一种低轨卫星网络的任务卸载与计算资源分配方法及系统.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115022894A(43)申请公布日2022.09.06(21)申请号202210642430.8(22)申请日2022.06.08(71)申请人西安交通大学地址710049陕西省西安市咸宁西路28号(72)发明人王熠晨李沛萱王璋楠王弢王奕欣刘昊天(74)专利代理机构西安通大专利代理有限责任公司61200专利代理师王艾华(51)Int.Cl.H04W16/22(2009.01)H04W28/08(2009.01)H04W72/04(2009.01)H04B7/185(2006.01)权利要求书4页说明书18页附图3页(54)发明名称一种低轨卫星网络的任务卸载与计算资源分配方法及系统(57)摘要本发明公开了一种低轨卫星网络的任务卸载与计算资源分配方法及系统，为描述未来低轨卫星网络中的异构业务计算需求，根据融合边缘云与云边缘低轨卫星计算模型以及两类业务需求，建立任务卸载模型；并根据时延成本、能耗成本以及支付给计算平台的资金成本建立目标函数，得出优化问题；将优化问题建模为非合作博弈，通过构造势函数证明该博弈的均衡的存在性；并采用混合粒子群算法和求取解析解得到均衡，最终得出联合卸载决策与计算资源分配的最优策略；本发明考虑面向两类业务的融合边缘云与云边缘的低轨卫星边缘计算架构，解决实际边缘计算场景中任务异构的问题，实现资源利用最大化的同时，更大限度地降低终端开销。CN115022894ACN115022894A权利要求书1/4页1.一种低轨卫星网络的任务卸载与计算资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：针对面向云边缘任务和边缘云两类业务的融合的低轨卫星计算场景构建计算模型；所述计算场景采用集成计算平台，包括中心云服务器和一组边缘节点，边缘节点由边缘云和云边缘两部分构成，终端将任务卸载到平台进行处理，将时间划分为若干时隙，每个时隙的长度为τ，在每个时隙内，网络拓扑是准静态的，在时隙t内，设备终端集为I＝{1,2,...,i,...,I}，低轨卫星共有M颗，记为M＝{1,2,...,m,...,M}，每个终端均能与M颗低轨卫星建立通信链路，每颗卫星上部署一个边缘服务器，同时满足边缘云和云边缘两类任务的计算需求；对终端的任务卸载决策进行建模，每个终端均能够卸载到卫星边缘节点和通过卫星转发到中心云服务器两种卸载决策；结合边缘云任务和云边缘任务的不同需求，根据时延成本、能耗成本以及支付给计算平台的资金成本建立目标函数，得到优化问题；将所述优化问题建模为非合作博弈模型，通过构造势函数证明该博弈的均衡的存在性；采用混合粒子群算法和解析解得到均衡，最终得出联合卸载决策和计算资源分配的最优策略。2.根据权利要求1所述的低轨卫星网络的任务卸载与计算资源分配方法，其特征在于，所述边缘云任务为无需数据共享和时延敏感的任务，在边缘云类的边缘节点完成任务的全部处理；云边缘任务是需要数据共享，伴随着数兆数据量和数千兆计算量的业务，在云边缘类的边缘节点完成数据的预处理，然后转发至中心云服务器完成全部数据分析。3.根据权利要求1所述的低轨卫星网络的任务卸载与计算资源分配方法，其特征在于，所述终端只整合其周围传感器的数据，不进行本地计算，边缘云任务卸载到一个卫星边缘节点处理或通过卫星转发到中心云服务器进行处理；云边缘业务则通过无线信道卸载到卫星边缘节点进行预处理，然后将结果传输至中心云服务器进行更复杂的数据分析，或通过卫星直接转发至中心云服务器进行处理。4.根据权利要求1所述的低轨卫星网络的任务卸载与计算资源分配方法，其特征在于，边缘云任务的优化目标包含时延成本、能耗成本以及支付给计算平台的资金成本；边缘云任务i时延包含传播时延、传输时延、计算时延：其中，表示卫星m分配给终端i的计算资源，dm,c表示卫星m和云服务器之间的距离，ri表示从卫星m到云服务器的数据传输速率；终端i由于时延导致的成本为终端i的能耗为将数据发送到卫星m带来的能源消耗：由能耗导致的成本表示为终端i支付给计算平台的成本包含通信成本以及计算成本：2CN115022894A权利要求书2/4页在任一卫星计算边缘云业务的报价均为在云端计算边缘云业务，计算1cycle/s的报价为由卫星到云端每秒通信资源的报价为lec；终端i完成边缘云任务i的计算的总开销为：其中分别表示时延成本、能耗成本、计算平台成本对总开销的影响因子,云边缘任务的优化目标包含能耗成本和支付给计算平台的成本；边缘节点对云边缘任务进行数据的无损压缩，云边缘任务i占用卫星m的计算资源的时间ti,m为：对于任一卫星边缘节点，压缩1bit的数据所需计算量均为J个CPU周期，当前时隙任务的数据压缩仅在该时隙进行，经过卫星m的数据压缩处理，压缩后的数据量为：其中，表示卫星m分配给终端i的计算