基于用户协作的无源边缘计算系统资源分配优化方案研究

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近年来,随着物联网技术的迅猛发展,无线终端设备的电池寿命短以及计算能力低等问题日益凸显。最近无线能量传输技术和移动边缘计算技术的发展为这些问题提供了很好的解决方案,基于这些技术的无源边缘计算系统不仅可以实现为无线设备进行远距离持续供能,还能通过边缘服务器分担终端设备的计算任务,提高系统的计算能力。然而,无源边缘计算系统也面临诸多技术挑战,如射频信号路径损耗的“双近邻效应”带来的用户采集能量低、通信性能不公平的问题,以及各向异性系统中有限的计算和通信资源对计算性能的限制。尤其是在用户存在电池能量、计算能力、信道状态等差异的情况下,如何有效地分配系统资源从而兼顾网络整体计算效率和用户公平性这一问题也极为重要。在多用户的系统中,引入用户协作的机制是解决系统中用户公平性问题的一个重要方法。但现有的用户协作机制仅仅基于传统的通信协作或者计算协作,无法全面有效地利用整体的系统资源从而达到最优的系统性能。在本文中,我们主要研究了无源边缘计算网络中一种新型的用户协作模型。在该模型中,我们考虑将能量节点与服务器节点分开放置,一对分布式终端用户首先从能量节点获取能量,然后利用所收集的能量完成任务卸载和本地计算。值得注意的是,我们考虑其中一个用户与服务器节点无法直接通信,需要通过另一个用户中继协助完成任务卸载,即通信协作。此外作为中继节点的用户由于具备较多的资源,除了执行自身的计算任务还能协助另一个用户完成计算任务,即计算协作。本文以无线供电边缘计算为研究主体,重点关注了两个用户之间计算与通信的联合协作机制设计与资源分配优化。基于系统模型我们提出了求解用户计算速率加权和最大值的问题,我们的目标是通过优化系统资源分配,使系统计算速率达到最大。由于该问题是一个非凸优化问题,并且所涉及的优化变量较多,因此在本文中我们首先通过凸变换进行转化,然后运用一维搜索算法对特定变量在已知区间内搜索得到最优解进而利用凸优化工具进行求解。最后仿真结果表明,本文提出的联合协作机制对比其他的协作方法具有明显优势。
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