CN113625751B (zh) | 面向空地一体联邦学习的无人机位置与资源联合优化方法 | |
| CN111757361B (zh) | 一种雾网络中基于无人机辅助的任务卸载方法 | |
| CN112084025A (zh) | 一种基于改进粒子群算法的雾计算任务卸载时延优化方法 | |
| CN111313954B (zh) | 一种基于无人机辅助无线能量协同传输的移动边缘计算方法 | |
| CN112929849B (zh) | 一种基于强化学习的可靠车载边缘计算卸载方法 | |
| CN112040498A (zh) | 一种基于定点迭代的无线供能传感器网络时间分配方法 | |
| CN111796880A (zh) | 一种边缘云计算任务的卸载调度方法 | |
| CN114363803A (zh) | 一种移动边缘计算网络节能的多任务分配方法及系统 | |
| CN114521002A (zh) | 一种云边端合作的边缘计算方法 | |
| CN114269009B (zh) | 基于无人机无线能量传输的边缘计算系统能耗优化方法 | |
| CN115134370B (zh) | 一种多无人机辅助的移动边缘计算卸载方法 | |
| CN115964178B (zh) | 一种车联网用户计算任务调度方法、装置及边缘服务网络 | |
| CN112423320A (zh) | 一种基于QoS和用户行为预测的多用户计算卸载方法 | |
| CN116820603A (zh) | 一种基于深度强化学习的智慧工厂冗余卸载方法 | |
| CN116761218A (zh) | 一种云边端协同系统中的联合优化方法、系统及存储介质 | |
| CN116546559A (zh) | 分布式多目标空地联合轨迹规划和卸载调度方法及系统 | |
| Xu et al. | Energy optimization in multi-UAV-assisted edge data collection system | |
| CN115633369A (zh) | 一种面向用户任务与功率联合分配的多边缘设备选择方法 | |
| CN109041277B (zh) | 低复杂度的eh分布式基站系统能量共享和功率分配方法 | |
| CN114698116B (zh) | 一种无人机协助的非线性能量收集mec系统的资源分配方法 | |
| CN115002801B (zh) | 基于无源中继协作的边缘计算资源动态卸载方法及装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |