[发明专利]一种边缘计算中能耗与时延和最小化的优化方法

权利要求书

1.一种边缘计算中能耗与时延和最小化的优化方法，其特征在于，边缘计算小区包括多个NOMA组和D2D对，其中，一个NOMA组包含多个蜂窝用户，且一个NOMA组中的蜂窝用户可同时在一个蜂窝信道上传输数据；一个D2D对包含一个任务发送用户和一个任务执行用户，任务发送用户通过一个蜂窝信道传输数据至任务执行用户；

所述方法包括以下步骤：

步骤10)对边缘服务器进行初始化操作，并定义用户能耗与时延和；

步骤20)计算所有NOMA组中蜂窝用户的最优功率，并随机选择N个NOMA组；

步骤30)利用边缘服务器随机一对一匹配N个NOMA组与D2D对，并计算效用函数；

步骤40)利用边缘服务器执行预交换操作；

步骤50)利用边缘服务器计算效用函数，判断是否满足交换条件，若满足，则执行交换操作，并返回步骤40)，寻找新的进行预交换操作的两个D2D对；若不满足，则判断是否存在可执行预交换操作的D2D对，若不存在，则结束迭代，若存在，则返回步骤40)；

所述步骤10)包括：

步骤101)进行初始化操作：设置粒子群算法的种群数量N_pop和最大迭代次数N_iter；设置迭代循环次数cn；

步骤102)定义用户能耗与时延和：

第m个NOMA组中第j个蜂窝用户的信干噪比如式(1)所示：

其中，表示的发射功率；表示第m个NOMA组中第j个蜂窝用户；表示与基站之间的信道增益；K_m表示边缘计算小区NG_m中的蜂窝用户数，NG_m表示第m个NOMA组；表示的发射功率；表示第m个NOMA组中第l个蜂窝用户；表示与基站之间的信道增益；N表示边缘计算小区中D2D对的数量；α_mn表示二进制信道分配决策变量，若α_mn＝1，则表示NG_m与D_n共享同一子信道，并且每个D2D对当且仅当与一个NOMA组共用一个子信道；若α_mn＝0，则表示NG_m与D_n不共享子信道；D_n表示第n个D2D对；p_n表示D_n中任务发送用户的发射功率；g_nB表示D_n中D2D任务发送用户与基站之间的信道增益；σ²表示背景噪声功率；

D_n中任务发送用户的信干噪比Γ_n，如式(2)所示：

其中，g_nn表示D_n中两用户之间的信道增益；表示与D_n中任务执行用户之间的信道增益；

设边缘计算小区中的NOMA组的数量为M，且每个NOMA组占用一个子信道，子信道带宽为B；的能耗和D_n中任务发送用户的能耗E_n，如式(3)所示：

其中，表示中任务发送用户的任务数据量，L_n表示D_n中任务发送用户的任务数据量；

中任务发送用户的时延和D_n中任务发送用户的时延T_n，如式(4)所示：

其中，表示执行蜂窝用户的任务所需要的CPU转数，F_BS表示基站分配给蜂窝用户的计算速率，C_n表示执行D_n中任务发送用户的任务所需要的CPU转数；F_n表示D_n中任务执行用户分配给任务发送用户的计算速率；

根据公式(3)和(4)，定义用户能耗与时延和cost，如式(5)所示：

其中，cost表示边缘计算小区中所有蜂窝用户与D2D用户的能耗与时延之和，ω表示能耗的权重，(1-ω)表示时延的权重；

所述步骤20)包括：

步骤201)令m＝1+q₁；m表示当前进行优化的NOMA组的序号；q₁表示步骤207)返回步骤201)的次数，q₁的初始值为0；

步骤202)进行初始化操作：令sn＝K_m，表示当前NG_m中的优化用户是第K_m个用户；令f_ind＝1，f_ind表示初始化指示标志；若f_ind＝1，则表示进行了初始化操作；若f_ind＝0，则表示没有进行初始化操作；

步骤203)将第m个NOMA组中第sn-q₃个用户确定为优化用户，q₃表示步骤205)返回步骤203)的次数，q₃的初始值为0；若f_ind＝1，则设定NG_m中被优化用户和其他用户的发射功率均为最大值，且令f_ind＝0；若f_ind＝0，其他用户的功率为上次迭代结束时的值；

步骤204)在其它用户功率固定的条件下，利用粒子群算法搜索被优化用户的最优功率；

步骤205)当sn-q₃≠1时，则返回步骤203)；当sn-q₃＝1时，判断不等式是否成立，其中，表示第cn次循环结束时，第m个NOMA组中第j个用户的功率；表示第cn-1次循环结束时，第m个NOMA组中第j个用户的功率；ε_p表示功率误差门限；若不等式成立，则表明功率不再变化，进入步骤206)中；若不等式不成立，则进行下一次循环，返回步骤203)，cn＝cn+1，且令sn＝K_m、q₃＝0；

步骤206)输出第m个NOMA组的最优功率

步骤207)判断mM是否成立，若成立，则返回步骤201)；若不成立，则结束；

所述步骤30)包括：

步骤301)随机一对一地匹配N个NOMA组与N个D2D对；其中，N个NOMA组在原排列中的序号为{or₁,or₂,L,or_N}，且与D₁匹配、与D₂匹配、…、与D_N匹配；

步骤302)令i＝1+q₂，q₂表示步骤308)返回步骤302)的次数，q₂的初始值为0；

步骤303)根据步骤20)得到的单一NOMA组中各蜂窝用户的最优功率，计算单一NOMA组中各蜂窝用户的上行时延如式(6)所示：

其中，表示第or_i个NOMA组中第j个用户的任务数据量，表示未与任何D2D对共享信道的状态下，第or_i个NOMA组中第j个用户的信干噪比，如式(7)所示，

其中，表示未与任何D2D对共享信道的状态下，第or_i个NOMA组中第j个用户的最优功率；表示第or_i个NOMA组中第j个用户与基站之间的信道增益；表示第or_i个NOMA组中蜂窝用户的总数；表示未与任何D2D对共享信道的状态下，第or_i个NOMA组中第l个用户的最优功率；表示第or_i个NOMA组中第l个用户与基站之间的信道增益；

步骤304)利用D2D任务发送用户的功率表示其匹配的NOMA组中所有蜂窝用户功率，如式(8)所示：

其中，表示第or_i个NOMA组中第j个用户的发射功率；p_i表示第i个D2D对中任务发送用户的发射功率，和的表达式如式(9)所示：

其中，表示第or_i个NOMA组中第j个用户的信干噪比，如式(10)所示；表示第or_i个NOMA组中第l个用户的信干噪比，表示第or_i个NOMA组中第o个用户的信干噪比；

其中，表示第or_i个NOMA组中第l个用户的发射功率；g_ii表示第i个D2D对任务发送用户与任务执行用户之间的信道增益；

步骤305)利用粒子群算法搜索D2D任务发送用户的最优功率

步骤306)利用式(9)和计算所有蜂窝用户的最优功率其中，表示第or_i个NOMA组中第1个用户的最优功率，表示第or_i个NOMA组中第2个用户的最优功率，表示第or_i个NOMA组中第个用户的最优功率；

步骤307)按照式(11)分别计算第i个D2D对D_i的效用函数和第or_i个NOMA组的效用函数

其中，D_i表示第i个D2D对；R_i表示第i个D2D对中任务发送用户的速率；C_i表示执行D_i中任务发送用户的任务所需要的CPU转数；F_i表示D_i中任务执行用户分配给任务发送用户的计算速率；表示第or_i个NOMA组中第j个用户的速率，表示执行第or_i个NOMA组中第j个用户的任务所需要的CPU转数；

步骤308)若iN，则返回步骤302)；若i＝N，则结束；

所述步骤40)包括：

令sps＝1，spb＝2，且在全迭代过程中spb≠sps；其中，sps和spb表示进行预交换操作的两个D2D对，预交换操作是预先使sps和spb两个D2D对之间互换对应的NOMA组；

所述步骤50)包括：

步骤501)按照步骤30)中的方法计算预交换操作后的D2D对sps和spb以及对应的NOMA组的效用函数；

步骤502)判断预交换操作是否满足交换条件，所述交换条件是：交换后的效用函数值都小于或等于原效用函数值，且至少存在一个D2D对或NOMA组的效用函数值小于原效用函数值；若满足交换条件，则进行交换操作，并返回步骤40)，找寻新的进行预交换操作的两个D2D对；若不满足，则不进行交换，若spsN，且spb≠N，则返回步骤501)，进行下一次循环，且下一次循环中的spb值等于上一次循环中的spb+x，其中，式中spb为上一次循环中spb值，sps为上一次循环中sps值；若spsN，且spb＝N，则返回步骤501)，进行下一次循环，且下一次循环中的sps值等于上一次循环中的sps+1，下一次循环中的spb＝1；若sps＝N，且spbN-1，则返回步骤501)，进行下一次循环，且下一次循环中的spb值等于上一次循环中的spb+1；若sps＝N，spb＝N-1，则结束算法。

2.按照权利要求1所述的边缘计算中能耗与时延和最小化的优化方法，其特征在于，所述ω的取值区间为[0,1]。