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申请/专利权人：吉林大学

摘要：本发明适用于通信技术领域，提供了一种LEO卫星MEC网络中的计算卸载与功率分配方法及系统，方法包括：构建LEO卫星MEC网络模型并初始化系统参数；根据所构建的模型，计算本地计算、LEO卫星MEC卸载计算以及云卸载计算的用户设备时延能耗加权和，并建立优化问题；根据所建立的优化问题，将用户卸载模式选择问题构建为一个势博弈过程，采用拉格朗日乘子法以及KKT条件求得资源分配方案；使用二次变换优化卸载用户的发射功率；交替迭代优化求出最佳的卸载决策和资源分配方案以及最佳的用户发射功率分配。本方法能够满足系统内用户的通信需求的同时，有效利用系统资源以最小化系统内任务设备执行总开销，提高系统内用户的体验质量。

主权项：1.一种LEO卫星MEC网络中的计算卸载与功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S101：构建LEO卫星MEC网络模型，包括任务设备、LEO卫星MEC服务器和云服务器；初始化系统参数，所述系统参数包括任务设备的任务数据量大小、计算能力以及LEO卫星MEC服务器和云服务器的计算能力；步骤S102：根据步骤S101构建的系统模型，得到本地计算、LEO卫星MEC卸载计算以及云卸载计算的时延能耗加权和，并且以最小化系统内任务设备的总开销为目标，建立特定的优化问题；步骤S103：根据步骤S102所建立的优化问题，将卸载模式选择问题构建为一个势博弈过程，并且在每次迭代中更新一个任务设备的卸载模式；针对选择LEO卫星MEC卸载模式的任务设备，通过采用拉格朗日乘子法以及KKT条件求得计算资源分配方案；步骤S104：根据步骤S103所得到的卸载模式，针对选择LEO卫星MEC卸载模式以及云卸载模式的任务设备，通过二次变换方法将发射功率分配问题转换为两个凸函数的减法形式求解；步骤S105：重复迭代执行步骤S103和步骤S104至收敛或达到最大迭代次数，求出最佳卸载模式、最佳计算资源分配以及最佳发射功率分配；所述步骤S101具体包括：步骤S1011：在LEO卫星MEC网络模型中，LEO卫星覆盖区域内有若干任务设备，具有一定计算能力的地面任务设备可选择本地处理计算任务、将计算任务全部卸载到LEO卫星进行边缘计算、通过LEO卫星回程传输将计算任务进一步卸载到云服务器处理；步骤S1012：定义任务集合为I＝{1,2,...N}，并且每个任务设备都有一个需执行的计算任务Ti＝{Wi,Ci}i∈N，其中Wi表示计算任务的数据大小，以字节为单位，Ci表示计算任务所需的计算资源量，即CPU周期数；步骤S1013：定义O＝{L,LEO,C}为任务设备可选择的卸载模式；定义模式选择因子为其中当取值为1时，分别表示任务设备将任务在本地进行计算、在LEO卫星MEC服务器进行计算、在云服务器进行计算；所述步骤S102具体包括：步骤S1021：在卫星覆盖区域内的任务设备采用正交频分复用方式通过ka频段将计算任务传输到LEO卫星，则星地链路的上行传输速率为： 其中，pi表示任务设备i的发射功率，B为星地链路的上行带宽，为任务设备与LEO卫星之间的信道增益，σ2为背景噪声功率；步骤S1022：当任务设备选择在本地进行计算时，任务在本地计算所需的执行时延为： 本地计算所需的能耗为： 其中，定义fiL为任务设备i的本地计算能力，κ是芯片的能耗系数；本地计算时的用户开销为：其中且和分别表示时延和能耗对任务设备i的相对权重；步骤S1023：当任务设备选择在LEO卫星MEC服务器进行卸载计算时，任务卸载时的上传时延为： 任务卸载到LEO卫星的传播时延为： 其中，表示任务设备i与LEO卫星之间的距离，c为光速；LEO卫星MEC服务器为每个卸载任务分配的计算资源定义为fim，则卫星边缘计算任务时延为： 任务卸载到LEO卫星MEC服务器并计算所需的总时延为： 对于任务设备卸载能耗，表示为传输能耗选择在LEO卫星MEC服务器进行卸载计算时的用户开销为：步骤S1024：当任务设备选择云服务器进行卸载计算时，将任务上传到LEO卫星之后通过回程传输到云服务器上进行计算；任务卸载时的上传时延为： 任务卸载到LEO卫星的传播时延为： LEO卫星到云服务器的传播时延为： 其中，dS,C表示LEO卫星与云服务器之间的距离，c为光速；假设计算任务通过核心网传输至云服务器的时延为常数，定义为tcloud；云服务器为每个卸载任务分配的计算资源定义为fiC，则云服务器处理时延为： 则任务卸载到云服务器所需的总时延为： 对于任务设备卸载能耗，表示为传输能耗选择在云服务器进行卸载计算时的用户开销为：步骤S1025：建立优化问题为： 其中，FLEO为LEO卫星MEC服务器的最大计算资源，Pi,max为任务设备的最大发射功率，Vio为每个任务设备选择不同卸载模式时对应的开销；所述步骤S103中，将卸载模式选择构建为一个势博弈过程，求出卸载决策和资源分配方案的具体步骤包括：步骤S1031：对于系统模型中在LEO卫星覆盖区域内的任务设备有三种卸载模式选择，当已给定系统内区域其他任务设备的卸载方式时，任务设备i以自身用户开销最小为目标选择卸载模式；在给定任务设备的发射功率下，卸载模式的选择问题表示为：将卸载模式选择构建为一个博弈其中N表示博弈G的参与者，即系统内在LEO卫星覆盖区域内的任务设备；为i∈N的策略空间，即卸载模式；Vi表示参与者的用户开销函数；步骤S1032：当系统内任务的卸载策略以及功率选择确定后，针对选择LEO卫星MEC卸载模式的任务设备，优化问题表示如下： 构建上式优化问题的拉格朗日函数： 其中，β表示非负的拉格朗日乘子；并通过KKT条件得到任务设备i在确定LEO卫星MEC卸载模式和发射功率下的计算资源分配fim；所述步骤S104中，求解任务设备发射功率分配的具体步骤如下：对于系统内的任务设备，当给定卸载模式选择和资源分配方案时，优化问题表示为： 通过二次变换方法将优化问题等价为： 其中，yi是引入的辅助变量；在第q次迭代时，计算公式为： 其中，Yi是两个凸函数的减法形式，通过对原优化问题进行二次变换为凸差问题，求解变换后的功率分配优化问题得到给定卸载模式选择和资源分配下的任务设备发射功率pi。

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