摘 要：考慮用戶移動(dòng)性，特別是在無(wú)人機(jī)巡檢場(chǎng)景下，由于多接入邊緣計(jì)算（Ｍｕｌｔｉ-ａｃｃｅｓｓ Ｅｄｇｅ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，ＭＥＣ）節(jié)點(diǎn)服務(wù)范圍小，大概率發(fā)生任務(wù)遷移。任務(wù)遷移將增加任務(wù)處理的時(shí)延和成本。為了降低任務(wù)遷移概率，提出了一種新的ＭＥＣ 組網(wǎng)架構(gòu)———ＭＥＣ ＰＯＯＬ。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)架構(gòu)下的任務(wù)處理效益模型，將任務(wù)處理效益最優(yōu)問(wèn)題轉(zhuǎn)換成受限條件下最優(yōu)解問(wèn)題。為了解決上述最優(yōu)解問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于任務(wù)處理效益最優(yōu)的粒子群算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在發(fā)生任務(wù)遷移的場(chǎng)景下，ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)方案相比ＭＥＣ 傳統(tǒng)組網(wǎng)方案，任務(wù)處理效益和任務(wù)處理時(shí)延效益均可提升１０％ 以上。對(duì)于多用戶場(chǎng)景，平均任務(wù)處理效益提升８％ 以上，平均任務(wù)處理時(shí)延減少１０％ 以上。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)巡檢；任務(wù)處理；多接入邊緣計(jì)算；新型組網(wǎng)

中圖分類號(hào)：ＴＮ９２９ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號(hào)：１００３－３１０６（２０２４）０７－１６３４－０９

０ 引言

隨著第五代移動(dòng)通信（５Ｇ）時(shí)代的到來(lái)，自動(dòng)駕駛、工業(yè)控制和車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用需求越來(lái)越迫切。為了更好地滿足上述領(lǐng)域低時(shí)延、計(jì)算復(fù)雜的應(yīng)用，引入了多接入邊緣計(jì)算（Ｍｕｌｔｉ-ａｃｃｅｓｓ ＥｄｇｅＣｏｍｐｕｔｉｎｇ，ＭＥＣ）的概念［１－２］。具備一定通信、計(jì)算資源的ＭＥＣ 節(jié)點(diǎn)部署在靠近用戶的網(wǎng)絡(luò)邊緣，用戶可以將實(shí)時(shí)性高、計(jì)算復(fù)雜的任務(wù)卸載到附近的ＭＥＣ 節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的實(shí)時(shí)處理。文獻(xiàn)［３ －６］的研信號(hào)與信息處理究主要集中在綜合考慮ＭＥＣ（邊），用戶終端（端）的通信，計(jì)算資源如何將任務(wù)在邊、端進(jìn)行卸載處理，以達(dá)到任務(wù)處理最優(yōu)。當(dāng)考慮用戶移動(dòng)性時(shí)，任務(wù)處理最優(yōu)問(wèn)題將更加復(fù)雜。例如，在智慧高速中無(wú)人機(jī)巡檢場(chǎng)景下，無(wú)人機(jī)通過(guò)機(jī)載５Ｇ 模組接入５Ｇ 網(wǎng)絡(luò)，與ＭＥＣ 節(jié)點(diǎn)配合完成高清視頻實(shí)時(shí)回傳、智能視頻分析等功能?？紤]到ＭＥＣ 服務(wù)范圍小，在任務(wù)處理過(guò)程中，大概率會(huì)發(fā)生任務(wù)遷移，進(jìn)而增加任務(wù)處理時(shí)延及成本。針對(duì)任務(wù)遷移優(yōu)化問(wèn)題，總體上有２ 種解決思路。

一種解決思路是通過(guò)構(gòu)建模型并利用相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的任務(wù)遷移，來(lái)降低任務(wù)處理時(shí)延和成本。文獻(xiàn)［７］利用馬爾科夫決策過(guò)程、文獻(xiàn)［８ －１２］利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)、文獻(xiàn)［１３］利用最短路徑算法、文獻(xiàn)［１４］利用遺傳算法、文獻(xiàn)［１５］利用合作博弈算法、文獻(xiàn)［１６－１７］利用李雅普諾夫優(yōu)化等各種模型、算法來(lái)解決任務(wù)遷移優(yōu)化問(wèn)題。但上述思路未能降低任務(wù)遷移的發(fā)生。另一種解決思路是通過(guò)設(shè)計(jì)新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來(lái)降低任務(wù)遷移概率。文獻(xiàn)［１８］提出了一種ＳｈａｒｅｄＭＥＣ 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在這個(gè)架構(gòu)中，每個(gè)基站（Ｂａｓｅ Ｓｔａｔｉｏｎ，ＢＳ）都有一個(gè)ＭＥＣ 為其服務(wù)，一群ＢＳ共享ＳｈａｒｅｄＭＥＣ 節(jié)點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生任務(wù)遷移時(shí)，將任務(wù)遷移到ＳｈａｒｅｄＭＥＣ 節(jié)點(diǎn)上，后續(xù)由ＳｈａｒｅｄＭＥＣ 節(jié)點(diǎn)處理。雖然上述網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)降低了任務(wù)遷移概率，但ＳｈａｒｅｄＭＥＣ 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要額外新增關(guān)鍵網(wǎng)元ＳｈａｒｅｄＭＥＣ 節(jié)點(diǎn)，不僅增加了系統(tǒng)成本，而且ＳｈａｒｅｄＭＥＣ 節(jié)點(diǎn)一旦故障，將大大降低系統(tǒng)性能。

為了解決現(xiàn)有方案中的上述缺點(diǎn)，針對(duì)用戶終端高速移動(dòng)場(chǎng)景，提出了一種基于ＭＥＣ 新型組網(wǎng)的任務(wù)處理優(yōu)化方案。一方面，降低了任務(wù)遷移概率，進(jìn)而降低任務(wù)處理時(shí)延和成本，提升了任務(wù)處理效益；另一方面，提升了ＭＥＣ 組網(wǎng)的魯棒性。本文主要貢獻(xiàn)包括以下３ 點(diǎn)：

① 首次提出了一種ＭＥＣ 新型組網(wǎng)架構(gòu)。多個(gè)ＭＥＣ 組成一個(gè)ＭＥＣ 池（ＭＥＣ ＰＯＯＬ）。用戶終端與ＭＥＣ ＰＯＯＬ 區(qū)域內(nèi)所有ＭＥＣ 互聯(lián)，ＭＥＣ ＰＯＯＬ 區(qū)域內(nèi)所有ＭＥＣ 的服務(wù)區(qū)域之和是ＭＥＣ ＰＯＯＬ 的服務(wù)區(qū)域。用戶終端在ＭＥＣ ＰＯＯＬ 服務(wù)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，不會(huì)更改為其服務(wù)的ＭＥＣ，降低了任務(wù)遷移概率，進(jìn)而提升了任務(wù)處理效益。此外，當(dāng)ＭＥＣ ＰＯＯＬ 區(qū)域內(nèi)某ＭＥＣ 宕掉后，其他的ＭＥＣ 可以接管繼續(xù)為原用戶終端提供服務(wù)，提升了ＭＥＣ 組網(wǎng)的魯棒性。

② 分３ 類場(chǎng)景提出了ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)架構(gòu)下任務(wù)處理流程，并在資源受限情況下，綜合考慮通信、計(jì)算和能耗等因素，搭建了ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)架構(gòu)下任務(wù)處理時(shí)延、能耗、成本及效益模型。

③ 設(shè)計(jì)了一種基于系統(tǒng)效益最優(yōu)的任務(wù)處理方案，并揭示了ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)架構(gòu)下任務(wù)處理的規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在發(fā)生任務(wù)遷移的情況下，本文設(shè)計(jì)的ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)方案的任務(wù)處理效益相比傳統(tǒng)組網(wǎng)方案的任務(wù)處理效益可以提升１０％ 以上。對(duì)于多用戶場(chǎng)景，平均任務(wù)處理效益提升８％ 以上，平均任務(wù)處理時(shí)延減少１０％ 以上。

１ ＭＥＣ 新型組網(wǎng)架構(gòu)

以智慧高速中無(wú)人機(jī)巡檢為例，ＭＥＣ 新型組網(wǎng)架構(gòu)如圖１ （ａ）所示。３ 個(gè)ＭＥＣ 組成一個(gè)ＭＥＣＰＯＯＬ，無(wú)人機(jī)通過(guò)５Ｇ 新空口（Ｎｅｗ Ｒａｄｉｏ，ＮＲ）與ＭＥＣ ＰＯＯＬ 區(qū)域內(nèi)所有ＭＥＣ 互聯(lián)。無(wú)人機(jī)在ＭＥＣＰＯＯＬ 的服務(wù)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，不會(huì)更改為其服務(wù)的ＭＥＣ。例如，根據(jù)任務(wù)卸載策略，無(wú)人機(jī)通過(guò)ＮＲ１將任務(wù)卸載到ＭＥＣ１ 進(jìn)行處理。在任務(wù)處理過(guò)程中，無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)到ＮＲ２ 覆蓋區(qū)域。任務(wù)還可以繼續(xù)由ＭＥＣ１ 進(jìn)行處理，處理后的結(jié)果通過(guò)ＮＲ２ 回傳給無(wú)人機(jī)。而在傳統(tǒng)ＭＥＣ 組網(wǎng)架構(gòu)下，如圖１（ｂ）所示，將發(fā)生任務(wù)遷移，任務(wù)將從ＭＥＣ１ 遷移到ＭＥＣ２進(jìn)行處理，進(jìn)而增加了任務(wù)處理時(shí)延和成本。此外，當(dāng)ＭＥＣ ＰＯＯＬ 區(qū)域內(nèi)某ＭＥＣ 宕掉后，其他的ＭＥＣ可以接管繼續(xù)為原無(wú)人機(jī)提供服務(wù)，提升了ＭＥＣ 組網(wǎng)的魯棒性。

２ ＭＥＣ 新型組網(wǎng)架構(gòu)下任務(wù)處理流程

ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)架構(gòu)下任務(wù)處理分為３ 類場(chǎng)景，以智慧高速中無(wú)人機(jī)巡檢為例，具體任務(wù)處理流程如圖２ 所示。為無(wú)人機(jī)服務(wù)的ＭＥＣ 為ＭＥＣｉ，無(wú)人機(jī)需要處理的任務(wù)量為Ａ。

對(duì)于場(chǎng)景一，無(wú)人機(jī)將任務(wù)量Ｂ（Ｂ＜Ａ）卸載到ＭＥＣｉ 后，由于高速移動(dòng)，無(wú)人機(jī)發(fā)生ＮＲ 切換。但基于ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)，無(wú)人機(jī)切換后仍由ＭＥＣｉ 為其服務(wù)。無(wú)人機(jī)需要將剩余任務(wù)量（Ａ－Ｂ）卸載給ＭＥＣｉ，由ＭＥＣｉ 處理任務(wù)并將任務(wù)處理結(jié)果回傳給無(wú)人機(jī)，如圖２（ａ）所示。

對(duì)于場(chǎng)景二，無(wú)人機(jī)將任務(wù)量Ａ 卸載到ＭＥＣｉ，ＭＥＣｉ 處理完成任務(wù)量Ｃ（Ｃ＜Ａ）后，無(wú)人機(jī)發(fā)生ＮＲ切換?；冢停牛?ＰＯＯＬ 組網(wǎng)，無(wú)人機(jī)切換后仍由ＭＥＣｉ 為其服務(wù)。ＭＥＣｉ 將繼續(xù)處理未完成的任務(wù)并將任務(wù)處理結(jié)果回傳給無(wú)人機(jī)。需說(shuō)明，圖２（ｂ）中所示的３（ａ）、３（ｂ）兩個(gè)步驟在時(shí)間上是并行。

對(duì)于場(chǎng)景三，在任務(wù)處理過(guò)程中均未發(fā)生ＮＲ切換，如圖２（ｃ）所示。

３ 任務(wù)處理優(yōu)化方案

為了更好地降低任務(wù)處理時(shí)延和成本，需要基于ＭＥＣ、無(wú)人機(jī)的通信、計(jì)算資源，綜合考慮任務(wù)處理的時(shí)延、能耗和成本對(duì)任務(wù)處理進(jìn)行優(yōu)化。本節(jié)基于前述ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)架構(gòu)下任務(wù)處理流程，對(duì)任務(wù)處理時(shí)延、能耗、成本及效益進(jìn)行分析建模。

３． １ 任務(wù)處理時(shí)延

任務(wù)處理時(shí)延包含任務(wù)通信時(shí)延、任務(wù)計(jì)算時(shí)延和任務(wù)遷移時(shí)延。

① 任務(wù)通信時(shí)延

基于上述任務(wù)處理流程，無(wú)人機(jī)與ＭＥＣｉ 之間任務(wù)通信時(shí)延Ｔｃｏｍｉ （ｘｉ，Ｔｃｔｉ ）表示為：

式中：ｘｉ 表示無(wú)人機(jī)需要卸載到ＭＥＣｉ 進(jìn)行處理的任務(wù)量，Ｔｃｔｉ 表示無(wú)人機(jī)與ＭＥＣｉ 的連接時(shí)間，ＶｕＲｉ 表示無(wú)人機(jī)切換前與ＭＥＣｉ 上行鏈路傳輸速率，ＶｕＲＨ 表示無(wú)人機(jī)切換后與ＭＥＣｉ 上行鏈路傳輸速率，ＶｄＲＨ 表示無(wú)人機(jī)切換后與ＭＥＣｉ 下行鏈路傳輸速率，ρｘｉ 表示任務(wù)ｘｉ 的計(jì)算處理結(jié)果，ＶｄＲｉ 表示無(wú)人機(jī)切換前與ＭＥＣｉ 下行鏈路傳輸速率，Ｔｒｅｃｖｉ （ｘｉ ）表示任務(wù)量ｘｉ卸載到ＭＥＣｉ 的傳輸時(shí)間。

Ｔｒｅｃｖｉ （ｘｉ） ＝ ｘｉ／ＶｕＲｉ。（２）

Ｔｐｒｏｃｉ （ｘｉ ）為任務(wù)量ｘｉ 在ＭＥＣｉ 的計(jì)算時(shí)間，表示為：

Ｔｐｒｏｃｉ （ｘｉ） ＝ ｘｉ／ＶＣｉ， （３）

式中：ＶＣｉ 為ＭＥＣｉ 的計(jì)算速率。

Ｔｓｅｎｄｉ （ｘｉ）為任務(wù)ｘｉ 的計(jì)算結(jié)果ρｘｉ 從ＭＥＣｉ 回傳到無(wú)人機(jī)的傳輸時(shí)間，表示為：

Ｔｓｅｎｄｉ （ｘｉ） ＝ ρｘｉ／ＶｄＲｉ。（４）

② 任務(wù)計(jì)算時(shí)延

任務(wù)計(jì)算時(shí)延包含ＭＥＣｉ 計(jì)算時(shí)延和無(wú)人機(jī)計(jì)算時(shí)延。

ＭＥＣｉ 計(jì)算時(shí)延表示為：

Ｔｃｏｍｐｉ （ｘｉ，Ｔｃｔｉ ） ＝ ｘｉ／ＶＣｉ。（５）

無(wú)人機(jī)計(jì)算時(shí)延表示為：

Ｔｃｏｍｐｌ （ｘｉ） ＝ （Ｗ － ｘｉ）／ＶＣｌ， （６）

式中：Ｗ 為需要處理的任務(wù)總量，ＶＣｌ 為無(wú)人機(jī)計(jì)算速率。

③ 任務(wù)遷移時(shí)延

在ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)架構(gòu)下不會(huì)發(fā)生任務(wù)遷移，僅發(fā)生無(wú)人機(jī)ＮＲ 切換，則任務(wù)遷移時(shí)延表示為：

Ｔｍｉｇｉ ＝ ＴＨＯ ， （７）

式中：ＴＨＯ 為無(wú)人機(jī)ＮＲ 切換時(shí)延。

根據(jù)上述任務(wù)通信時(shí)延、計(jì)算時(shí)延和遷移時(shí)延，任務(wù)處理時(shí)延表示為：

式中：Ｔ１ 為圖２（ｂ）場(chǎng)景二的任務(wù)處理時(shí)延，考慮了圖２（ｂ）中所示的３（ａ）、３（ｂ）兩個(gè)步驟在時(shí)間上是并行；Ｔ２ 為其他場(chǎng)景下的任務(wù)處理時(shí)延。

具體地：

３． ２ 任務(wù)處理能耗

任務(wù)處理能耗包含無(wú)人機(jī)計(jì)算能耗、任務(wù)傳輸能耗和ＭＥＣ 計(jì)算能耗。

① 無(wú)人機(jī)計(jì)算能耗

無(wú)人機(jī)計(jì)算能耗表示為：

Ｅｌｏｃａｌｉ （ｘｉ） ＝ （Ｗ － ｘｉ）ＰＣｌ， （１１）

式中：ＰＣｌ 為無(wú)人機(jī)計(jì)算單比特能耗。

② 任務(wù)傳輸能耗

任務(wù)傳輸能耗表示為：

Ｅｔｒａｎｉ （ｘｉ，Ｔｃｔｉ ） ＝ ＰＲｌ（ｘｉ ＋ ρｘｉ）， （１２）

式中：ＰＲｌ 為無(wú)人機(jī)發(fā)送／ 接收單比特能耗。

根據(jù)無(wú)人機(jī)計(jì)算能耗和任務(wù)傳輸能耗可以得到任務(wù)處理中無(wú)人機(jī)能耗為：

Ｅｌ（ｘｉ，Ｔｃｔｉ ） ＝ Ｅｌｏｃａｌｉ （ｘｉ）＋ Ｅｔｒａｎｉ （ｘｉ，Ｔｃｔｉ ）。（１３）

③ ＭＥＣ 計(jì)算能耗

ＭＥＣｉ 計(jì)算能耗表示為：

ＥｃｏｍｐＭＥＣｉ（ｘｉ，Ｔｃｔｉ ） ＝ ＰＣｉ Ｔｃｏｍｐｉ （ｘｉ，Ｔｃｔｉ ）， （１４）

式中：ＰＣｉ 為ＭＥＣｉ 單位時(shí)間計(jì)算能耗?；谏鲜鋈矫婺芎?，任務(wù)處理能耗表示為：

Ｅ（ｘｉ，Ｔｃｔｉ ） ＝ Ｅｌｏｃａｌｉ （ｘｉ）＋ Ｅｔｒａｎｉ （ｘｉ，Ｔｃｔｉ ）＋ ＥｃｏｍｐＭＥＣｉ（ｘｉ，Ｔｃｔｉ ）。（１５）

３． ３ 任務(wù)處理成本

任務(wù)處理成本包括通信成本、計(jì)算成本、遷移成本、能耗成本和空閑成本。

① 通信成本

通信成本表示為：

Ｃｃｏｍｉ （ｘｉ，Ｔｃｔｉ ） ＝ α［Ｔｃｏｍｉ （ｘｉ，Ｔｃｔｉ ）］， （１６）

式中：α 為單位時(shí)間的通信成本。

② 計(jì)算成本

計(jì)算成本表示為：

Ｃｃｏｍｐｉ （ｘｉ，Ｔｃｔｉ ） ＝ β［Ｔｃｏｍｐｉ （ｘｉ，Ｔｃｔｉ ）＋ Ｔｃｏｍｐｌ （ｘｉ）］， （１７）

式中：β 為單位時(shí)間的計(jì)算成本。

③ 遷移成本

遷移成本表示為：

Ｃｍｉｇｉ ＝ γＴｍｉｇｉ ， （１８）

式中：γ 為單位時(shí)間的遷移成本。

④ 能耗成本

能耗成本表示為：

Ｃｅｉ（ｘｉ，Ｔｃｔｉ ） ＝ ε［Ｅｌｏｃａｌｉ （ｘｉ）＋ Ｅｔｒａｎｉ （ｘｉ，Ｔｃｔｉ ）＋ ＥｃｏｍｐＭＥＣｉ（ｘｉ，Ｔｃｔｉ ）］，（１９）

式中：ε 為單位能耗的成本。

⑤ 空閑成本

當(dāng)ＭＥＣｉ 已經(jīng)將任務(wù)處理結(jié)果全部回傳給無(wú)人機(jī)但仍與無(wú)人機(jī)連接時(shí)，將會(huì)影響其他無(wú)人機(jī)的接入。因此，空閑成本表示為：

Ｃｉｄｌｅｉ （ｘｉ，Ｔｃｔｉ ） ＝ δＴｉｄｌｅｉ （ｘｉ，Ｔｃｔｉ ）， （２０）

式中：δ 為單位時(shí)間的空閑成本，Ｔｉｄｌｅｉ （ｘｉ，Ｔｃｔｉ ）為空閑時(shí)間。

式中：Ｔｔｏｔａｌｉ （ｘｉ）為ＭＥＣｉ 處理任務(wù)量ｘｉ 所需時(shí)間。

Ｔｔｏｔａｌｉ （ｘｉ） ＝ Ｔｒｅｃｖｉ （ｘｉ）＋ Ｔｐｒｏｃｉ （ｘｉ）＋ Ｔｓｅｎｄｉ （ｘｉ）。（２２）

３． ４ 任務(wù)處理效益

任務(wù)處理效益定義為：相比無(wú)人機(jī)獨(dú)立處理任務(wù)，由ＭＥＣ 和無(wú)人機(jī)協(xié)同處理任務(wù)時(shí)降低的任務(wù)處理成本。任務(wù)處理效益包括任務(wù)處理時(shí)延效益和任務(wù)處理能耗效益。任務(wù)處理時(shí)延效益表示為：

Ｑｃｉ（ｘｉ，Ｔｃｔｉ ） ＝ β ＷＶＣｌ－ Ｃｃｏｍｉ （ｘｉ，Ｔｃｔｉ ）－ Ｃｃｏｍｐｉ （ｘｉ，Ｔｃｔｉ ）－Ｃｍｉｇｉ － Ｃｉｄｌｅｉ （ｘｉ，Ｔｃｔｉ ）。（２３）

任務(wù)處理能耗效益表示為：

Ｑｅｉ（ｘｉ，Ｔｃｔｉ ） ＝ εＷＰＣｌ － Ｃｅｉ（ｘｉ，Ｔｃｔｉ ）。（２４）

任務(wù)處理效益Ｚｉ，ｊ（ｘｉ，Ｔｃｔｉ ）表示為：

Ｚｉ，ｊ（ｘｉ，Ｔｃｔｉ ） ＝ ηｉ Ｑｃｉ（ｘｉ，Ｔｃｔｉ ）＋ ηｊ Ｑｅｉ（ｘｉ，Ｔｃｔｉ ）， （２５）

式中：ηｉ 與任務(wù)處理優(yōu)先級(jí)有關(guān)，任務(wù)處理優(yōu)先級(jí)越高，則ηｉ 取值越大；ηｊ 與系統(tǒng)剩余能量有關(guān)，系統(tǒng)剩余能量越多，則ηｊ 取值越小，相應(yīng)的ηｉ 取值越大。

３． ５ 優(yōu)化問(wèn)題構(gòu)建

基于上述模型，任務(wù)處理優(yōu)化問(wèn)題可以轉(zhuǎn)換為在考慮任務(wù)處理時(shí)延、無(wú)人機(jī)能耗限制的情況下，最大化任務(wù)處理效益。轉(zhuǎn)換后的優(yōu)化問(wèn)題可以表示為：

式中：Ｄｍ 為任務(wù)完成最大持續(xù)時(shí)間，ＥｔｈＵＥ 為無(wú)人機(jī)能耗閾值。

４ 基于任務(wù)處理效益最優(yōu)的粒子群算法

本文將任務(wù)處理效益最優(yōu)轉(zhuǎn)化成多目標(biāo)受限條件下最優(yōu)解的問(wèn)題。為了解決上述混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題，引入粒子群算法來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。每個(gè)粒子都通過(guò)式（２５）計(jì)算各自的適應(yīng)度，然后粒子們追隨當(dāng)前的最優(yōu)粒子在解空間中進(jìn)行搜索?；谌蝿?wù)處理效益最優(yōu)的粒子群算法如算法１ 所示。

算法中，Ｐｂｅｓｔ 為單個(gè)粒子最優(yōu)值，Ｇｂｅｓｔ 為粒子群最優(yōu)值，ｋｍａｘ 為循環(huán)次數(shù)。

５ 結(jié)果評(píng)估

圖１（ａ）作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，實(shí)驗(yàn)中各參數(shù)設(shè)置如下：無(wú)人機(jī)需要處理的任務(wù)量為２５０ Ｍｂ，任務(wù)完成截止時(shí)間為７０ ｓ，無(wú)人機(jī)與ＭＥＣ 連接時(shí)間為１５ ｓ，無(wú)人機(jī)能耗閾值為１００ Ｊ。ＭＥＣ１、ＭＥＣ２、ＭＥＣ３ 的計(jì)算能力、通信速率及計(jì)算功耗依次降低。本實(shí)驗(yàn)中的其他參數(shù)參考文獻(xiàn)［１９－２０］進(jìn)行設(shè)置。

任務(wù)處理性能隨卸載任務(wù)量變化情況如圖３ 所示。當(dāng)卸載量小于１１０ Ｍｂ 時(shí)，任務(wù)處理時(shí)延大于任務(wù)完成最大持續(xù)時(shí)間，故未在圖３ 中體現(xiàn)。

從圖３ 可以看出，任務(wù)處理效益隨著卸載任務(wù)量的增加而增加，無(wú)人機(jī)能耗、任務(wù)處理能耗隨著卸載任務(wù)量的增加而降低，體現(xiàn)了端、邊協(xié)同的優(yōu)勢(shì)。而對(duì)于任務(wù)處理時(shí)延，隨著卸載任務(wù)量的增加先下降后上升。原因如下：考慮到無(wú)人機(jī)任務(wù)處理和ＭＥＣ 任務(wù)處理是并行的，在任務(wù)卸載量小于１９０ Ｍｂ時(shí)，無(wú)人機(jī)任務(wù)處理時(shí)延大于ＭＥＣ 任務(wù)處理時(shí)延，任務(wù)處理時(shí)延由無(wú)人機(jī)任務(wù)處理時(shí)延決定，故任務(wù)處理時(shí)延隨卸載任務(wù)量增加而降低。當(dāng)任務(wù)卸載量超過(guò)１９０ Ｍｂ 時(shí)，ＭＥＣ 任務(wù)處理時(shí)延將超過(guò)無(wú)人機(jī)任務(wù)處理時(shí)延，任務(wù)處理時(shí)延由ＭＥＣ 任務(wù)處理時(shí)延決定，故任務(wù)處理時(shí)延隨著卸載任務(wù)量的增加而增加。

雖然任務(wù)處理時(shí)延在卸載任務(wù)量為１９０ Ｍｂ 時(shí)最小，但無(wú)人機(jī)能耗、任務(wù)處理能耗相比卸載任務(wù)量為２５０ Ｍｂ 時(shí)較大，故任務(wù)處理效益不是最高。卸載任務(wù)量為１９０、２５０ Ｍｂ 時(shí)，任務(wù)處理效益、任務(wù)處理能耗、任務(wù)處理時(shí)延及無(wú)人機(jī)能耗對(duì)比如圖４ 所示。從上述對(duì)比看出，當(dāng)任務(wù)完成截止時(shí)間較小時(shí)，需要在任務(wù)處理時(shí)延和任務(wù)處理效益之間進(jìn)行權(quán)衡。如果任務(wù)完成截止時(shí)間不超３５ ｓ，則任務(wù)卸載量為２００ Ｍｂ 時(shí)，在滿足任務(wù)處理時(shí)延的同時(shí)，任務(wù)處理效益最高。

任務(wù)處理效益、時(shí)延效益隨任務(wù)量變化情況如圖５ 所示。其中，連接時(shí)間為１５ ｓ。從圖５（ａ）可以看出，在相同的任務(wù)量下，本文提出的ＭＥＣ ＰＯＯＬ組網(wǎng)方案的任務(wù)處理效益高于ＭＥＣ 傳統(tǒng)組網(wǎng)方案。當(dāng)任務(wù)量小于１００ Ｍｂ 時(shí)（對(duì)應(yīng)圖２ 中場(chǎng)景三），由于ＭＥＣ 傳統(tǒng)組網(wǎng)方案中不會(huì)發(fā)生任務(wù)遷移，因此上述２ 種組網(wǎng)方案的任務(wù)處理效益沒(méi)有差異。當(dāng)任務(wù)量在１００ ～ ２３０ Ｍｂ 時(shí)（對(duì)應(yīng)圖２ 中場(chǎng)景二），ＭＥＣ 傳統(tǒng)組網(wǎng)方案中會(huì)發(fā)生任務(wù)遷移，但遷移的是任務(wù)處理或部分處理的結(jié)果。由于上述遷移量較小，２ 種方案的任務(wù)處理效益相差不大。當(dāng)任務(wù)量大于２３０ Ｍｂ（對(duì)應(yīng)圖２ 中場(chǎng)景一）時(shí)，ＭＥＣ 傳統(tǒng)組網(wǎng)方案將發(fā)生大量的任務(wù)遷移，因此２ 種方案的任務(wù)處理效益差異較大。在場(chǎng)景一發(fā)生任務(wù)遷移情況下，本文提出的ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)方案的任務(wù)處理效益比ＭＥＣ 傳統(tǒng)組網(wǎng)方案提升６％ ～ １１％ 。任務(wù)處理時(shí)延效益隨任務(wù)量的變化如圖５（ｂ）所示。２ 種組網(wǎng)方案的任務(wù)處理時(shí)延效益變化趨勢(shì)與任務(wù)處理效益的變化趨勢(shì)相似。相比ＭＥＣ 傳統(tǒng)組網(wǎng)方案，在場(chǎng)景一發(fā)生任務(wù)遷移情況下，本文提出的ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)方案的任務(wù)處理時(shí)延效益提升７％ ～ １１％ 。

任務(wù)處理效益、時(shí)延效益隨連接時(shí)間變化情況如圖６ 所示。其中，處理任務(wù)量為２５０ Ｍｂ。從圖６（ａ）可以看出，本文提出的ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)方案的任務(wù)處理效益高于ＭＥＣ 傳統(tǒng)組網(wǎng)方案。當(dāng)連接時(shí)間小于１５ ｓ（對(duì)應(yīng)圖２ 中場(chǎng)景一）時(shí)，ＭＥＣ 傳統(tǒng)組網(wǎng)方案將發(fā)生大量任務(wù)遷移，因此２ 種方案的任務(wù)處理效益差異很大。當(dāng)連接時(shí)間在２０ ～ ４０ ｓ 時(shí)（對(duì)應(yīng)圖２ 中場(chǎng)景二），ＭＥＣ 傳統(tǒng)組網(wǎng)方案中會(huì)發(fā)生任務(wù)遷移，但遷移是任務(wù)處理或部分處理的結(jié)果，２ 種方案的任務(wù)處理效益相差不大。當(dāng)連接時(shí)間大于４０ ｓ 時(shí)（對(duì)應(yīng)圖２ 中場(chǎng)景三），由于ＭＥＣ 傳統(tǒng)組網(wǎng)方案中沒(méi)有任務(wù)遷移，因此上述２ 種方案的任務(wù)處理效益沒(méi)有差異。在場(chǎng)景一發(fā)生任務(wù)遷移情況下，本文提出的ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)方案的任務(wù)處理效益比ＭＥＣ 傳統(tǒng)組網(wǎng)方案提升５％ ～ １１％ 。任務(wù)處理時(shí)延效益隨連接時(shí)間的變化如圖６ （ｂ）所示。２ 種組網(wǎng)方案的任務(wù)處理時(shí)延效益變化趨勢(shì)與任務(wù)處理效益的變化趨勢(shì)相似。在場(chǎng)景一發(fā)生任務(wù)遷移情況下，本文提出的ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)方案的任務(wù)處理時(shí)延效益比ＭＥＣ 傳統(tǒng)組網(wǎng)方案提升５％ ～ １２％ 。

任務(wù)處理效益隨任務(wù)量和連接時(shí)間的變化情況如圖７ 所示。當(dāng)任務(wù)量較小時(shí)，由于空閑成本導(dǎo)致任務(wù)處理效益隨著連接時(shí)間的增加而降低。當(dāng)任務(wù)量較大時(shí)，任務(wù)處理效益不會(huì)隨著連接時(shí)間而變化。當(dāng)連接時(shí)間較小時(shí)，任務(wù)處理效益會(huì)隨著任務(wù)量的增加而增加。當(dāng)連接時(shí)間較大時(shí)，隨著任務(wù)量的增加，空閑成本逐漸消失，導(dǎo)致任務(wù)處理效益隨著任務(wù)量的增加而快速增加。上述變化趨勢(shì)與圖５ 和圖６完全吻合。

多用戶場(chǎng)景下ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)和ＭＥＣ 傳統(tǒng)組網(wǎng)的任務(wù)處理效益對(duì)比如圖８ 所示。待處理的任務(wù)量在２００ ～ ５００ Ｍｂ 隨機(jī)取值。連接時(shí)間在１０ ～ ２０ ｓ隨機(jī)取值。盡管２ 種ＭＥＣ 組網(wǎng)方案的平均任務(wù)處理效益都隨著用戶數(shù)量的變化而波動(dòng)，但平均任務(wù)處理效益的標(biāo)準(zhǔn)差小于２． ５。與ＭＥＣ 傳統(tǒng)組網(wǎng)方案相比，在多用戶場(chǎng)景下，本文提出的ＭＥＣ ＰＯＯＬ組網(wǎng)方案的平均任務(wù)處理效益提升８％ 以上。

多用戶場(chǎng)景下ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)和ＭＥＣ 傳統(tǒng)組網(wǎng)的平均任務(wù)處理時(shí)延對(duì)比如圖９ 所示。與平均任務(wù)處理效益類似，盡管２ 種ＭＥＣ 組網(wǎng)方案的平均任務(wù)處理時(shí)延都隨著用戶數(shù)量的變化而波動(dòng)，但平均任務(wù)處理時(shí)延的標(biāo)準(zhǔn)差小于２． １。在多用戶場(chǎng)景下，本文提出的ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)方案與ＭＥＣ 傳統(tǒng)組網(wǎng)方案相比，平均任務(wù)處理時(shí)延減少１０％ 以上。主要原因是在本文提出的ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)方案中，不會(huì)發(fā)生任務(wù)遷移。

此外，從圖８ 和圖９ 可以看出，平均任務(wù)處理效益和平均任務(wù)處理時(shí)延隨用戶數(shù)變化趨勢(shì)相似，主要原因是高的平均任務(wù)處理時(shí)延意味著要處理的平均任務(wù)量大，相應(yīng)的平均任務(wù)處理效益也大。

６ 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)智慧高速中無(wú)人機(jī)巡檢場(chǎng)景，為了降低任務(wù)遷移概率，提出了一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即ＭＥＣＰＯＯＬ 架構(gòu)。基于上述組網(wǎng)架構(gòu)，分３ 類場(chǎng)景提出了任務(wù)處理流程。在資源受限情況下，綜合考慮連接時(shí)間、任務(wù)量、通信資源、計(jì)算資源和能耗等因素，搭建了ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)架構(gòu)下任務(wù)處理時(shí)延、能耗、成本及效益模型。設(shè)計(jì)了一種基于系統(tǒng)效益最優(yōu)的任務(wù)處理優(yōu)化方案，并揭示了ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)架構(gòu)下任務(wù)處理規(guī)律。此外，為了解決上述多目標(biāo)受限條件下最優(yōu)解問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于任務(wù)處理效益最優(yōu)的粒子群算法，給出最優(yōu)的任務(wù)卸載策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定的連接時(shí)間下，任務(wù)處理效益隨著卸載任務(wù)量的增加而增加，無(wú)人機(jī)能耗隨著卸載量的增加而降低。而對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)，需要在任務(wù)處理時(shí)延和任務(wù)處理效益之間進(jìn)行權(quán)衡。在發(fā)生任務(wù)遷移場(chǎng)景下，本文提出的ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)方案相比ＭＥＣ 傳統(tǒng)組網(wǎng)方案，任務(wù)處理效益和任務(wù)處理時(shí)延效益提升均可達(dá)１０％ 以上。對(duì)于多用戶場(chǎng)景，本文提出的ＭＥＣ ＰＯＯＬ 組網(wǎng)方案相比ＭＥＣ傳統(tǒng)組網(wǎng)方案，平均任務(wù)處理效益提升８％ 以上，平均任務(wù)處理時(shí)延減少１０％ 以上。

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作者簡(jiǎn)介

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