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专利号: 2024113794135
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:

1.一种星地融合端边云协同的计算卸载方法,其特征在于,包括以下步骤:S1:构建星地融合端边云协同的网络模型,计算地面、星地链路传输速率;

S2:采用功能模块细分策略将任务拆分为若干个子任务;

S3:定义先后、并行和选择依赖关系,将链表与有向无环图结合,构建串行、并行及混合型任务依赖关系模型;

S4:根据节点卸载策略和链路传输速率,定义串行、并行及混合型任务完成时延;

S5:采用完全卸载策略计算边缘计算、云计算及卫星节点的任务完成时延,生成基于任务可卸载节点的任务完成时延列表;

S6:根据用户和卫星间距离和俯仰角,计算卫星覆盖弧长和剩余覆盖时间;

S7:在卫星剩余覆盖时间、节点计算能力和链路卸载带宽的多重约束下,提出基于任务完成时延的实数编码遗传算法来寻找计算任务的最佳卸载点,进而形成最小化任务完成时延的计算卸载策略;

所述步骤S4中串行、并行及混合型任务完成时延为:传播时延、传输时延以及处理时延分别为:

其中,f表示边缘计算、云计算、卫星服务器的计算能力,即服务器可以提供的CPU周期数,R表示不同链路中的传输速率,d表示用户终端到服务器的距离,qk表示任务yk本身的数据量,wk表示处理任务yk时所需的计算量;c表示信号在光纤中的传播速度;R表示不同链路中的传输速率;

单个任务完成时延为:

tran prop proc

T=T +T +T     (4)

第k个串行任务的完成时延为:

第k个并行任务的完成时延为

其中, 表示任务yk中计算量最大值, 表示任务yk中数据量最大值;

第k个混合型任务的完成时延应为:

其中, 表示为任务yk第n个子任务所需的计算量,即计算任务所需的周期数,∩表示交集, 表示任务yk中存在依赖关系且计算量最大的子任务,us表示任务yk中子任务数量;

所述步骤S5中串行、并行及混合型任务卸载到边缘计算、云计算及卫星的完成时延为:任务yk卸载策略用向量 来表示, 分别表示任务yk卸载到地面边缘计算服务器、云计算服务器、卫星及星上边缘计算服务器的卸载二进制决策变量;如果 表示用户终端将任务卸载到地面边缘服务器;如果 表示用户终端将任务卸载到云计算服务器;如果 表示用户终端将任务卸载到卫星;如果 表示用户终端将任务卸载到星上边缘计算服务器;

(1)串行、并行及混合型任务卸载到地面边缘计算服务器上完成时延为:其中, 为地面边缘服务器的计算能力, 为用户终端与地面边缘计算服务器之间的距离, 为用户终端与地面边缘计算服务器之间的传输速率;

(2)串行、并行及混合型任务卸载到云计算服务器上完成时延为:其中, 为云计算服务器的计算能力, 为用户终端与云计算服务器之间的距离,为用户终端与云计算服务器之间的传输速率;

(3)串行、并行及混合型任务卸载到卫星上完成时延为:其中,fm为卫星的计算能力,di,m为用户终端与卫星之间的距离,Ri,m为用户终端与卫星之间的传输速率;

(4)当卫星因计算资源有限无法处理时,将部分边缘计算上星,因此,串行、并行及混合型任务卸载到星上边缘服务器的完成时延为:其中, 为星上边缘计算服务器的计算能力;

所述步骤S6中卫星剩余覆盖时间和覆盖弧长为:(1)根据卫星和用户终端的相对位置,用户终端与卫星之间的俯仰角θi,m表示为:其中,hm表示用户设备与卫星轨道间的高度,Re表示地球的半径,di,m表示用户终端与卫星之间的距离, 表示卫星与穿过地心垂直于用户终端切线的直线之间的夹角;

(2)卫星覆盖区域对应的地心角ζ1表示为:(3)用户终端i与卫星之间最长通信时间表示为:其中,vi,m是LEO卫星的速度,L是卫星对用户设备的覆盖弧长,计算公式为:所述步骤S7中最小化任务完成时延的约束应为:其中, 分别表示地面边缘计算、云计算及星上边缘计算服务器的计算能力,fm表示卫星的计算能力, 分别表示用户终端与地面边缘计算、云计算及星上边缘计算服务器max链路的卸载带宽,B 为总卸载带宽,C1为卫星覆盖时间约束,C2、C3、C4和C5为节点计算能力约束,C6、C7、C8、C9、C10和C11为卸载带宽约束,C12为卸载决策变量约束条件。

2.根据权利要求1所述的一种星地融合端边云协同的计算卸载方法,其特征在于,所述步骤S1中计算地面、星地链路传输速率为(1)地面网络链路

1

链路使用频分复用,信道建模为瑞利信道,用户终端i分别与地面边缘计算j和云计算2

服务器j之间链路传输速率为:

其中, 分别为不同链路信道带宽, 为用户设备在不同地面网络链路的发射功率,N0为该链路的加性高斯白噪声的功率, 为不同链路的信道增益,其计算公式为:其中, 为信道系数,其计算公式为:

其中, 为瑞利随机变量,γ为路径损耗指数;

(2)星地上行链路

星地上行链路采用Ka频段进行通信,视距传输在上行链路中占主导地位,信道建模为莱斯信道,用户终端i与卫星m之间链路传输速率为:其中,Bi,m为星地上行链路的信道带宽,Pi,m为用户终端i在上行链路中的发射功率,Wi为用户终端i的天线增益,Gm为卫星m的接收天线增益,其计算公式为:2

Gm≈(4DRAfu/c)    (29)其中,DRA为卫星接收天线的直径,fu为上行链路载波频率,c为光速;

考虑自由路径损耗和雨衰对卫星信号传输质量的影响,上行链路的信道系数为:其中,ρi,m为莱斯随机变量, 为雨衰, 为自由路径损耗,其计算公式为:

3.根据权利要求1所述的一种星地融合端边云协同的计算卸载方法,其特征在于,所述步骤S3中先后、并行及选择依赖关系为:(1)先后依赖性关系:只有当前一个子任务完成并将数据传输给后一个子任务,后一个字任务才能继续执行;

(2)并行依赖性关系:任务具有多个分支并行子任务,子任务执行互不打扰;

(3)选择依赖行关系:任务在执行过程中,前一个子任务执行完成以后,即将执行的子任务会出现二选一或者多选一的情况发生。

4.根据权利要求1所述的一种星地融合端边云协同的计算卸载方法,其特征在于,所述步骤S3中任务依赖关系模型为:用户终端产生的任务用一个集合来表示,即 uy为任务数量;用户终端分割后的子任务用一个集合来表示,即 us代表任务子任务的数量;任务模型建模为一个四元组来刻画任务需求,即yk=(Sk,ξk,wk,qk);qk表示第k个任务本身的数据量,wk表示处理第k个任务时所需的计算量;同时, 表示子任务之间的依赖关系,当 时,表示子任务 和 之间没有依赖关系;当时,表示子任务 和 之间存在时序、数据或者时序和数据双重依赖;根据子任务是否存在时序、数据或者时序和数据双重依赖关系,采用链表和有向无环图结合方式,构建串行、并行及混合型任务依赖关系模型。