空天地一体化网络下基于博弈论的任务卸载方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及通信技术领域，公开了一种空天地一体化网络下基于博弈论的任务卸载方法和系统，包括：S1、根据当前的地面用户设备产生的各任务的时延和计算资源需求，分别计算各所述任务在低轨卫星网络边缘、无人机网络边缘以及本地的卸载成本；S2、以最小化成本开销为目标，找到卸载成本开销最小的卸载策略；S3、根据所述卸载策略将各所述任务对应分配到所述低轨卫星网络边缘和/或无人机网络边缘和/或本地进行卸载。本发明专利技术提出了一种基于博弈论的纳什均衡迭代算法来解决计算卸载问题，通过找到纳什均衡点即得到最优的卸载组合策略，从而最小化卸载的系统成本。化卸载的系统成本。化卸载的系统成本。

【技术实现步骤摘要】
空天地一体化网络下基于博弈论的任务卸载方法和系统


[0001]本专利技术涉及通信
，具体涉及一种空天地一体化网络下基于博弈论的任务卸载方法和系统,用于解决偏远地区任务卸载和发达城市中密集型和时延敏感型任务的卸载问题。

技术介绍

[0002]随着物联网(IoT)技术的快速发展，时延敏感型应用如：增强现实、人脸识别和视频分析等层出不穷。然而，由于移动IoT设备的计算能力有限，无法满足这些应用的计算资源和时延需求。因此提出移动边缘计算(MEC)技术将物联网用户的计算任务转移到边缘服务器进行执行，这不仅可以减少任务处理的时延，还可以满足任务的计算资源需求。考虑到在沙漠、海洋和山区的一些偏远地区还没有建立地面网络，在这些偏远地区的移动物联网设备无法对一些实时性高和计算资源需求大的任务进行处理。而低地球轨道(LEO)卫星网络作为地面网络的补充，具有全球无缝覆盖和低传输时延的特点，已被国际电联(ITU)列入未来6G的关键支撑技术。针对远程物联网用户实时性高和计算资源需求大的计算任务，可以在LEO卫星上部署边缘服务器，为其提供卫星边缘计算服务，以有效减少任务的处理时延，提高用户的服务质量。空中无人机网络边缘计算网络可以进一步辅助卫星边缘计算网络，为发达城市中的密集型和时延敏感型任务提供计算资源，可缓解LEO卫星边缘计算的压力。而对于一些星地融合网络，它们只考虑了单个卫星或者是多星协同，在面对大量偏远山区或者是时延敏感型的计算任务，卫星网络的计算资源可能会不足或者是时延较长，会导致网络出现严重拥塞，因此无法满足任务的计算资源和时延需求。在空天地一体化网络场景下，如何在满足用户任务时延和计算资源需求的情况下，以最小化系统能耗等成本开销为目标，进行任务卸载是目前学术界及工业界研究的重点。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供一种空天地一体化网络下基于博弈论的任务卸载方法和系统，将地面用户设备产生的任务卸载到卫星网络、无人机网络集群网络或者是本地处理，以达到系统总开销最小的目的，从而解决偏远地区通信质量差、计算资源不足以及发达城市密集型和时延敏感型任务的网络拥塞和延迟问题。
[0004]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0005]一种空天地一体化网络下基于博弈论的任务卸载方法，包括：
[0006]S1、根据当前的地面用户设备产生的各任务的时延和计算资源需求，分别计算各所述任务在低轨卫星网络边缘、无人机网络边缘以及本地的卸载成本；
[0007]S2、以最小化成本开销为目标，找到卸载成本开销最小的卸载策略；
[0008]S3、根据所述卸载策略将各所述任务对应分配到所述低轨卫星网络边缘和/或无人机网络边缘和/或本地进行卸载。
[0009]作为优化，S1中，计算任务到低轨卫星网络边缘进行卸载的卸载成本的具体步骤
为：
[0010]A1、计算所述地面用户设备产生的各任务在有效通信时间T
s
内卸载到所述低轨卫星网络边缘的第一时延消耗所述第一时延消耗由传播时延、传输时延和处理时延组成；
[0011]A2、计算各所述任务卸载到所述低轨卫星网络边缘的第一传输能耗以及各所述任务在所述低轨卫星网络边缘的第一处理能耗E
u，s
；
[0012]A3、根据所述第一时延消耗第一传输能耗以及第一处理能耗E
u，s
得到各所述任务到所述低轨卫星网络边缘进行卸载的第一卸载成本
[0013][0014]式中，μ1为第一时延的权重因子，λ1为第一传输能耗和第一处理能耗的权重因子。
[0015]作为优化，所述有效通信时间T
s
的计算步骤包括：
[0016]A1.1、根据低轨卫星网络的轨道模型的几何关系以及给定的所述地面用户设备与所述低轨卫星网络的仰角α计算出所述低轨卫星网络覆盖区域所对应的地心角β；
[0017]A1.2、根据所述地心角β计算出所述地面用户设备与所述低轨卫星网络的通信弧长L；
[0018]A1.3、根据所述通信弧长L和所述低轨卫星网络运行的速度v
s
计算出所述地面用户设备与所述低轨卫星网络之间的通信时间
[0019]作为优化，S1中，计算任务到无人机网络边缘进行卸载的卸载成本的具体步骤为：
[0020]B1、计算各所述任务卸载到所述无人机网络边缘的第二时延消耗所述第二时延消耗由传播时延、上行的传输时延和处理时延组成；
[0021]B2、计算各所述任务卸载到所述无人机网络边缘的第二传输能耗以及各所述任务在所述无人机网络边缘的第二处理能耗E
u，m
；
[0022]B3、根据所述第二时延消耗第二传输能耗第二处理能耗E
u，m
得到各所述任务到所述无人机网络边缘进行卸载的第二卸载成本
[0023][0024]式中，μ2为第二时延的权重因子，λ2为第二传输能耗和第二处理能耗的权重因子。
[0025]作为优化，S1中，计算任务到本地进行卸载的卸载成本的具体步骤为：
[0026]C1、计算所述地面用户设备产生的各任务卸载到本地的第三时延消耗所述第三时延消耗由处理时延组成；
[0027]C2、计算各所述任务卸载到本地的第三处理消耗
[0028]C3、根据第三时延消耗和第三处理消耗得到在本地卸载的第三卸载成本得到在本地卸载的第三卸载成本
[0029]式中，μ3为第三时延的权重因子，λ3为第三处理能耗的权重因子。
[0030]作为优化，S2的具体步骤为：
[0031]S2.1、将卸载成本问题转化为在时延和能耗约束条件下的成本最优问题：
[0032][0033]其中，K为地面用户设备的总数量，分别为第一卸载成本、第二卸载成本和第三卸载成本，a
u
代表计算任务W
u
是否卸载到低轨卫星上，其中a
u
＝1表示计算任务W
u
载到低轨卫星上,否则，a
u
＝0表示计算任务W
u
未载到低轨卫星上；b
u
代表计算任务W
u
是否卸载到无人机边缘上，其中b
u
＝1表示计算任务W
u
载到无人机边缘上,否则，b
u
＝0表示计算任务W
u
未载到无人机边缘上；
[0034]S2.2、基于博弈论方法，将时延和能耗组成的成本最小的计算卸载成本问题表示为非合作策略博弈G，所述策略博弈G表示为G＝{U,(X
u
)
u∈U
,(Υ
u
(x
u
,x
‑
u
))
u∈U
}；
[0035]其中，U表示博弈参与者的集合，所述博弈参与者即地面用户设备，(X
u
)
u∈U
表示用户设备参与者u的策略集合，(Υ
u
(x...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空天地一体化网络下基于博弈论的任务卸载方法，其特征在于，包括：S1、根据当前的地面用户设备产生的各任务的时延和计算资源需求，分别计算各所述任务在低轨卫星网络边缘、无人机网络边缘以及本地的卸载成本；S2、以最小化成本开销为目标，找到卸载成本开销最小的卸载策略；S3、根据所述卸载策略将各所述任务对应分配到所述低轨卫星网络边缘和/或无人机网络边缘和/或本地进行卸载。2.根据权利要求1所述的一种空天地一体化网络下基于博弈论的任务卸载方法，其特征在于，S1中，计算任务到低轨卫星网络边缘进行卸载的卸载成本的具体步骤为：A1、计算所述地面用户设备产生的各任务在有效通信时间T
s
内卸载到所述低轨卫星网络边缘的第一时延消耗所述第一时延消耗由传播时延、传输时延和处理时延组成；A2、计算各所述任务卸载到所述低轨卫星网络边缘的第一传输能耗以及各所述任务在所述低轨卫星网络边缘的第一处理能耗E
u，s
；A3、根据所述第一时延消耗第一传输能耗以及第一处理能耗E
u，s
得到各所述任务到所述低轨卫星网络边缘进行卸载的第一卸载成本到所述低轨卫星网络边缘进行卸载的第一卸载成本式中，μ1为第一时延的权重因子，λ1为第一传输能耗和第一处理能耗的权重因子。3.根据权利要求2所述的一种空天地一体化网络下基于博弈论的任务卸载方法，其特征在于，所述有效通信时间T
s
的计算步骤包括：A1.1、根据低轨卫星网络的轨道模型的几何关系以及给定的所述地面用户设备与所述低轨卫星网络的仰角α计算出所述低轨卫星网络覆盖区域所对应的地心角β；A1.2、根据所述地心角β计算出所述地面用户设备与所述低轨卫星网络的通信弧长L；A1.3、根据所述通信弧长L和所述低轨卫星网络运行的速度v
s
计算出所述地面用户设备与所述低轨卫星网络之间的通信时间4.根据权利要求2所述的一种空天地一体化网络下基于博弈论的任务卸载方法，其特征在于，S1中，计算任务到无人机网络边缘进行卸载的卸载成本的具体步骤为：B1、计算各所述任务卸载到所述无人机网络边缘的第二时延消耗所述第二时延消耗由传播时延、上行的传输时延和处理时延组成；B2、计算各所述任务卸载到所述无人机网络边缘的第二传输能耗以及各所述任务在所述无人机网络边缘的第二处理能耗E
u，m
；B3、根据所述第二时延消耗第二传输能耗第二处理能耗E
u，m
得到各所述任务到所述无人机网络边缘进行卸载的第二卸载成本所述无人机网络边缘进行卸载的第二卸载成本式中，μ2为第二时延的权重因子，λ2为第二传输能耗和第二处理能耗的权重因子。5.根据权利要求4所述的一种空天地一体化网络下基于博弈论的任务卸载方法，其特征在于，S1中，计算任务到本地进行卸载的卸载成本的具体步骤为：
C1、计算所述地面用户设备产生的各任务卸载到本地的第三时延消耗所述第三时延消耗由处理时延组成；C2、计算各所述任务卸载到本地的第三处理消耗C3、根据第三时延消耗和第三处理消耗得到在本地卸载的第三卸载成本得到在本地卸载的第三卸载成本式中，μ3为第三时延的权重因子，λ3为第三处理能耗的权重因子。6.根据权利要求5所述的一种空天地一体化网络下基于博弈论的任务卸载方法，其特征在于，S2的具体步骤为：S2.1、将卸载成本问题转化为在时延和能耗约束条件下的成本最优问题：其中，K为地面用户设备的总数量，分别为第一卸载成本、第二卸载成本和第三卸载成本，a
u
代表计算任务W
u
是否卸载到低轨卫星上，其中a
u
＝1表示计算任务W
u
载到低轨卫星上,否则，a
u
＝0表示计算任务W
u
未载到低轨卫星上；b
u
代表计算任务W
u
是否卸载到无人机边缘上，其中b
u
＝1表示计算任务W
u
载到无人机边缘上,否则，b
u
＝0表示计算任务W
u
未载到无人机边...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亮，毛武平，李汶蔚，荆腾翔，谭思源，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：