[发明专利]基于蜂窝网联的无人机移动边缘计算系统能耗优化方法

权利要求书

1.基于蜂窝网联的无人机移动边缘计算系统能耗优化方法，其特征在于：所述无人机移动边缘计算系统包括一个无人机节点和一个地面蜂窝网通信基站，无人机节点有一定量的待处理数据比特，无人机节点按照指定路径、速度以及加速度飞行，在每一个飞行时刻，无人机节点将部分待处理数据发送给地面蜂窝网通信基站，地面蜂窝网通信基站对这些数据进行运算处理，建立三维空间直角坐标系(x,y,z)，z轴坐标表示空间的高度位置信息，地面蜂窝网通信基站的坐标w＝(x_w,y_w,H₁)^T，其中，(·)^T表示矩阵/向量转置，无人机节点有L个待处理数据信息比特，ρL个信息比特在无人机节点进行本地计算，(1-ρ)L个信息比特通过负载分流方式，在无人机节点飞行过程中先后传输给地面蜂窝网通信基站，地面蜂窝网通信基站对这些分流数据进行处理，其中，0≤ρ≤1表示信息比特分配因子，用于权衡无人机节点的本地计算与负载分流的数据量比例；无人机节点在三维空间中以固定高度H₂飞行，单次飞行时间为T，将该时间段分割为N+1个时隙，每个时隙宽度为δ，即T＝δ(N+1)；第n个时隙无人机节点的飞行参量包括：无人机位置坐标q[n]＝(x[n],y[n],H₂)^T，无人机飞行速度向量v[n]＝(v_x[n],v_y[n],0)^T，无人机加速度向量a[n]＝(a_x[n],a_y[n],0)^T，所述能耗优化方法包括以下步骤：

(1)根据数据信息比特运算处理能耗定义，建立无人机节点在时间长度T内处理数据比特时的能耗模型E^comp；

(2)建立无人机节点在单次飞行时间T内的飞行能耗模型E^fly；

(3)基于步骤(1)和步骤(2)中无人机节点的数据处理能耗和飞行能耗模型，以最小化无人机节点总能耗为优化目标，并考虑无人机节点飞行条件约束和基站能耗约束，建立关于无人机节点飞行参量和信息比特分配参量的数学模型并求解；

所述步骤(1)中无人机节点在时间长度T内处理数据比特时的能耗模型E^comp为：

其中，G表示无人机节点的硬件计算能力常数；

所述步骤(2)中建立的无人机节点在单次飞行时间T内的飞行能耗模型E^fly为：

其中，c₁和c₂是与无人机节点重量、机翼面积、空气密度等有关的正数常量因子，g表示重力加速度，表示无人机节点的动能变化量，若无人机节点的起止速度参数固定，则Δp为固定量，m表示无人机节点总重量，假设无人机节点起止速度相同，则Δp＝0；

所述步骤(3)建立的关于无人机节点飞行参量和信息比特分配参量的数学模型为：

C7:0≤ρ≤1

其中，q_I表示无人机节点起始位置，q_F表示无人机节点终止位置，V_max表示无人机节点最大飞行速度，a_max表示无人机节点最大加速度；L_u[n]表示第n时隙内无人机节点向基站发送比特数据的个数，数据处理延时为1个时隙，第n+1时隙基站处理L_b[n+1]个比特数据，表示飞行参量，表示数据比特分配参量，B表示信道带宽，P表示无人机节点的数据传输功率，且为固定值，σ²表示加性复高斯白噪声功率；d[n]表示第n时隙无人机节点到基站的距离，β₀表示距离为1m、信号发射功率为1W时的信道增益参考值，||·||-表示欧几里得范数，C1表示地面蜂窝网通信基站用于处理数据信息的最大能量约束值为E_total，C2表示在第n时隙内，信道带宽为B条件下，无人机节点的数据传输比特约束，C3表示比特级联约束，即各飞行时刻地面蜂窝网通信基站运算处理的信息比特数不超过无人机节点向其传输的信息比特数，C4表示无人机节点向地面蜂窝网通信基站传输的总信息比特数，C5表示地面蜂窝网通信基站所处理的分流的总信息比特数，C6表示无人机飞行参量间的关系约束，C7和C8表示优化参量的可行域边界约束条件。