1.一种计算资源有限MEC中任务卸载与资源分配方法,其特征在于,该方法具体包括以下步骤:
S1:移动用户产生新的计算任务,并向MEC服务器发送任务卸载请求;
S2:MEC服务器收集当前卸载周期内所有用户的卸载请求;
S3:MEC根据网络场景,建立通信模型、移动用户本地计算模型与MEC计算模型。构建出MEC总收益最大化问题模型与用户任务执行成本模型;
S4:MEC服务器为请求用户分配可提供的计算资源;
S5:MEC服务器根据Stackelberg博弈模型建立与用户之间的交互,根据差异化定价策略计算向不同用户收取的计算费用;
S6:结合步骤S5,MEC服务器进行计算资源重分配,并检查是否满足结束条件,若满足,执行步骤S7;若不满足,返回步骤S4;
S7:MEC服务器将报价以及可以提供的计算资源返回给用户端;
S8:移动用户根据收到MEC的反馈独自完成卸载决策。
2.根据权利要求1所述的一种计算资源有限MEC中任务卸载与资源分配方法,其特征在于,所述步骤S2中当前卸载周期具体包括:S21:为了确保卸载至MEC的任务可以在卸载周期内完成计算,设定MEC服务器在每个卸载周期内用于计算接收数据的总CPU周期上限为F,该约束条件为:其中,N为请求用户个数,λi,λi∈[0,1]为用户i的卸载任务数据量的比例,bi表示任务的总数据量,di表示计算1bit该任务数据所需要的CPU周期数,MEC服务器为请求的多任务提供有限的计算能力fmec。因此,卸载周期的长度为:T=F/fmec(2)。
3.根据权利要求2所述的一种计算资源有限MEC中任务卸载与资源分配方法,其特征在于,所述步骤S3中具体包括以下步骤:S31:建立通信模型;
根据香农公式,用户上行传输速率为:ri=Blog2(1+Ptra,igi/BNo) (3)其中Ptra,i表示用户i的发送功率,gi表示用户i与MEC服务器之间的信道增益,No表示信道单位噪声与干扰的功率谱密度,由于MEC向用户回传的计算结果数据量很小,因此回传时间忽略不计。
S32:建立用户本地计算模型;
用户i本地执行任务的时间与能耗分别为:tloc,i=(1‑λi)bidi/floc,i(4)2
eloc,i=kibidi(1‑λi)(floc,i) (5)其中ki是与移动用户的硬件架构相关的常数,floc,i是用户i本地的计算能力。
S33:建立MEC计算模型;
用户i卸载执行任务的时延与能耗分别为:tmec,i=ttra,i+texe,i=λibi/ri+λibidi/fmec,i(6)emec,i=etra,i=Ptra,i·ttra,i=λiPtrabi/ri(7)其中,Ptra,i表示用户的发射功率,ttra,i与texe,i分别表示任务的传输时延与MEC计算时延。
S34:构建MEC总收益最大化问题模型;
MEC最大化收益问题表示为:
其中,集合 表示所有用户的单价集合,集合 表示N个用户卸载比例集合,集合 表示MEC为N个用户分配的计算资源集合。约束条件C1确保MEC服务器提供的价格为正数,C2确保了MEC在并行运算时为每个用户分配的频率不大于总频率,C3确保了MEC接收CPU总周期小于上限值。
S35:构建用户任务执行成本模型;
用户任务执行成本问题表示为:
其中αi、βi和γi分别表示用户i对于执行任务产生的时延、能耗以及费用成本的权重,不同用户权重不同。
4.根据权利要求3所述的一种计算资源有限MEC中任务卸载与资源分配方法,其特征在于,所述步骤S5中具体包括以下步骤:S51:建立Stackelberg博弈交互模型;
将MEC服务器视为博弈中的领导者,而用户视为跟随者。领导者首先对跟随者的CPU 周期施加价格。然后,跟随者将依据领导者宣布的价格,独立计算其用于卸载的CPU周期,以分别进行本地计算和卸载。
S52:差异化定价策略;
首先分析跟随者行为。根据步骤S4分配的计算资源,结合式(9),用户i的总成本可写为λi的分段函数:
其中 是在区间[0,1]内的一个卸载比例。对式(10)一阶求导,得到卸载比例与单价的关系:其中λ为用户i的最佳卸载比例,用户将根据该比例卸载任务,并且:接着分析领导者行为。领导者根据式(11)调整μi,为最大化MEC收益,MEC应当将μi定为G2,i或无穷高。具体每个用户的定价,可通过多用户卸载决策算法求得。
5.根据权利要求4所述的一种计算资源有限MEC中任务卸载与资源分配方法,其特征在于,所述步骤S6具体包括以下步骤:S61:MEC服务器计算资源重分配;
在步骤S5得到具体的定价之后,结合步骤S5得到的价格,针对实际卸载的任务,进行计算资源重分配,通过求解凸优化问题解决,计算资源重分配问题表示为:其中实际卸载的 用户集合 代表其中第j个用户,表示M个用户的计算资源的集合。优化问题P3是分数规划问题,对其进行变量替换,令Yj=fmec,j/[(1+floc,j/rjbj)fmec,j+floc,j],令Zj=1/[(1+floc,j/rjbj)fmec,j+floc,j],得到集合Y={Y1,Y2,...,YM}。将原问题P3转化为:式(15)问题P4'的函数式与约束条件均为凸函数,所以问题P3'是一个凸优化问题,可通过内点法快速求解。
S62:判断是否满足结束条件;
本发明通过改进模拟退火算法求解计算资源分配问题,将步骤S4的计算资源分配做为模拟退火算法的解向量,通过迭代进行求解。对算法的改进如下:算法加入控温策略,是指算法解相对上一次解没有更新时,以Tk/2T0>random[0,1)的概率保持温度不变,保持算法接受较差解的概率。
算法只考虑基于温度的单层循环,从较大的初始温度开始下降,温度下降公式为:Tk=Tk‑1×0.97 (16)若温度下降至小于1,则满足算法结束条件,执行步骤S7。若温度大于1,则根据步骤S62中的控温策略对温度进行更新,同时在原解向量附近更新解向量,返回步骤S4。