一种面向mec时延最小的任务功率联合优化方法和系统
阅读说明：本技术 一种面向mec时延最小的任务功率联合优化方法和系统 (Task power joint optimization method and system for minimum MEC time delay ) 是由 朱佳 李亚利 邹玉龙 于 2021-09-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种面向MEC时延最小的任务功率联合优化方法和系统,包括：选定中继；确定用户直接卸载部分任务到MEC的传输速率、用户将部分任务发送给选定中继的传输速率和选定中继转发部分任务到MEC的传输速率；根据传输速率计算用户直传卸载时间和用户-中继卸载时间,将两者中的最大值作为用户卸载时间；比较用户本地计算时间和用户-MEC卸载计算时间,其中的最大值为用户任务计算总时延,所述用户-MEC卸载计算时间为用户卸载时间与MEC计算时间之和；以最小化用户任务计算总时延为目标,建立任务功率联合优化问题并求解获得用户部分任务卸载方案。本发明最小化用户任务计算总时延,获得时延更短的用户部分任务卸载方案。(The invention discloses a method for making a paper-making machine MEC The task power joint optimization method and system with the minimum time delay comprise the following steps: selecting a relay; determining that a user is directly offloading a portion of a task to MEC The transmission rate at which the user sends part of the task to the selected relay, and the selected relay forwards part of the task to MEC The transmission rate of (c); calculating user direct transmission unloading time and user-relay unloading time according to the transmission rate, and taking the maximum value of the user direct transmission unloading time and the user-relay unloading time as the user unloading time; comparing user local computation time with user- MEC Unloading the computation time, wherein the maximum value is the total time delay of the user task computation, the user- MEC The uninstalling calculation time is the user uninstalling time and MEC calculating the sum of the time; establishing task power association with the aim of minimizing the total time delay calculated by user taskAnd optimizing the problem and solving to obtain a user part task unloading scheme. The invention minimizes the total time delay of the user task calculation and obtains the user part task unloading scheme with shorter time delay.)
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及为一种面向移动边缘计算（MEC，Mobile Edge Computing）时延最小的任务功率联合优化方法和系统。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，用户对网络体验的要求越来越高。移动边缘计算的出现，将计算能力下沉到移动边缘节点，大大降低了通信时延，提高了用户的网络体验。移动边缘计算具有强大的应用场景，在通信领域的使用越来越广泛，对通信技术具有重要的现实意义。
然而，当用户到MEC的直传信道增益很差时，用户无法很好地将部分任务直接卸载到MEC计算，导致本地计算任务重，时间长，用户体验差。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向MEC时延最小的任务功率联合优化方法，用户直传信道增益很差时，能够获得任务、功率分配合理，时延更小的用户部分任务卸载方案。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种面向MEC时延最小的任务功率联合优化方法，包括：
选定进行任务转发的中继；
确定用户直接卸载部分任务到MEC的传输速率、用户将部分任务发送给选定中继的传输速率和选定中继转发部分任务到MEC的传输速率；根据传输速率计算用户直传卸载时间和用户-中继卸载时间，将两者中的最大值作为用户卸载时间；
获取用户本地计算时间和MEC计算时间；
比较用户本地计算时间和用户-MEC卸载计算时间，其中的最大值为用户任务计算总时延，所述用户-MEC卸载计算时间为用户卸载时间与MEC计算时间之和；
以最小化用户任务计算总时延为目标，建立任务功率联合优化问题；求解所述任务功率联合优化问题确定最优的任务分配比例和功率分配比例，从而获得用户部分任务卸载方案。
进一步地，用户直接卸载部分任务到MEC、用户将部分任务发送给各中继和各中继转发部分任务到MEC的大尺度传输损耗分别由下述公式(1)-(3)得到：
（1）
（2）
（3）
上述公式中，为用户直接卸载部分任务到MEC的大尺度传输损耗，为用户将部分任务发送给中继的大尺度传输损耗，为中继转发部分任务到MEC的大尺度传输损耗，d为用户到MEC的距离，为用户到中继的距离，为中继到MEC的距离，为用户直接卸载部分任务到MEC的路径损耗因子，表示用户将部分任务发送给中继的路径损耗因子，为中继转发部分任务到MEC的路径损耗因子，，N为正整数。
进一步地，获取用户直接卸载部分任务到MEC、用户将部分任务发送给各中继和各中继转发部分任务到MEC的小尺度衰落和大尺度传输损耗，对应的信道增益分别由下述公式（4）-（6）得到：
（4）
（5）
（6）
其中，为用户直接卸载部分任务到MEC的信道增益，为用户将部分任务发送给中继的信道增益，为中继转发部分任务到MEC的信道增益，为用户直接卸载部分任务到MEC的小尺度衰落，为用户直接卸载部分任务到MEC的大尺度传输损耗，为用户将部分任务发送给中继的小尺度衰落，为用户将部分任务发送给中继的大尺度传输损耗，为中继转发部分任务到MEC的小尺度衰落，为中继转发部分任务到MEC的大尺度传输损耗，，N为正整数；
根据用户将部分任务发送给中继的信道增益和中继转发部分任务到MEC的信道增益，通过以下公式选取进行任务转发的最佳中继：
（7）
其中，r为进行任务转发的选定中继，为可选中继集合。
进一步地，确定用户直接卸载部分任务到MEC的传输速率、用户将部分任务发送给选定中继的传输速率和选定中继转发部分任务到MEC的传输速率，分别由下述公式(8)-(10)得到：
（8）
（9）
（10）
上述公式中，为用户直接卸载部分任务到MEC的传输速率，为用户将部分任务发送给选定中继的传输速率，为选定中继转发部分任务到MEC的传输速率，为用户到MEC的信道的带宽，为用户通过选定中继转发到MEC的信道的带宽，为选定中继的发射功率，为用户的发射功率，表示用户到MEC的功率分配比例，表示用户到选定中继的功率分配比例，为用户直接卸载部分任务到MEC的小尺度衰落，为用户直接卸载部分任务到MEC的大尺度传输损耗，为用户将部分任务发送给选定中继的小尺度衰落，为用户将部分任务发送给选定中继的大尺度传输损耗，为选定中继转发部分任务到MEC的小尺度衰落，为选定中继转发部分任务到MEC的大尺度传输损耗，表示高斯白噪声功率。
进一步地，所述用户直传卸载时间的计算方法如公式(11)所示：
（11）
其中，表示用户直传卸载时间，D表示用户的任务，表示用户到MEC的任务分配比例，为用户直接卸载部分任务到MEC的传输速率。
进一步地，用户-中继卸载时间包括用户将部分任务发送给选定中继的时间和选定中继转发部分任务到MEC的时间，其中所述用户将部分任务发送给选定中继的时间计算方法如公式(12)所示：
（12）
其中表示用户将部分任务发送给选定中继的时间，D表示用户的任务，表示用户通过选定中继转发到MEC的任务分配比例，为用户将部分任务发送给选定中继的传输速率；
选定中继转发部分任务到MEC的时间计算方法如公式(13)所示:
（13）
其中表示选定中继转发部分任务到MEC的时间，为选定中继转发部分任务到MEC的传输速率。
进一步地，用户本地计算时间和MEC计算时间分别通过下式确定：
(16)
(17)
上述公式中，表示用户本地计算时间，表示MEC计算时间，D表示用户的任务，表示用户本地计算的任务分配比例，表示用户卸载到MEC的任务分配比例，表示用户计算1bit所需的CPU周期数，表示用户的CPU频率，表示MEC计算1bit所需的CPU周期数，表示MEC的CPU频率。
进一步地，所述任务功率联合优化问题由如下公式表示：
（19）
上述公式中，表示用户任务计算总时延，表示用户本地计算时间，表示用户卸载时间，表示MEC计算时间，表示用户-中继卸载时间，表示用户直传卸载时间，表示用户到MEC的任务分配比例，表示用户通过选定中继转发到MEC的任务分配比例，表示用户卸载到MEC的任务分配比例，表示用户到MEC的功率分配比例。
第二方面，本发明还提供了一种面向MEC时延最小的任务功率联合优化系统，包括：包括：中继选择模块、传输速率确定模块、时间计算模块以及优化问题求解模块；
所述中继选择模块，用于选定进行任务转发的中继；
所述传输速率确定模块，用于确定用户直接卸载部分任务到MEC的传输速率、用户将部分任务发送给选定中继的传输速率和选定中继转发部分任务到MEC的传输速率；
所述时间计算模块，用于根据所述传输速率确定模块确定的传输速率计算用户直传卸载时间和用户-中继卸载时间，将两者中的最大值作为用户卸载时间；获取用户本地计算时间和MEC计算时间；比较用户本地计算时间和用户-MEC卸载计算时间，其中的最大值为用户任务计算总时延，所述用户-MEC卸载计算时间为用户卸载时间与MEC计算时间之和；
所述优化问题求解模块，用于以最小化所述时间计算模块确定的用户任务计算总时延为目标，建立任务功率联合优化问题；求解所述任务功率联合优化问题确定最优的任务分配比例和功率分配比例，从而获得用户部分任务卸载方案。
进一步地，所述中继选择模块具体用于执行包括：
获取用户将部分任务发送给各中继和各中继转发部分任务到MEC的小尺度衰落和大尺度传输损耗；
根据各小尺度衰落和大尺度传输损耗分别确定对应的信道增益，信道增益分别由下述公式得到：
其中，为用户将部分任务发送给中继的信道增益，为中继转发部分任务到MEC的信道增益，为用户将部分任务发送给中继的小尺度衰落，为用户将部分任务发送给中继的大尺度传输损耗，为中继转发部分任务到MEC的小尺度衰落，为中继转发部分任务到MEC的大尺度传输损耗，，N为正整数；
根据用户将部分任务发送给中继的信道增益和中继转发部分任务到MEC的信道增益，通过以下公式选取进行任务转发的最佳中继：
其中，r为进行任务转发的选定中继，为可选中继集合。
本发明所取得的有益技术效果：本发明所提出的一种面向MEC时延最小的中继选择与任务功率联合优化方法，在用户到MEC直传信道增益差时，通过中继选择，在用户直传卸载部分任务到MEC计算的同时，选择中继转发卸载部分任务到MEC计算，并且在此基础上进行任务、功率联合优化，达到任务、功率的最佳分配，并且本发明最小化用户任务计算总时延，能够获得时延更短的用户部分任务卸载方案。
本发明根据用户直接卸载部分任务到MEC、用户将部分任务发送给各中继和各中继转发部分任务到MEC的小尺度衰落和大尺度传输损耗选择中继，选择能够提供最佳信道增益的中继转发卸载部分任务到MEC计算，进一步缩短了用户任务计算总时延。
附图说明
图1为本发明实施例的系统模型图；
图2为本发明实施例的流程示意图；
图3为本发明实施例的仿真图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实例仅用于更清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1和图2所示，本发明设计了一种面向MEC时延最小的中继选择与任务功率联合优化方法，所述系统包括基站1、MEC2、多个中继3和用户4，用户同时进行本地计算和部分任务卸载到MEC计算，其中，部分任务卸载到MEC计算包括用户直接卸载部分任务到MEC计算和用户通过中继转发卸载部分任务到MEC计算两种方式，具体包括以下步骤：
获取用户直接卸载部分任务到MEC，用户将部分任务发送给各中继和各中继转发部分任务到MEC的小尺度衰落和大尺度传输损耗；
进行中继选择，可选地，本发明中结合所获得的信道上的小尺度衰落和大尺度传输损耗，选择能提供最佳信道增益的中继进行任务转发；
根据中继选择的结果，得到用户直接卸载部分任务到MEC，用户将部分任务发送给选定中继和选定中继转发部分任务到MEC的传输速率；
根据传输速率计算卸载时间，考虑到只有卸载的任务全部到达中继后，中继才对其进行转发，因此，用户-中继卸载时间包括用户发送部分任务到选定中继的时间和选定中继转发部分任务到MEC的时间。考虑到卸载到MEC计算的任务全部到达MEC后，MEC才开始计算，因此，将用户直传卸载时间和用户-中继卸载时间中的最大值作为用户卸载时间。
计算用户任务计算总时延，考虑到MEC计算返回的结果数据量较小，MEC服务器的结果返回延迟可忽略不计。因此，用户-MEC卸载计算时间为用户卸载时间与MEC计算时间之和，比较用户本地计算时间和用户-MEC卸载计算时间，其中的最大值为用户任务计算总时延；
通过任务、功率联合优化方法，最小化用户任务计算总时延。
本发明中的大尺度传输损耗，由下述公式得到：
（1）
（2）
（3）
上述公式中，为用户直接卸载部分任务到MEC的大尺度传输损耗，为用户将部分任务发送给中继的大尺度传输损耗，为中继转发部分任务到MEC的大尺度传输损耗，d为用户到MEC的距离，为用户到中继的距离，为中继到MEC的距离，为用户直接卸载部分任务到MEC的路径损耗因子，表示用户将部分任务发送给中继的路径损耗因子，为中继转发部分任务到MEC的路径损耗因子，，N为正整数。
本发明的中继选择，系统有多个中继，结合获得的小尺度衰落和大尺度传输损耗，选择能够提供最佳信道增益的中继进行任务转发，选定中继用于任务转发的方法包括如下步骤：
获取用户直接卸载部分任务到MEC、用户将部分任务发送给各中继和各中继转发部分任务到MEC的小尺度衰落和大尺度传输损耗，对应的信道增益分别由下述公式（4）-（6）得到：
（4）
（5）
（6）
其中，为用户直接卸载部分任务到MEC的信道增益，为用户将部分任务发送给中继的信道增益，为中继转发部分任务到MEC的信道增益，为用户直接卸载部分任务到MEC的小尺度衰落，为用户直接卸载部分任务到MEC的大尺度传输损耗，为用户将部分任务发送给中继的小尺度衰落，为用户将部分任务发送给中继的大尺度传输损耗，为中继转发部分任务到MEC的小尺度衰落，为中继转发部分任务到MEC的大尺度传输损耗，，N为正整数。
根据用户将部分任务发送给中继的信道增益和中继转发部分任务到MEC的信道增益，通过以下公式选取进行任务转发的最佳中继：
（7）
其中，r为进行任务转发的选定中继，为可选中继集合。
本发明中的进行中继选择后，用户直接卸载部分任务到MEC，用户将部分任务发送给选定中继和选定中继转发部分任务到MEC的传输速率，由下述公式得到：
（8）
（9）
（10）
上述公式中，为用户直接卸载部分任务到MEC的传输速率，为用户将部分任务发送给选定中继的传输速率，为选定中继转发部分任务到MEC的传输速率，为用户到MEC的信道的带宽，为用户通过选定中继转发到MEC的信道的带宽，为选定中继的发射功率，为用户的发射功率，表示用户到MEC的功率分配比例，表示用户到选定中继的功率分配比例，为用户直接卸载部分任务到MEC的小尺度衰落，为用户直接卸载部分任务到MEC的大尺度传输损耗，为用户将部分任务发送给选定中继的小尺度衰落，为用户将部分任务发送给选定中继的大尺度传输损耗，为选定中继转发部分任务到MEC的小尺度衰落，为选定中继转发部分任务到MEC的大尺度传输损耗，表示高斯白噪声功率。
本发明中的用户卸载时间，由下述公式得到：
（11）
（12）
（13）
（14）
（15）
上述公式中，表示用户直传卸载时间，表示用户将部分任务发送给选定中继的时间，表示选定中继转发部分任务到MEC的时间，表示用户-中继卸载时间，表示用户卸载时间，D表示用户的任务，表示用户到MEC的任务分配比例，表示用户通过选定中继转发到MEC的任务分配比例，为用户直接卸载部分任务到MEC的传输速率，为用户将部分任务发送给选定中继的传输速率，为选定中继转发部分任务到MEC的传输速率。
本发明中的用户任务计算总时延，由下述公式得到：
（16）
（17）
（18）
上述公式中，表示用户本地计算时间，表示MEC计算时间，表示用户-中继卸载时间，表示用户直传卸载时间，表示用户卸载时间，表示用户任务计算总时延，D表示用户的任务，表示用户本地计算的任务分配比例，表示用户卸载到MEC的任务分配比例，表示用户计算1bit所需的CPU周期数，表示用户的CPU频率，表示MEC计算1bit所需的CPU周期数，表示MEC的CPU频率。
本发明中的通过任务功率联合优化方法，最小化用户任务计算总时延，建立任务功率联合优化问题，所述优化问题(即目标函数)由如下公式得到：
（19）
目标函数公式可分为以下四种优化问题进行处理：
上述公式中，表示用户任务计算总时延，表示用户本地计算时间，表示用户卸载时间，表示MEC计算时间，表示用户-中继卸载时间，表示用户直传卸载时间，表示用户到MEC的任务分配比例，表示用户通过选定中继转发到MEC的任务分配比例，表示用户卸载到MEC的任务分配比例，表示用户到MEC的功率分配比例。
本发明所提出的一种面向MEC时延最小的中继选择与任务功率联合优化方法，在用户到MEC直传信道增益差时，通过中继选择，在用户直传卸载部分任务到MEC计算的同时，选择中继转发卸载部分任务到MEC计算，并且在此基础上进行任务、功率联合优化，达到任务、功率最佳分配，并且本发明最小化用户任务计算总时延，能够获得时延更短的用户部分任务卸载方案。
下面给出计算机上利用MATLAB语言仿真实现发明的一个实例。用户直接卸载部分任务到MEC，用户将部分任务发送给各中继和各中继转发部分任务到MEC的信道均服从瑞利衰落，且方差为1，d为用户到MEC之间的距离，取值为500m，可选中继个数取值为6，为用户到各中继的距离，取值分别为100m，98m，102m，104m，96m，105m，为各中继到MEC的距离，取值分别为401m，403m，399m，398m，406m，396m，为用户直接卸载部分任务到MEC的路径损耗因子，表示用户将部分任务发送给各中继的路径损耗因子，为各中继转发部分任务到MEC的路径损耗因子，取值均为4，，为用户计算1bit所需的CPU周期数，取值为1000 cycles/bit，为用户的CPU频率，取值为cycles/s，为MEC计算1bit所需的CPU周期数，取值为1000cycles/bit，为MEC的CPU频率，取值为cycles/s，用户发射功率为1w，选定中继发射功率为10w，噪声功率为w，用户到MEC的信道带宽为1MHz，用户通过中继转发到MEC的信道带宽为1MHz。图3为本发明所提出的方案与中继选择等功率分配下优化任务分配和中继选择注水算法功率分配下优化任务分配两种方案的对比，图中的自变量为任务，由图可知，本发明提出的方案在时延上均小于两种对比方案，且随着任务的增加，这种优势逐渐显著。
本发明根据用户直接卸载部分任务到MEC、用户将部分任务发送给各中继和各中继转发部分任务到MEC的小尺度衰落和大尺度传输损耗，选择能够提供最佳信道增益的中继转发卸载部分任务到MEC计算，进一步缩短了用户任务计算总时延。
与以上实施例提供的一种面向MEC时延最小的任务功率联合优化方法相对应地，本发明还提供了一种面向MEC时延最小的任务功率联合优化系统，包括：中继选择模块、传输速率确定模块、时间计算模块以及优化问题求解模块；
所述中继选择模块，用于选定进行任务转发的中继；
所述传输速率确定模块，用于确定用户直接卸载部分任务到MEC的传输速率、用户将部分任务发送给选定中继的传输速率和选定中继转发部分任务到MEC的传输速率；
所述时间计算模块，用于根据所述传输速率确定模块确定的传输速率计算用户直传卸载时间和用户-中继卸载时间，将两者中的最大值作为用户卸载时间；获取用户本地计算时间和MEC计算时间；比较用户本地计算时间和用户-MEC卸载计算时间，其中的最大值为用户任务计算总时延，所述用户-MEC卸载计算时间为用户卸载时间与MEC计算时间之和；
所述优化问题求解模块，用于以最小化用户任务计算总时延为目标，建立任务功率联合优化问题；求解所述任务功率联合优化问题确定最优的任务分配比例和功率分配比例，从而获得用户部分任务卸载方案。
进一步地，所述中继选择模块具体用于执行方法的步骤：
获取用户直接卸载部分任务到MEC、用户将部分任务发送给各中继和各中继转发部分任务到MEC的小尺度衰落和大尺度传输损耗，对应的信道增益分别由下述公式（4）-（6）得到：
（4）
（5）
（6）
其中，为用户直接卸载部分任务到MEC的信道增益，为用户将部分任务发送给中继的信道增益，为中继转发部分任务到MEC的信道增益，为用户直接卸载部分任务到MEC的小尺度衰落，为用户直接卸载部分任务到MEC的大尺度传输损耗，为用户将部分任务发送给中继的小尺度衰落，为用户将部分任务发送给中继的大尺度传输损耗，为中继转发部分任务到MEC的小尺度衰落，为中继转发部分任务到MEC的大尺度传输损耗，，N为正整数；
根据用户将部分任务发送给中继的信道增益和中继转发部分任务到MEC的信道增益，通过以下公式选取进行任务转发的最佳中继：
（7）
其中，r为进行任务转发的选定中继，为可选中继集合为正整数，为用户将部分任务发送给中继的信道增益, 为中继转发部分任务到MEC的信道增益。
需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
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