1.一种在多基站场景中的基于非正交多址接入的移动边缘计算布伦特式时延优化方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:(1)在一组集成边缘服务器的基站的覆盖范围下有一个移动用户i,基站用集合表示,移动用户使用非正交多址接入技术同时向基站发送数据,其中移动用户需要处理的数据量用 表示;
在无线网络中,在保证移动用户数据需求的情况下最小化系统总时延的优化问题描述为如下所示的非凸性优化问题DM-i问题,DM-i指的是最优化移动用户i总时延问题:
Variables:si and ti
下面将问题中的各个变量做一个说明,如下:Wi:移动用户i到基站的信道带宽,单位是赫兹;
gik:移动用户i到基站k的信道功率增益;
n0:信道背景噪声的频谱功率密度;
sik:移动用户i需要分配到基站k处理的数据量,单位是兆比特;
移动用户i需要处理的数据量,单位是兆比特;
移动用户i的处理能力,单位是兆比特/秒
Vk:基站k的处理能力,单位是兆比特/秒移动用户i的最大能量消耗,单位是焦耳;
基站k的最大能量消耗,单位是焦耳;
移动用户i发送数据到基站的最大传输时间,单位是秒;
ti:移动用户i发送数据到基站的传输时间,单位是秒;
是关于si和ti的函数,表示移动用户i在给定传输时间ti内完成发送数据量si所需要的最小总发射功率,单位是瓦特;
通过引入一个辅助变量求解(DM-i)优化问题;
(2)(DM-i)问题是在给定移动用户i需要处理的数据量 的情况下找到最优的系统总时延,定义一个变量θi,满足如下表达式:因此,(DM-i)问题等价为(DM-i-E)问题,“E”表示的是等价地,如下:(DM-i-E):minθi
constraint(1-3),(1-4),(1-5)Variable:si,ti and θi为了有效解决(DM-i-E)问题,利用(DM-i-E)问题的层结构把(DM-i-E)问题分解成一个底层问题和一个顶层问题;
首先考虑在移动用户i传输时间ti给定的情况下,优化移动用户上传数据量和系统总时延的底层(DM-i-E-Sub)问题如下:
constraint(2-4)Variable:si and θi
求解(DM-i-E-Sub)问题的过程是:设定θ的上限是一个足够大的数,设定θ的下限是0,通过对θ进行对分搜索来找到最小的θ值,该θ值要同时确保(DM-i-E-Sub)问题可行,(DM-i-E-Sub)问题可行是指:在给定θ值条件下,(DM-i-E-Sub)问题中约束条件(2-4),(2-6)和(2-
7)所产生有关于变量si的可行解集合为一个非空集合;否则,(DM-i-E-Sub)问题为不可行,即在给定θ值条件下约束条件(2-4),(2-6)和(2-7)所产生有关于变量si的可行解集合是一个空集;
最后在底层(DM-i-E-Sub)问题的基础下,优化移动用户传输时间和系统总时延的顶层(DM-i-E-Top)问题如下: s.t.constraint(1-5)Variable:ti
求解(DM-i-E-Top)问题的过程是:设定ti的上限是最大传输时间 设定ti的下限是0,通过对ti进行布伦特方法来找到最优的ti值,使得系统总时延最小。
(3)在求解(DM-i-E-Sub)问题的过程中,为了判断在给定θ值条件下(DM-i-E-Sub)问题是否可行,考虑如下(DM-i-E-Sub-check)问题:s.t.constraint(2-6),(2-7)Variable:si
如果(DM-i-E-Sub-check)问题的最优值输出 则表示(DM-i-E-Sub-check)问题是可行的;否则,(DM-i-E-Sub-check)问题将是不可行的;
定义函数Gi(si)如下:
接着,定义函数L(si,λ,μ)如下:
因此,得到函数L(si,λ,μ)的一阶偏导数如下:接着,分析整理表达式(2-9)和(2-10),发现在给定一组(si,λ,μ)的情况下,Him(si,λ,μ)<Hin(si,λ,μ)(m<n),所以将在ti and θi给定情况下,si的最优解 分为以下三种情况:i)如果存在 使得Hiz(si,λ,μ)=0,那么设置 为:其中,
为满足 的解。
ii)如果Hi1(si,λ,μ)>0,那么设置 为:iii)如果HiK(si,λ,μ)<0,那么设置 为:(4)求解(DM-i-E-Sub-check)问题的算法Subrountine-Q,该算法的思路是;通过对(3)中,在ti和θi给定情况下,si的最优解 的i)ii)iii)三种情况,得到最优解;
(5)求解(DM-i-E-Sub)问题的算法SubBS-Algorithm,该算法的思路是;在(DM-i-E-Sub)问题中,设定θi的上限是一个足够大的数,θi的下限是0,设定容忍计算精度是一个很小的数,通过对θi进行对分搜索来找到最小的θi值,该θi值要同时确保(DM-i-E-Sub)问题可行;通过求解(DM-i-E-Sub-check)问题,判断在给定θi值条件下(DM-i-E-Sub)问题是否可行;其中,如果(DM-i-E-Sub-check)问题的最优值输出 则表示(DM-i-E-Sub)问题是可行的,那通过对分搜索方式减小当前θi值;否则,(DM-i-E-Sub)问题将是不可行的,那通过对分搜索方式增大当前θi值;通过对分搜索不断更新当前θi值,直到达到容忍计算精度,跳出对分搜索,算法最后输出的最优θi值,即确保DM-i-E-Sub问题可行的最小的θi值;最后,算法SubBS-Algorithm输出的 代表:(DM-i-E-Sub)问题所求的在给定传输时间下的最优时延;
(6)求解(DM-i-E-Top)问题的算法Top-BM-Algorithm,该算法的思路是;在(DM-i-E-Top)问题中,设定ti的上限是最大传输时间 设定ti的下限是0,通过布伦特方法来找到最优的ti值,该ti值要同时确保(DM-i-E-Top)问题可行;通过求解(DM-i-E-Sub)问题,得到在给定ti值条件下的最优时延 通过布伦特方法不断更新当前ti值,直到达到精度要求,跳出搜索,算法最后输出的最优值 即确保(DM-i-E-Top)问题可行的最小的值;最后,算法Top-BM-Algorithm输出的 和 代表:(DM-i-E-Top)问题所求的最小整体时延和对应的最优传输时间。
2.如权利要求1所述的在多基站场景中的基于非正交多址接入的移动边缘计算布伦特式时延优化方法,其特征在于,所述步骤(4)中,求解(DM-i-E-Sub-check)问题算法的Subrountine-Q的步骤如下:步骤4.1:设定参数z=1,设定参数CBV=∞,步骤4.2:开始循环z≤K;
步骤4.3:根据公式(3-5),(3-6)设定参数步骤4.4:根据公式(3-8),(3-9)设定参数 和步骤4.5:如果 设定 转至执行步
骤4.8;
步骤4.6:否则如果 设定 转至执行
步骤4.8;
步骤4 .7:否则区间 内使用对分法寻找 使得 为满足设定 转至执行步骤4.8;
步骤4.8:如果 设定
步骤4.9:设定z=z+1;
步骤4.10:当z>K时,结束循环;
步骤4.11:设定参数
步骤4.12:如果 并且 设定
步骤4.13:设定参数
步骤4.14:如果 并且 设定
步骤4.15:输出
3.如权利要求1或2所述的在多基站场景中的基于非正交多址接入的移动边缘计算布伦特式时延优化方法,其特征在于,所述步骤(5)中,求解(DM-i-E-Sub)问题算法的SubBS-Algorithm的步骤如下:步骤5.1:输入容忍计算精度∈=10-4,设定参数步骤5.2:开始循环
步骤3.5:设定
步骤5.3:调用算法Subrountine-Q计算出步骤5.4:如果 设定 转至执行步骤5.2;
步骤5.5:否则如果 设定 转至执行步骤5.2;
步骤5.6:当 时,结束循环;
步骤5.7:输出
最后,算法SubBS-Algorithm输出的 代表:(DM-i-E-Sub)问题所求的在给定传输时间下的最优时延。
4.如权利要求3所述的在多基站场景中的基于非正交多址接入的移动边缘计算布伦特式时延优化方法,其特征在于,所述步骤(6)中,求解(DM-i-E-Top)问题算法的Top-BM-Algorithm的步骤如下:步骤6.1:设置插值比例cgold,迭代次数IterTimes,∈为二分法计误差的限度,初始化当前已迭代次数n=1;
步骤6.2:设置b为最大传输时间 a为下边界;
步骤6.3:设置e=0,x=w=v=0.5(a+b),调用算法SubBS-Algorithm计算出步骤6.4:判断若n≤IterTimes,则跳至步骤6.5,否则跳至步骤6.12;
步骤6.5:设置xn=0.5(a+b),判断若abs(x-xn)<∈·2-0.5(b-a),则循环结束,跳至步骤6.12,否则跳至步骤6.6;
步骤6.6:判断若abs(e)≤∈,则跳至步骤6.8否则,设置p=(x-v)q-(x-w)r,q=2(q-r),其中,如果q大于零,则设置p=-p,设置q=abs(q),etemp=e,e=d;
步骤6.7:判断若同时满足d≤0.5·etemp,a≤x+d≤b这两个条件,则设置d=p/q,否则,跳至步骤6.8;
步骤6.8:当x≥xn时,设置e=a-x,反之,设置e=b-x,设置d=cgold·e;;
步骤6.9:判断若abs(d)≥∈,则设置u=x+d,否则,设置u=x+sign(d),调用算法SubBS-Algorithm计算出步骤6.10:若 则判断u≥x,若是,则设置a=x,若否,则设置b=x,v=w,w=x, x=u, 若 则判断u<x,若是,则设置a=u,若否,则设置b=u,与此同时,如果 并且w=x,则设置v=w, w=u,如果 并且v=x以及v=w,则设置v=u,步骤6.11:n=n+1,跳至步骤6.4;
步骤6.12:输出 以及