基于交替方向乘子算法的无人机支持物联网资源优化方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113163365A(43)申请公布日2021.07.23(21)申请号202110322863.0(22)申请日2021.03.26(71)申请人北京工业大学地址100124北京市朝阳区平乐园100号(72)发明人张延华赵铖泽李萌孙恩昌杨睿哲司鹏搏(74)专利代理机构北京思海天达知识产权代理有限公司11203代理人沈波(51)Int.Cl.H04W4/44(2018.01)H04W24/02(2009.01)H04L29/08(2006.01)H04L9/32(2006.01)权利要求书7页说明书9页附图4页(54)发明名称基于交替方向乘子算法的无人机支持物联网资源优化方法(57)摘要本发明公开了基于交替方向乘子算法的无人机支持物联网资源优化方法，通过构建MEC系统模型、区块链系统模型，联合考虑计算卸载决策、频谱资源分配和计算资源分配，以实现MEC系统能耗和区块链系统计算延迟的最佳权衡作为优化目标，对网络场景进行建模。通过交替方向乘子算法对模型进行迭代，实现场景内的资源最优调度。本发明面向无人机支持的物联网场景，克服了物联网数据安全、无人机算力不足、资源分配不合理等造成系统能耗过高和计算时延过长等问题。仿真实验表明，本发明提出的基于交替方向乘子算法的无人机支持物联网资源优化方法实现了MEC系统能耗和区块链系统计算延迟的最佳权衡，在提升数据安全和降低系统能耗、计算时延方面具有一定的优势。CN113163365ACN113163365A权利要求书1/7页1.基于交替方向乘子算法的无人机支持物联网资源优化方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：步骤一，将构建的无人机支持的物联网系统初始化，设定无人机数量、物联网设备数量和基站数量，并确定无人机、物联网设备、基站位置；步骤二，根据初始化条件并结合实际情况，计算MEC系统总能耗EM，包括数据卸载传输的总能耗Etr、无人机进行数据计算的总能耗和基站进行数据计算的总能耗步骤三，根据初始化条件并结合实际情况，计算区块链系统的计算成本Gd，从而得到区块链系统的计算时延Td；步骤四，结合场景和优化目标，构建系统模型优化问题；步骤五，对问题进行转换和分解，对MEC系统的资源分配问题采用基于ADMM的分布式优化算法对其求解；首先推导出具有全局一致约束的增广拉格朗日量，其次进行变量和拉格朗日乘子的迭代和更新；步骤六，对区块链系统节点的CPU周期频率进行优化。2.根据权利要求1所述的基于交替方向乘子算法的无人机支持物联网资源优化方法，其特征在于：步骤一中，通信场景中存在M个物联网设备，在三维笛卡尔坐标系下，把O定义为所有物联网设备的几何中心，每个物联网设备的位置表示为(xm,ym,0),m∈M＝{1,2,...,M}；其中xm，ym为物联网设备的x轴和y轴坐标；无人机共有N架，其位置表示为(xn,yn,h),n∈N＝{1,2,...,N}，其中xn，yn，h为无人机的x轴、y轴和z轴坐标；第n架无人机悬停的时间为Tn秒；另外，基站的位置固定，表示为(xb,yb,0)，其中xb，yb为BS的x轴和y轴坐标。3.根据权利要求2所述的基于交替方向乘子算法的无人机支持物联网资源优化方法，其特征在于：步骤二中，在MEC系统中，物联网设备、无人机与基站之间进行数据的传输与计算；具体步骤如下：步骤(2.1)，无人机将收集到的相关物联网数据卸载到基站，将amn∈{0,1},定义为无人机的计算卸载决策；第n架无人机到基站的的信道功率增益为其中为第n架无人机与其相关基站的距离，h0为距离时的信道增益；设B为总2信道带宽，为第n架无人机的传输功率；σ为噪声功率，emn∈[0,1]，表示基站分配给计算任务的无线电频谱的百分比；那么从第n架无人机到其相关基站的数据传输速率表示为设Dmn表示第m个物联网设备传输给第n个无人机的数据量，第n架无人机到其相关基站的数据传输时延表示为2CN113163365A权利要求书2/7页数据卸载传输的总能耗Etr为其中，为计算任务的无人机频谱效率；步骤(2.2)，无人机选择将收集到的物联网设备数据自己处理时，设Cmn为完成计算任务所需的CPU周期总数，为第n架无人机的计算能力(即每秒CPU周期)，求得第n架无人机计算第m个物联网设备的数据的执行时间为无人机进行数据计算的总能耗为‑26n其中，ln＝10为有效开关电容，γ＝3是一个正常数；步骤(2.3)，无人机选择将数据卸载到基站MEC服务器进行计算时，设F为一个MEC服务器的总计算能力，BS分配给第m个物联网设备的计算资源的百分比为kmn∈[0,1]，因此，MEC服务器计算第m个物联网设备的数据的执行时间为BS进行数据计算的总能耗为得到整个MEC系统消耗的能量EM为4.根据