多用户移动边缘计算系统中高效资源分配策略的研究

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设计高效的移动边缘计算系统需要对系统内的通信资源和计算资源进行联合优化。现有的关于移动边缘计算系统资源分配策略的研究主要针对执行时间或计算结果数据量可忽略的计算任务,且未能考虑不同任务的计算过程和传输过程的并行机制,因此这些研究结果不适用于需要处理具有较大运算量或计算结果数据量的任务的移动边缘计算系统。本文研究执行时间和计算结果数据量不可忽略的计算任务,考虑不同任务的计算和传输的并行操作,分别研究频分双工和时分双工传输模式下多用户移动边缘计算系统中高效的通信和计算资源分配策略。主要研究成果总结如下:首先,建立多用户移动边缘计算系统的系统模型。本文采用更为合理的计算任务模型,用原始任务数据量、计算量以及任务计算结果数据量三个特征参数表征每个计算任务。基于该计算任务模型,提出计算迁移模型,每个任务的计算迁移包括任务上传、基站端任务执行和任务计算结果下载三个阶段,允许不同任务的计算和传输并行进行。基于该计算迁移模型,建立基站端和用户端的能量消耗模型。其次,研究频分双工传输模式下的系统加权能耗最小的资源分配策略。本文建立频分双工传输模式下的系统加权能耗最小化问题,通过优化任务操作顺序、上传和下载传输时间以及上传、执行和下载的开始时间,最小化系统加权能耗。该优化问题是一个极具挑战性的混合离散连续优化问题,通过分析原始优化问题的结构特性,并基于三阶段流水车间调度问题的研究成果,提出了原始优化问题的等价命题,设计了可获得最优资源分配策略的算法。此外,通过分离优化变量,提出原始优化问题的另一个等价命题并设计了低复杂度的次优算法。通过数值仿真证明了所提出的低复杂度算法具有近似最优的性能,优于现有的资源分配策略。最后,研究时分双工传输模式下的系统加权能耗最小的资源分配策略。本文建立时分双工传输模式下的系统加权能耗最小化问题。采用类似频分双工传输模式下优化问题的求解方法,提出了时分双工传输模式下系统加权能耗最小化问题的求解最优资源分配策略的算法以及低复杂度次优算法,并通过数值仿真验证了所提出的低复杂度算法的性能。本文提出的移动边缘计算系统的高效资源分配策略为实际移动边缘计算系统的设计提供了重要的指导意义。
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