利索能及
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专利号: 2022102866910
申请人: 重庆邮电大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-04-09
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种时延与能耗折衷的边缘计算方法,其特征在于:在兰道尔原理下建立系统动态能耗优化模型,包括以下步骤:S1:确定一个多核单MEC服务器多用户的边缘网络系统,将整个时间段划分成多个时隙,用户设备在每个时隙开始产生服从泊松过程的任务数据包;

S2:构造本地侧模型:利用兰道尔原理建立任务在本地执行和卸载传输的热功耗模型,考虑用户设备计算能力的限制以及温度安全保护机制,为不能及时处理的本地计算任务和卸载传输任务建立排队等待队列,并且在每个时隙的开始更新任务队长;

S3:构造边缘计算模型:当任务卸载到边缘服务器时,根据任务所需频率最小原则调度MEC服务器的计算资源为用户提供服务,统计调用MEC核的总CPU周期数建立边缘计算能耗模型;为不能及时处理的卸载任务建立排队队列,在每个时隙的开始更新任务队长;

S4:确定优化目标:建立任务长期平均时间处理能耗最小优化目标,考虑到任务产生的随机性以及信道的时变特性,采用李雅普诺夫优化理论在线优化任务卸载决策和资源分配策略;

S5:获得任务卸载和资源分配策略:将原始优化问题拆分为任务卸载决策以及计算、传输资源分配子问题,分别求解相应的子问题获得使系统能耗最小的优化策略,通过调节李雅普诺夫参数V均衡系统的能耗和时延。

2.根据权利要求1所述的时延与能耗折衷的边缘计算方法,其特征在于:所述步骤S2具体包括以下步骤:S21:初始化开始时隙本地任务等待处理队列Rk(t),本地处理的任务大小为智能设备的计算功率等于发热功率,本地任务处理大小与能耗的关系式定义为 其中,F0为加载晶体管逻辑门的数量,ω为激活因子,KAP为每bit‑23

逻辑操作数;Et=GLbound,Lbound=kBTenvln2为兰道尔极限,kB=1.38×10 为玻尔兹曼常数,Tenv表示环境温度,更新本地任务等待处理队列:+

其中Rk(t+1)为更新后的本地任务等待处理队列, 为分配给本地的任务量,[x] =max(x,0);

S22:初始化任务卸载传输队列,任务传输功率为 上行传输产生的芯片热功耗为其中φ和η分别为功率放大器到芯片的传热比、功率放大器的效率;

本地计算功耗和卸载传输产生的总热功耗为 智能设备的表面温度与任务处理热功耗、处理持续时间t的关系满足:其中,hair为空气对流换热系数,A为散热器的面积, cchip为芯片的比热,m为芯片质量,k1,k2分别为散热器和智能手机背板的导热系数;根据智能设备的安全保护机制Tsur(t)<Tsafe,有经过不等式转换得到下式:

其中,

S23:根据获得的卸载传输功耗 得到卸载任务传输的能耗为 其中τ表示每个时隙的长度,由香农公式得到信道传输容量 满足下式:2

其中,hk表示信道增益,σ为噪声功率,W为信道带宽,更新等待卸载传输的任务队列为:其中Uk(t)为等待卸载传输的任务队列,Uk(t+1)为更新后的等待卸载传输的任务队列。

3.根据权利要求1所述的时延与能耗折衷的边缘计算方法,其特征在于:所述步骤S3具体包括:MEC服务器总共有J个核,每个核的CPU计算频率最大值为 表示用户k在MEC第j个核上处理任务的计算频率,第k个用户在MEC上的计算任务量表示如下:其中,τ表示每个时隙的长度,ρ表示处理每bit任务所需的CPU周期数;MEC服务器计算消耗的总能量为 K为用户总数,ξm为取决于CPU硬件条件的参数;动态更新等待边缘处理的任务队列状态为:Hk(t)为等待边缘处理的任务队列状态,Hk(t+1)为更新后的等待边缘处理的任务队列状态, 为信道传输容量。

4.根据权利要求1所述的时延与能耗折衷的边缘计算方法,其特征在于:所述步骤S4具体包括:total

系统总能耗E (t)为:

m

其中 本地任务处理能耗, 卸载任务传输能耗,E (t)MEC服务器计算能耗;

确立系统的优化目标,在保证所有队列稳定的情况下最小化系统长期平均时间总能耗:P:

定义θ(t)=[Rk(t),Uk(t),Hk(t)]作为所有队列和虚拟队列的级联向量,李雅普诺夫函数定义为:在第t时隙的李雅普诺夫漂移函数由下式给出:ΔL(θ(t))=E{L(θ(t+1))‑L(θ(t))|θ(t)}李雅普诺夫漂移加惩罚项函数表示为:

total

ΔLV(θ(t))=ΔL(θ(t))+VE{E (t)θ(t)}其中,V为李雅普诺夫控制参数,用于平衡系统平均时间总能耗和队列长度;在任何控制算法下,对于所有t,所有θ(t)的可能值以及所有参数V≥0可推出李雅普诺夫漂移加惩罚项都遵循以下上界:其中,对于所有t,B为一个常数,满足以下式子:在优化过程中忽略常数B。

5.根据权利要求4所述的时延与能耗折衷的边缘计算方法,其特征在于:所述步骤S5具体包括:根据步骤S4获得的李雅普诺夫漂移加惩罚项的上界,将原始问题拆分为任务卸载决策以及计算、传输资源分配子问题,分别求解相应的子问题获得使系统能耗最小的优化策略,通过调节李雅普诺夫参数V均衡系统的能耗和时延,具体包括以下步骤:S51:任务分配决策子问题决定任务在本地执行和卸载执行的数据量,任务分配决策子问题表示如下:P1:

任务分配的最优解为:

S52:在每个时隙,考虑资源受限的用户设备;通过解决以下子问题来优化设备的资源调度:P2:

C2:

C3:

存在一个正的最优传输功率 满足以下式子,为小于 的最大值;

S53:通过求解以下子问题优化调度MEC服务器CPU核的最优频率:P3:

将问题P3分解为J个独立的子问题,对于每个CPU核,当该CPU核被用户占用时,导出如下:对 j,CPU核的最优频率通过以下公式解决:其中,

最后根据little公式,长时间平均时延通过下式获得: