一种无线供能边缘计算网络的资源分配方法

1.本技术属于无线供能技术领域，尤其涉及一种无线供能边缘计算网络的资源分配方法。


背景技术：

2.物联网的发展使得新兴应用中人机交互越来越多，包括智能家居、自动驾驶等。许多新型高性能的应用程序依赖于实时通信和大量计算，但物联网节点通常电量有限、计算能力低，无法支持高性能计算应用，因此，解决这两个限制是提高物联网应用性能的关键问题之一。
3.基于射频的无线电力传输技术(wpt)为解决物联网网络中能源短缺的问题提供了一种可行的方法，移动边缘计算技术(mec)可以为计算能力低的物联网节点提供高性能的计算服务，无线供能边缘计算网络(wp-mec)可以解决物联网网络中能源短缺和计算能力限制的问题。具体来说，能量发射器和边缘计算服务器被部署在网络边缘，无线设备通过捕获射频能量，依靠收集的能量，将计算任务卸载到边缘计算服务器上，并在本地计算其余任务。无线能量传输与移动边缘计算的结合实现了可持续的网络运行，显著延长了无线网络的寿命，并且增强了无线边缘设备的计算和通信能力。
4.在边缘计算网络中，需要考虑无线设备的卸载策略，如在一个时间帧内的通信时间分配等，这将导致一个网络是否高效。其中每个物联网无线设备都遵循部分卸载策略，即任务是可以划分的，一部分任务在无线设备本地执行，另一部分任务卸载到边缘服务器进行计算。而评估一个网络是否高效也有很多指标，如最小时延，最大速率等。
5.目前大部分无线供能边缘计算网络的时间分配方法大多使用传统优化方法，但其通常求解过程是复杂的，需要通过多次迭代才能得到最优解，会消耗很多时间，这对于需要高性能计算服务的应用是难以接受的。


技术实现要素：

6.本技术的目的是提供一种无线供能边缘计算网络的资源分配方法及装置，用于克服以上技术难点，达到较高的计算速率。
7.为了实现上述目的，本技术技术方案如下：
8.一种无线供能边缘计算网络的资源分配方法，所述无线供能边缘计算网络包括无线设备和网关，所述网关包括射频能量发射器和边缘计算服务器，所述无线供能边缘计算网络的资源分配方法，包括：
9.步骤s1、按照设定的步长，从供能时长比例的取值范围中，依次选取当前供能时长比例，进行如下的迭代，确定当前供能时长比例情况下各无线设备用于任务卸载通信的能量比例和任务卸载通信时长比例；
10.步骤s1.1、从无线供能边缘计算网络选择一个第一无线设备，初始化所述第一无线设备用于任务卸载通信的能量比例的范围；
11.步骤s1.2、将所述第一无线设备用于任务卸载通信的能量比例x1设置为所述范围上限值与下限值的均值，根据如下公式计算任意其他无线设备用于任务卸载通信的能量比例：
[0012][0013]
其中，x1为第一无线设备用于任务卸载通信的能量比例，xi为第i个无线设备用于任务卸载通信的能量比例，h1为第一无线设备的信道增益，hi为第i个无线设备的信道增益；
[0014]
步骤s1.3、根据如下公式计算无线设备任务卸载通信时长比例：
[0015][0016]
其中，ti为第i个无线设备任务卸载通信时长比例，b为无线通信带宽，φ是无线设备本地处理一比特任务所需的cpu周期数，ke是无线设备的计算能效系数，n0是噪声功率，a为供能时长比例，μ是能量捕获效率，p是射频能量发射器的射频能量发射功率；
[0017]
步骤s1.4、在大于搜索精度ξ时，若则以x1为第一无线设备用于任务卸载通信的能量比例的范围的上限值，更新第一无线设备用于任务卸载通信的能量比例的范围并返回步骤s1.2，否则以x1为第一无线设备用于任务卸载通信的能量比例的范围的下限值，更新第一无线设备用于任务卸载通信的能量比例的范围并返回步骤s1.2，在小于等于搜索精度ξ时，计算无线供能边缘计算网络总计算速率，结束迭代；
[0018]
步骤s2、选取所述无线供能边缘计算网络总计算速率最大时的供能时长比例，设置所述射频能量发射器对无线设备在每个时间帧开始时进行无线供能；配置每个无线设备在每个时间帧内以所选取的供能时长比例对应的任务卸载通信时长和能量分配比例进行任务卸载通信，配置每个无线设备在每个时间帧内以剩余能量进行本地任务计算。
[0019]
进一步的，所述计算无线供能边缘计算网络总计算速率，公式如下：
[0020][0021]
其中，n为无线设备的数量。
[0022]
进一步的，所述各个无线设备通过时分复用的方式来进行任务卸载通信。
[0023]
进一步的，所述供能时长比例的取值范围为[0,1]，步长为0.01。
[0024]
本技术提出的一种无线供能边缘计算网络的资源分配方法，相比于传统的优化方法，在使用tdma的通信方式和部分卸载模式的无线供能边缘计算网络中，可以解决一个复杂的非凸问题，能够快速计算出部分卸载的能量分配和时间分配方案，同时也得到较高的网络计算速率。
附图说明
[0025]
图1为基于tdma的无线供能边缘计算网络示意图；
[0026]
图2为本技术无线供能边缘计算网络的资源分配方法流程图。
具体实施方式
[0027]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0028]
如图1所示，无线供能边缘计算网络包括无线设备和网关，网关包括射频能量发射器和边缘计算服务器，射频能量发射器用于为无线设备供能，边缘计算服务器用于计算从无线设备卸载的任务。
[0029]
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种无线供能边缘计算网络的资源分配方法，包括：
[0030]
步骤s1、按照设定的步长，从供能时长比例的取值范围中，依次选取当前供能时长比例，进行如下的迭代，确定当前供能时长比例情况下各无线设备用于任务卸载通信的能量比例和任务卸载通信时长比例。
[0031]
本实施例以一个网关和10个无线设备构成的无线供能边缘计算网络为例进行说明。网关集成了射频能量发射器和边缘计算服务器，无线设备的任务计算是基于时间帧来工作的，t是一个时间帧的长度。
[0032]
在每一个时间帧的开始，网关给10个无线设备进行无线供能，无线供能时长为a倍的帧长，即供能时长为at，0《a《1，a为供能时长比例。
[0033]
第i个无线设备捕获到的能量表示为ei＝μphiat，其中μ是能量捕获效率，p是射频能量发射器的射频能量发射功率，hi是第i个设备在当前时间帧下的信道增益，i∈{1,2,
…
,10}，h＝[h1,h2,
…
,h
10
]表示在一个时间帧内10个无线设备的信道增益。
[0034]
本实施例中，在每一时间帧内，第i个设备用(1-xi)ei的能量进行t时长的本地计算，用x
i ei的能量用于任务卸载通信，xi是用于任务卸载通信的能量比例，1-xi是用于本地计算的能量比例。
[0035]
在每一时间帧里开始at用来供能，剩余的时长(1-a)t内，10个设备使用一部分捕获能量基于无线通信来进行任务卸载，10个设备的任务卸载通信是基于时分复用的方式，第i个无线设备用x
iei
的能量来进行任务卸载通信，10个无线设备的卸载能量分配比例为x＝[x1,x2,
…
x
10
]，第i个设备的通信时长为ti倍的帧长，10个无线设备的通信时长为t＝[t1t,t2t,
…
t
10
t]。
[0036]
本实施例供能时长比例的取值范围为[0,1]，步长为0.01。供能时长比例按0.01的步长在[0,1]中取值，即供能时长比例a的不同取值为0.01,0.02,
…
,0.99。所采用的步长可以根据实际情况来设定为其他值，例如0.02等。
[0037]
在确定当前供能时长比例情况下，各无线设备用于任务卸载通信的能量比例和任务卸载通信时长比例，通过如下步骤进行计算：
[0038]
步骤s1.1、从无线供能边缘计算网络选择一个第一无线设备，初始化所述第一无线设备用于任务卸载通信的能量比例的范围。
[0039]
例如，初始化第1个无线设备的传输任务能量分配比例x1的范围，x
1max
表示x1的上限值，将其初始化为x
1max
＝1，x
1min
表示x1的下限值，将其初始化为x
1min
＝0。
[0040]
步骤s1.2、将所述第一无线设备用于任务卸载通信的能量比例x1设置为所述范围上限值和下限值的均值，根据如下公式计算任意其他无线设备用于任务卸载通信的能量比例：
[0041][0042]
其中，x1为第一无线设备用于任务卸载通信的能量比例，xi为第i个无线设备用于任务卸载通信的能量比例，h1为第一无线设备的信道增益，hi为第i个无线设备的信道增益。
[0043]
本实施例初始化x1取值为
[0044]
根据得到xi的值，其中i∈{2,3,
…
,10}，从而可以得到各个无线设备用于任务卸载通信的能量比例。
[0045]
步骤s1.3、根据如下公式计算无线设备任务卸载通信时长比例：
[0046][0047]
其中，ti为第i个无线设备任务卸载通信时长比例，b为无线通信带宽，φ是无线设备本地处理一比特任务所需的cpu周期数，ke是无线设备的计算能效系数，n0是噪声功率，a为供能时长比例，μ是能量捕获效率，p是射频能量发射器的射频能量发射功率。
[0048]
将上述参数带入公式，可以求得各个无线设备任务卸载通信时长比例。
[0049]
步骤s1.4、在大于搜索精度ξ时，若则以x1为第一无线设备用于任务卸载通信的能量比例的范围的上限值，更新第一无线设备用于任务卸载通信的能量比例的范围并返回步骤s1.2，否则以x1为第一无线设备用于任务卸载通信的能量比例的范围的下限值，更新第一无线设备用于任务卸载通信的能量比例的范围并返回步骤s1.2，在小于等于搜索精度ξ时，计算无线供能边缘计算网络总计算速率，结束迭代。
[0050]
本实施例无线设备的数量为n，在设定搜索精度ξ的情况下，通过如上判断，在大于搜索精度ξ时，则更新第一无线设备用于任务卸载通信的能量比例的范围，继续返回步骤s1.2重新计算。
[0051]
具体的，如果则设置x
1max
＝x1，返回步骤s1.2，再次计算各个无线设备用于任务卸载通信的能量比例和任务卸载通信时长比例。如果则设置x
1min
＝x1，返回步骤s1.2，再次计算各个无线设备用于任务卸载通信的能量比例和任务卸载通信时长比例。
[0052]
直到小于等于搜索精度ξ时，计算无线供能边缘计算网络总计算速率，结束迭代。
[0053]
步骤s2、选取所述无线供能边缘计算网络总计算速率最大时的供能时长比例，设置所述射频能量发射器对无线设备在每个时间帧开始时进行无线供能；配置每个无线设备在每个时间帧内以所选取的供能时长比例对应的任务卸载通信时长和能量分配比例进行任务卸载通信，配置每个无线设备在每个时间帧内以剩余能量进行本地任务计算。
[0054]
对于任意一个选取的供能时长比例a，都可以计算出无线供能边缘计算网络总计算速率，以及对应的各无线设备用于任务卸载通信的能量比例和任务卸载通信时长比例。最后选取总计算速率最大时的供能时长比例，及其对应的各无线设备用于任务卸载通信的能量比例和任务卸载通信时长比例，作为无线边缘计算网络的参数进行工作。
[0055]
具体的，以所选取的供能时长比例来设置所述射频能量发射器对无线设备在每个时间帧开始时进行无线供能，在当前时间帧开始后的供能时长at内，属于供能时间，射频能量发射器对无线设备进行无线供能。
[0056]
配置每个无线设备在每个时间帧内以所选取的供能时长比例对应的任务卸载通信时长和用于任务卸载通信的能量比例进行任务卸载通信。配置每个无线设备在每个时间帧内以剩余能量进行本地任务计算。
[0057]
本技术根据计算得到的供能时长、每个无线设备任务卸载通信时长和所占用的能量分配比例，进而配置无线供能边缘计算网络进行工作。
[0058]
每个无线设备按照计算得到的任务卸载通信时长，进行任务卸载。所有无线设备通过时分复用的方式来进行任务卸载通信，第i个无线设备的通信时长为tit。并且以计算得到的用于任务卸载通信的能量比例来进行能量分配，第i个无线设备用x
iei
的能量来进行任务卸载通信。
[0059]
每个无线设备还进行本地任务的计算，在整个时间帧内，都可以用剩余能量进行本地任务计算，第i个设备用(1-xi)ei的剩余能量进行t时长的本地计算。
[0060]
在一个具体的实施例中，对于某个给定的供能时长比例a，无线供能边缘计算网络总计算速率q(x,t)为：
[0061][0062]
其中，φ是无线设备本地处理一比特任务所需的cpu周期数，ke是无线设备的计算能效系数，b是无线通信带宽，n0是噪声功率；q(x,t)为一个关于xi、ti的凹函数，且要满足0≤ti≤1、和0≤xi≤1；采用内点法、拉格朗日对偶方法等已有求解凸优化问题的方法得到在给定a下的最大化q(x,t)的能量分配比例x和通信时长t。
[0063]
其中n为无线设备的数量，ti为第i个无线设备的任务卸载通信时长比例，第i个无线设备的通信时长为tit。xi是用于任务卸载通信的能量比例。
[0064]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并
不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。