[发明专利]一种基于优化理论的WPT-MEC网络上下行资源分配与功率控制机制

说明书

一种基于优化理论的WPT‑MEC网络上下行资源分配与功率控制机制，本发明基于TDD‑OFDMA设计了单小区多用户WPT‑MEC网络，结合在线网络资源分配机制与优化理论联合提出任务截止期内完成能量传输与计算迁移时上下行资源分配与功率控制算法。首先，在信道分配阶段依据系统中用户计算任务量与信道状态信息按照基于任务优先级的周期性信道分配算法实现在线机制；随后，将给定信道分配下的能效功率分配松弛为给定上下行时间分配下的能效功率分配并利用凸优化理论解出，再采用一维搜索法获得最优上下行时间分配和其对应方案，算法结束。本发明能实现在WPT‑MEC网络中资源分配与功率控制，能显著降低系统整体能耗，提升资源利用率，实现绿色通信。

技术领域

本发明属于移动边缘计算与无线能量传输的复合领域，特别是涉及一种基于优化理论的WPT-MEC网络上下行资源分配与功率控制机制。

背景技术

近年来，为推动绿色移动通信技术的高速发展与广泛应用，移动边缘计算(MEC,Mobile Edge Computing)技术与无线能量传输(WPT,Wireless Power Transfer)技术相继被提出。作为5G网络关键技术的MEC技术通过在网络入口处部署服务器，为移动用户提供高可靠、低时延的计算与通信服务，旨在解决移动用户计算密集型任务但自身计算能力与电池容量受限、云计算资源丰富但接入能力受限以及移动宽带业务显著增长但承载网管道化三个矛盾。无线能量传输技术的提出为解决电池容量受限、更换电池困难、以及设备需稳定且可持续供电等问题提供了新的思路，现有无线能量传输的方式主要包括：1)部署专用能量发射机广播射频能量信号；2)无线传能技术与无线通信相结合，类型有无线传能通信网络(WPCNs)和无线携能通信(SWIPT)。通过将WPT技术应用于MEC网络中，可以有效解决移动终端供能与计算能力之间的矛盾，能够充分利用MEC服务器强大的计算能力，降低终端设备因计算复杂度和体积受限带来的成本问题，能够充分利用无线网络传能，提升终端续航能力，减少电池损耗。此外，该模式下可以更方便基站对于系统中各设备的能耗管理从而降低用户能耗，提升资源利用率达到节约成本。

在无线传能MEC系统(WPT-MEC)中，资源管理与分配涉及多个维度，包括传能决策、传能资源分配、迁移决策、通信资源分配以及计算资源分配等。在迁移过程中，涉及任务传输的通信资源分配以及边缘计算服务器的计算资源分配。其难点在于：1)传能与通信耦合，即用户传能与传信息相互耦合于同一信号中；2)计算与通信耦合，即用户感知性能依赖于通信与计算资源的联合配置，比如传输功率、信道、时隙等；3)多用户或多小区网络中还面临用户竞争、小区间干扰与资源竞争等。现有的多用户无线传能MEC网络中资源分配机制多以最大化用户节省能耗为目的，且多采用TDMA或定向波束传能为主，无实现最小化多用户系统能耗分配方案。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于优化理论的移动边缘网络资源分配与无线传能功率控制机制。

本发明通过结合在线网络资源分配机制与优化理论联合设计用户在固定任务截止期内完成能量传输与计算迁移过程中联合通信资源分配与功率控制算法。首先，在信道分配阶段依据系统中各用户计算任务量与信道状态信息按照基于任务优先级的周期性信道分配算法(CCA-TP)实现在线机制；随后，对于给定信道分配下的能效功率分配松弛为给定上下行时间分配下的能效功率分配并利用凸优化理论得求解，最后采用一维搜索算法直到求出最优上下行时间分配并得到最优分配上下行功率分配方案，算法结束。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于优化理论的无线能量传输-移动边缘计算网络上下行资源分配与功率控制机制，其特征在于包括以下步骤：

S1：定义下列各项数据；

定义基站可提供的信道带宽容量为W_B；

定义基站可提供的等带宽的子信道数为N，子信道集合为

定义网络中用户数为K，用户集合