无人机使能的边缘计算优化问题

Background

  在移动边缘计算中,用户常常将会产生大量对计算能力和时延要求高的任务,这些任务通过卸载到边缘服务器上,能够迅速完成计算从而满足用户QoS。对于普通的MEC服务器来说,它们的位置总是固定的,无法根据移动用户的需要进行灵活改变,这限制了MEC的能力。近年来,无人机在通信领受到了广泛的关注。将无人机作为可移动的边缘服务器,不仅能够提供更好的通信链路(LoS),而且能够灵活进行部署,从而缩短通信的距离。所以,本文讨论了多个无人机使能的MEC系统,在这个系统中,多个无人机被部署服务大规模的移动用户。无人机作为可移动边缘服务器,提供着任务卸载的服务,那么本文将着重探讨联合无人机部署和任务调用优化问题。

  本文的创新点有以下几个:

  1. 考虑多个UAV使能的MEC系统,多个无人机用于服务大规模的移动用户。
  2. 联合优化无人机部署和任务调度问题。
  3. 提出两层架构算法,算法简化了决策变量空间,通过计算推导保证了计算时间复杂度和运行时间,适用于大规模的移动用户。

Contributions

本文的贡献为以下五点:

  • 在大规模移动用户场景中构建了多无人机使能的移动边缘计算系统,无人机充当MEC服务器。
  • 提出两层优化方法ToDeTaS,用于解决无人机部署和任务调度联合优化问题,最小化系统的能量消耗。优化四个方面:无人机的部署数量、无人机的部署位置、卸载决策变量、资源分配变量。
  • 在算法的上层,使用带有消除算子( elimination operator)的差分进化(differential evolution, DE)算法来优化UAV部署问题。将UAV的位置编码进一个个体(individual)中,整个UAV的部署就是种群(population)。为了最小化系统的能量消耗,首先确定UAV的最大数量,接着逐渐减小消除算子的数量如果所有的任务都可以完成。UAV的数量根据消除算子自适应调整,UAV的部署位置根据DE算法进行优化。
  • 确定了UAV的部署后,那么下层的算法主要解决任务调度的问题。通过分析该问题能够转化为一个0-1整数规划问题。为了减少大规模0-1整数规划问题的计算时间,本文提出一种贪心算法来求得近似解。
  • 扩展实验从移动用户数100增加至1000,实验结果有效证明了提出ToDeTaS的有效性和多UAV-enabled系统的有效性。

System Model and Problem Formulation

在这里插入图片描述
  系统模型如上图所示,共有M个移动用户,N个无人机,每个无人机能够服务通信范围内的用户。假设每个用户产生一个待执行的任务U,任务U=(C,D),其中C为计算所需CPU频率,D为用户输入的数据量。系统中移动用户的数量M、移动用户的位置(x,y,0)、任务的CPU频率C、任务的数据量D都是已知的,而无人机数量N、无人机位置(X,Y,H)是未知的。其中高度H是固定已知的。
  由于联合优化问题的目标是最小化能量消耗,所以需要考虑无人机在计算执行、悬停情况下的能耗。将系统分为三个模型:(1)本地执行 (2)MEC 执行 (3)悬停

Local Execution Model

本地执行,时间为
在这里插入图片描述
能量消耗为
在这里插入图片描述

MEC Execution Model

若是卸载到无人机上,任务首先得从移动用户传输到UAV上,然后在UAV上进行计算。定义 a i , k a_{i,k} ai

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