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专利号: 2024102612449
申请人: 齐鲁工业大学(山东省科学院)
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2024-09-26
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于智能反射面的毫米波移动边缘计算系统时延优化方法,其特征在于,所述方法包括:步骤S1、构建智能反射面的毫米波移动边缘计算系统,所述系统包含有K个单天线的物联网设备,两个智能反射面IRS、边缘服务器以及毫米波基站;其中,单个智能反射面由智能反射单元和智能反射面控制器组成;边缘服务器与毫米波基站之间通过有线连接,其传输时延忽略不计;毫米波基站有N根天线,单个智能反射面有M个智能反射单元,智能反射单元通过阵列分布于智能反射面内,假设毫米波基站的天线和智能反射面单元处采用均匀线性阵列排列,等间距排列在同一直线;

步骤S2、根据步骤S1中的智能反射面和毫米波基站进行信道建模,构建3D 毫米波Saleh‑Valenzuela信道模型;

步骤S3、根据步骤S2中的信道模型,确定在计算卸载过程中物联网设备的上行传输速率;

步骤S4、根据步骤S3中的上行传输速率和部分卸载策略,确定最优计算卸载量以及最优上行传输速率。

2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S2构建的3D 毫米波Saleh‑Valenzuela信道模型中,毫米波基站和第g个智能反射面之间的信道增益 ,g的取值为1或2;其信道增益 的公式如下:;

其中, ,N为毫米波基站天线数量,M为单个智能反射面中智能反射单元数量; 和 分别为毫米波基站处接收天线增益与智能反射面的反射增益; 为智能反射面与毫米波基站之间的毫米波信道数量; 为第 条路的复增益; 为毫米波基站处到达角; 为智能反射面处离去角,其中,  ; 和为毫米波基站与智能反射面的阵列导向矢量,其中阵列导向矢量的函数表达式为 ,其中方向角;

物联网设备与第g个智能反射面之间的信道增益 ,其信道增益 的公式如下:;

其中, ; 为物联网设备发送的天线增益; 为物联网设备与智能反射面之间的毫米波信道数量; 为天线复增益; 为阵列导向矢量;

为物联网设备的第 条路径到达智能反射面的角度,其 ;

信道增益 和信道增益 中 表示视距路径LOS, 表示非视距路径NLOS。

3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S3包括:假设物联网设备发送信号为 ,其发送信号 服从复高斯分布 ,发送信号经过智能反射面后,毫米波基站处接收信号为 ,其公式如下:;

其中, 为智能反射面的对角相移矩阵,其公式为 ;理想状态 下智 能 反射 面 反 射幅 度 设置 为 1 ,反 射 相移 矢 量 为 ,其 公 式 为; 为信号传输过程中引入的加性高斯白噪声,其公式为 ; 为物联网设备的发射功率;

毫米波基站侧接收信号的信干比 ,其公式如下:;

其中, 为噪声功率;

在计算卸载过程中物联网设备进行上行传输,根据香农公式,上行传输速率为 ,其公式如下:;

其中, 为物联网设备上行传输带宽。

4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S4包括:物联网设备产生的计算任务量为 ,采用部分卸载策略,将卸载的计算任务量表示为,根据上行传输速率,则物联网设备本地计算时间 与边缘服务器计算时间 分别表示如下:, ;

其中, 为计算1bit数据需要的CPU周期数;

物联网设备通过毫米波信道将计算任务量 卸载至边缘服务器,则卸载上行传输时间为 ,其表示如下:;

物联网的数据量分别在物联网设备与边缘服务器中进行计算,当物联网设备产生需要计算的数据时,物联网设备总的计算时间取决于本地计算时间与边缘计算时间中的最大值,时间最大值决定物联网设备边缘计算完成时间,时间最大值表示如下:;

其中, 为物联网设备的数量; 为物联网设备计算频率; 为边缘计算频率;

优化移动边缘计算过程中计算卸载效率,优化目标为最小化系统时延,则优化问题表述如下:;

其中,C1限制表示智能反射面的相位约束,其中,其表示连续集合; 表示离散相位集合;C2限制,C3限制分别表示智能反射面与边缘服务器计算频率约束,C4限制表示物联网设备的发射功率,C5限制表示物联网设备卸载数据量约束;

在固定物联网设备发射功率、智能反射面反射系数、物联网设备计算频率和边缘服务器计算频率时,目标优化函数为最小化计算时延;当 时,目标优化函数达到最优,此时最优计算卸载量 表示如下:;

优化上行传输速率即为优化智能反射面系数与物联网设备发射功率;记录信干比,则优化问题表述如下:;

其中,P为物联网设备的发射功率;

通过拉格朗日对偶变换处理上述优化问题,引入辅助变量 ,其表述如下:;

在每次迭代过程中,通过 ,确定 ;

当 给定 时,优化 的函数表述如下:;

在 确定时,优化P,将 代入 ,则优化问题表述如下:;

通过二次变换QT,引入辅助变量 优化物联网设备的发射功率P,其优化问题表述如下:;

在每次迭代过程中,通过 ,确定最优物联网设备上行传输带宽 ,其公式如下:;

为凸问题,通过拉格朗日乘子获得物联网设备的最优发射功率 ,其公式如下:;

其中, 为N维的单位矩阵; 的共轭转置矩阵为 ;通过二分法获得拉格朗日乘子,其中 ;

对智能反射面相位进行数学改写,其公式如下:;

智能反射面相位优化问题表示如下:;

记智能反射面相位 ,通过二次变换QT,引入辅助变量,并得到辅助变量 的最优解,其公式如下:;

当给定最优解 时,优化问题转换如下:;

其中, , ;

将 去掉常数项,则优化问题表述如下:;

为凸优化问题,通过拉格朗日对偶分解对 进行求解,拉格朗日对偶公式如下:;

通过 ,优化智能反射面相位 ,得到最优化智能反射面相位 ,其公式如下:;

其中, ; 为智能反射单元总数量。

5.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质包括存储的程序,其中,在所述程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在执行权利要求1至4中任一项所述的基于智能反射面的毫米波移动边缘计算系统时延优化方法。

6.一种电子设备,其特征在于,包括:一个或多个处理器;存储器;以及一个或多个计算机程序,其中所述一个或多个计算机程序被存储在所述存储器中,所述一个或多个计算机程序包括指令,当所述指令被所述设备执行时,使得所述设备执行权利要求1至4中任一项所述的基于智能反射面的毫米波移动边缘计算系统时延优化方法。