一种基于无人机协同的任务卸载方法

本发明属于无人机领域，具体涉及一种基于无人机协同的任务卸载方法。。

背景技术：

1、无人机(unmanned aerial vehicle,无人机)具有部署快、灵活性高、适应性强、功能性强、成本低等特性，在无线通信系统、蜂窝网络等领域中具有很好的应用前景，无人机既可以充当中继通信又可以承担飞行移动终端的角色，对辅助通信、提高网络容量等方面有着极大的帮助。移动边缘计算(mobile edge computing,mec)是一种在边缘对任务资源进行计算的技术，能够处理资源密集型和时延敏感型任务，提高用户的服务体验(qualityof service,qos)和服务质量，当今在车联网、人工智能、物联网等领域都有广泛的应用。

2、无人机移动边缘计算是无人机和移动边缘计算的结合，即将移动边缘服务器安装在无人机上，它结合了无人机和移动边缘计算的优势，既能够与地面用户(ground users,gus)建立很好的视距链路，又能够实时处理复杂和时延敏感型任务。

3、针对偏远地区地面用户任务卸载场景，因偏远地区(沙漠、高原地区)人口稀疏、基础通信设备缺乏，相比于地面基础设备的通信，无人机通信起着更加有利的作用；它不仅能够及时解决用户卸载效率低的问题，还能够充分利用无人机的成本低、高机动性，提高通信服务质量和通信信道增益；然而，无人机通信中无人机能耗和任务卸载时延是非常关键的影响因素，近年来，许多研究都是以优化无人机的能耗、任务卸载时延或者无人机能耗与卸载时延的加权和作为优化目标；其中，并没有考虑如何激励地面用户将任务卸载给无人机，在合适的情况下，将任务交予无人机进行卸载，在不合时宜的情况下，将任务在本地进行卸载。并且大部分研究也没有考虑清楚多无人机与多地面用户的任务分配问题，制定合理的任务分配，实现无人机边缘计算系统的效益最大化。

技术实现思路

1、本发明的目的是提出了一种基于无人机协同的任务卸载方法，提高偏远地区用户的任务卸载效率，同时合理的规划无人机和地面用户的任务卸载分配，该方法包括：

2、s1：构建无人机协同任务卸载系统，该系统包括：m＝{1,...m...,m}个地面用户和n＝{1,...n...,n}个带有mec服务器的无人机；当地面用户与任意一个无人机直接通信时，地面用户产生需要卸载的任务；

3、s2：根据地面用户在单位时间内可执行的cpu周期数、任务的cpu周期数、任务的数据大小和任务的可容忍延迟创建地面用户的本地任务卸载模型；

4、s3：根据地面用户的发射功率、原始无人机与协作无人机上的mec服务器在单位时间内可执行的cpu周期数、任务的cpu周期数、任务的数据大小和任务的可容忍延迟创建地面用户的无人机任务卸载模型；其中，原始无人机表示与地面用户直接通信的无人机，协作无人机表示为与地面用户间接通信的无人机；

5、s4：根据无人机的悬停功率和悬停时延创建无人机的悬停模型；

6、s5：根据地面用户的本地任务卸载模型、地面用户的无人机任务卸载模型和无人机的悬停模型利用第二价格拍卖算法计算得到最优的任务卸载分配方案对任务进行卸载。

7、进一步地，所述地面用户的本地任务卸载模型包括：

8、

9、

10、

11、其中，表示地面用户m与无人机n直接通信时在t时刻产生的任务，为任务的数据大小，为任务的cpu周期数，为任务的可容忍延迟；表示任务在本地进行卸载的时延；表示任务在本地进行卸载的能耗；fm表示地面用户m在单位时间内可执行的cpu周期数；km表示地面用户m的有效电容系数，表示地面用户的电池容量；表示任务的可容忍延迟。

12、进一步地，所述创建地面用户的无人机任务卸载模型包括：

13、s31：根据地面用户的发射功率计算地面用户与原始无人机之间的上行传输速率：

14、

15、其中，ω为信道带宽，n0为噪声功率，pm为地面用户m的发射功率；pinterf为最大接收平均干扰功率；为地面用户m与原始无人机n之间的信道增益；为地面用户m与原始无人机n之间的上行传输速率；

16、s32：根据地面用户与原始无人机之间的上行传输速率、以及原始无人机与协作无人机上mec服务器在单位时间内可执行的cpu周期数、任务的数据大小和任务的可容忍延迟计算任务分别在原始无人机和协作无人机上卸载的时延和能耗：

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18、

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20、

21、

22、其中，表示任务在原始无人机n上卸载的时延；表示地面用户m到原始无人机n上卸载任务的排队时延；表示任务在协作无人机h上卸载的时延；表示原始无人机n和协作无人机h之间的传输速率；表示地面用户m到协作无人机h上卸载任务的排队时延；fn表示原始无人机n上的mec服务器在单位时间内可执行的cpu周期数；fh表示协作无人机h上mec服务器在单位时间内可执行的cpu周期数；kn表示原始无人机n的有效电容系数；kh表示协作无人机h的有效电容系数；pn表示原始无人机n的发送功率；表示任务在协作无人机h上卸载的能耗；表示任务在原始无人机n上卸载的能耗；表示地面用户m将任务上传给无人机n的上行传输能耗。

23、s33：根据任务在原始无人机和协作无人机上卸载的时延和能耗创建地面用户的无人机任务卸载模型：

24、

25、

26、其中，表示任务在无人机上卸载的总时延；表示任务在无人机上卸载的总能耗；表示任务的实际处理位置参数，当时表示任务在协作无人机上进行卸载，反之则表示任务在原始无人机上卸载。

27、进一步地，所述无人机悬停模型包括：

28、en＝p0·t′

29、其中，p0表示无人机的悬停功率；t′为无人机的悬停时延；en表示无人机的悬停能耗。

30、进一步地，所述利用第二价格拍卖算法计算得到最优的任务卸载分配方案对任务进行卸载包括：

31、s51：分别将每个无人机作为卖家，将与无人机直接通信的地面用户作为买家；根据地面用户的无人机任务卸载模型、无人机的悬停模型和地面用户参与拍卖的次数计算无人机对每个地面用户的最低要价，根据无人机对每个地面用户的最低要价初始化每个地面用户的投标内容；所述每个地面用户的投标内容包括：

32、

33、其中，表示地面用户m的投标内容，表示无人机卖家n对地面用户m的最低要价，即地面用户m的初始投标价格。

34、s52：根据每个买家的投标内容、地面用户的无人机任务卸载模型、无人机的悬停模型和地面用户参与拍卖的次数创建地面用户和无人机的利润模型；

35、s53：每个地面用户根据预设的参与拍卖条件，判断是否参与本次拍卖，当地面用户参与拍卖时，则判断地面用户的原始无人机是否空闲，若地面用户的原始无人机空闲则确定任务处理位置，若地面用户的原始无人机不空闲则判断地面用户的协作无人机是否空闲，若地面用户的协作无人机空闲则确定任务处理位置，反之则将任务进行本地卸载；其中，所述预设的参与拍卖条件包括：

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41、

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43、

44、其中，表示当地面用户m与无人机n进行任务卸载时，无人机n的覆盖半径必须大于等于地面用户m与无人机n的水平距离，xm,n表示地面用户m和其原始无人机n在水平方向上的距离，h为无人机离地面的高度，θ为无人机与地面用户的固定波束宽度；

45、s54：根据地面用户的任务处理位置、地面用户和无人机的利润模型以所有地面用户和所有无人机的实际总利润最大为优化目标创建无人机协同任务卸载系统的利润优化模型；对无人机协同任务卸载系统的利润优化模型进行求解确定每个无人机卖家对应的最优地面用户作为赢家进行任务卸载，其余地面用户作为败者；并根据第二支付规则确定每个地面用户赢家的实际出价；

46、s55：败者地面用户更新下一轮参与拍卖时的投标价格，赢家地面用户则将实际出价作为下一轮参与拍卖时的投标价格，然后重复执行步骤s53-s55。

47、进一步地，所述无人机对每个地面用户的最低要价包括：

48、

49、其中，表示无人机卖家n对地面用户m的最低要价，即地面用户m的初始投标价格；γe和γc分别表示单位能耗和单位时间内消耗的经济成本；τ'表示每次拍卖的可持续时间；表示地面用户m参与拍卖的次数。

50、进一步地，所述地面用户和无人机的利润模型包括包括：

51、

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53、

54、

55、其中，表示地面用户m的任务在无人机上进行卸载时地面用户m的利润；表示无人机对地面用户m的任务进行卸载时无人机的利润；ηm为权值，表示地面用户m的出价指标。

56、进一步地，所述无人机协同任务卸载系统的利润优化模型包括：

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58、s.t.c1-c9

59、

60、

61、

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64、

65、c7:dn1,n2≥dmin

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68、其中，p1为目标优化函数，t表示系统总时隙，表示无人机n与地面用户m建立了直接通信连接，反之则没有；c1表示地面用户的能耗约束，表示任务在无人机n上进行卸载，反之则没有；表示任务在本地进行卸载的能耗；表示地面用户m将任务上传给无人机n的上行传输能耗；c2表示地面用户的时延约束；c3表示地面用户的任务卸载决策和任务处理位置约束；c4表示地面用户与无人机之间的通信建立约束；c5表示地面用户的发送功率和无人机的传输功率约束；和分别表示地面用户和无人机的最大发送功率；c6表示地面用户与无人机之间的覆盖范围约束；c7表示无人机之间避免发生碰撞的约束条件，dn1,n2表示两无人机之间的距离，dmin表示两无人机之间的最小距离，c8表示无人机群最多卸载任务数量约束，q表示地面用户需要卸载的总任务数量，nmax为每个无人机的最大处理任务数；c9表示每一轮拍卖中无人机提供卸载服务的数量约束。

69、进一步地，所述根据第二支付规则确定每个地面用户赢家的实际出价包括：

70、将每个无人机对应的所有地面用户的投标价格组成集合p，在集合p中除去赢家地面用户的投标出价和比赢家地面用户高的投标出价，在集合p的剩余投标出价中选择最高的一个作为赢家地面用户的实际出价。

71、进一步地，所述败者地面用户更新下一轮参与拍卖时的投标价格包括：

72、

73、其中，1＜α＜2，表示下一轮拍卖中败者地面用户的投标价格。

74、本发明至少具有以下有益效果

75、本发明综合考虑了偏远地区的实际应用场景，提出了一种利用无人机移动边缘计算辅助偏远地区gus任务卸载方案。在复杂多变、人口密度小的环境下应用，利用uavs的灵活性、成本低、机敏小巧等特性，可以提供更广的覆盖范围。相比于基站mec卸载服务而言，其不仅能够满足更宽范围gus的服务卸载需求，而且提高了gus的qos。

76、同时本发明提出了一种基于mec的多uav拍卖算法，激励用户与无人机的通信，优化用户任务分配问题，在uavs、gus发送功率、能耗、时延等约束条件下，综合考虑uavs、gus实际出价、要价意愿、gus个人偏好等，在保证拍卖系统真实性的同时最大化系统的社会福利。

77、本发明通过设计了一种总利润最大化的第二价格拍卖算法使整个系统的效益最优，整个拍卖流程能够可持续平稳的进行。