無人機(jī)輔助邊緣計(jì)算系統(tǒng)中時(shí)延和能耗聯(lián)合優(yōu)化研究

無人機(jī)輔助邊緣計(jì)算系統(tǒng)中時(shí)延和能耗聯(lián)合優(yōu)化研究摘要：近年來，隨著邊緣計(jì)算的興起，無人機(jī)輔助邊緣計(jì)算系統(tǒng)成為越來越受關(guān)注的研究領(lǐng)域。在這種系統(tǒng)中，無人機(jī)扮演著數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算卸載的角色，可以大大減輕邊緣服務(wù)器的負(fù)載。但是，時(shí)延和能耗一直是這種系統(tǒng)需要解決的重要問題。本文提出了一種時(shí)延和能耗聯(lián)合優(yōu)化的解決方案，該方案包括以下關(guān)鍵技術(shù)：無人機(jī)的動(dòng)態(tài)航跡規(guī)劃、資源分配和調(diào)度算法、多尺度數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)以及協(xié)同計(jì)算模型。最后，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出方案的有效性。

關(guān)鍵詞：邊緣計(jì)算，無人機(jī)輔助，時(shí)延優(yōu)化，能耗優(yōu)化，動(dòng)態(tài)航跡規(guī)劃，資源分配，多尺度數(shù)據(jù)壓縮，協(xié)同計(jì)算模型

1.引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，邊緣計(jì)算作為一種新興的計(jì)算模式，正在被廣泛應(yīng)用。邊緣計(jì)算具有降低數(shù)據(jù)傳輸和處理時(shí)間、節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源和減輕云服務(wù)器負(fù)擔(dān)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，無人機(jī)作為一種新型的移動(dòng)通信設(shè)備，也在各種領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。無人機(jī)可以在空中快速移動(dòng)，可以進(jìn)行信息采集、傳輸和計(jì)算卸載等任務(wù)，同時(shí)可以避免地面通信設(shè)備之間的物理障礙。因此，無人機(jī)輔助邊緣計(jì)算系統(tǒng)成為越來越受關(guān)注的研究領(lǐng)域。

無人機(jī)輔助邊緣計(jì)算系統(tǒng)可以有效減輕邊緣服務(wù)器的負(fù)載，同時(shí)提高數(shù)據(jù)傳輸和處理的效率。但是，由于無人機(jī)與地面設(shè)備之間的距離遠(yuǎn)、通信環(huán)境不穩(wěn)定以及能源有限等因素，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的時(shí)延和能耗問題。為了解決這些問題，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)延和能耗的聯(lián)合優(yōu)化。

本文提出了一種時(shí)延和能耗聯(lián)合優(yōu)化的解決方案。該方案主要包括以下幾個(gè)方面：

1)無人機(jī)的動(dòng)態(tài)航跡規(guī)劃：根據(jù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和無人機(jī)能源狀態(tài)，確定無人機(jī)的動(dòng)態(tài)航跡。通過動(dòng)態(tài)航跡規(guī)劃，可以有效減少無人機(jī)在空中的等待時(shí)間和飛行距離，從而降低系統(tǒng)的時(shí)延和能耗。

2)資源分配和調(diào)度算法：通過對(duì)系統(tǒng)的資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配和調(diào)度，提高系統(tǒng)的資源利用率。在資源分配和調(diào)度算法中，需要考慮無人機(jī)和地面設(shè)備之間的通信能力和能源狀態(tài)等因素，從而保證系統(tǒng)的帶寬和能源資源的合理分配。

3)多尺度數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)：在數(shù)據(jù)傳輸過程中，采用多尺度數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地壓縮和傳輸，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延和能耗。

4)協(xié)同計(jì)算模型：在無人機(jī)和地面設(shè)備之間建立協(xié)同計(jì)算模型，通過協(xié)同計(jì)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的卸載和任務(wù)協(xié)同，提高系統(tǒng)的處理速度和計(jì)算效率。

通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行以上技術(shù)的綜合應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)輔助邊緣計(jì)算系統(tǒng)的時(shí)延和能耗聯(lián)合優(yōu)化。

2.相關(guān)工作

近年來，無人機(jī)輔助邊緣計(jì)算系統(tǒng)的研究已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注。在相關(guān)工作中，主要針對(duì)無人機(jī)的軌跡規(guī)劃、無人機(jī)和地面設(shè)備之間的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)壓縮等問題進(jìn)行了研究。傳統(tǒng)的無人機(jī)軌跡規(guī)劃算法采用貪心算法或者遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，但是這些算法往往不能很好地考慮無人機(jī)能源等實(shí)際問題。針對(duì)這個(gè)問題，近期的研究對(duì)軌跡規(guī)劃進(jìn)行了改進(jìn)，提出了基于優(yōu)先級(jí)的最大剩余能量策略和混合粒子群算法等方法。同時(shí)，在無人機(jī)和地面設(shè)備之間的通信協(xié)議方面，也提出了一些方法，如基于時(shí)間分割的通信協(xié)議和基于無線功率控制的通信方法等。此外，為了壓縮傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，也研究了一些數(shù)據(jù)壓縮算法，如基于小波變換和離散余弦變換的數(shù)據(jù)壓縮方法等。

3.系統(tǒng)模型

無人機(jī)輔助邊緣計(jì)算系統(tǒng)的模型如圖1所示，包括無人機(jī)、地面設(shè)備和邊緣服務(wù)器三個(gè)部分。其中，無人機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算卸載，地面設(shè)備用于感知數(shù)據(jù)的采集和處理，邊緣服務(wù)器則用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流向如下：感知數(shù)據(jù)從地面設(shè)備發(fā)出，無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算卸載，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭吘壏?wù)器。


圖1無人機(jī)輔助邊緣計(jì)算系統(tǒng)模型

為了優(yōu)化系統(tǒng)的時(shí)延和能耗，需要考慮以下幾個(gè)因素：

-無人機(jī)的能源狀態(tài)和能力；

-無人機(jī)與地面設(shè)備之間的通信距離和傳輸速率；

-地面設(shè)備的能源狀態(tài)和處理能力；

-邊緣服務(wù)器的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力。

在考慮以上因素的基礎(chǔ)上，本文提出了一種時(shí)延和能耗聯(lián)合優(yōu)化的解決方案。該方案主要包括無人機(jī)的動(dòng)態(tài)航跡規(guī)劃、資源分配和調(diào)度算法、多尺度數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)以及協(xié)同計(jì)算模型。具體內(nèi)容如下。

4.時(shí)延和能耗聯(lián)合優(yōu)化方案

4.1無人機(jī)的動(dòng)態(tài)航跡規(guī)劃

無人機(jī)的動(dòng)態(tài)航跡規(guī)劃是無人機(jī)輔助邊緣計(jì)算系統(tǒng)的核心問題之一。通過合理的航跡規(guī)劃，可以減少無人機(jī)在空中的等待時(shí)間和飛行距離，從而降低系統(tǒng)的時(shí)延和能耗。

在航跡規(guī)劃中，首先需要根據(jù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和無人機(jī)的能源狀態(tài)，確定無人機(jī)的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)。然后，需要采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法對(duì)無人機(jī)的航跡進(jìn)行規(guī)劃。規(guī)劃的過程中需要考慮以下幾個(gè)因素：

-飛行距離減少：通過選擇合適的飛行路徑，并合理利用無人機(jī)的速度和高度，盡可能的減少飛行距離。

-飛行時(shí)間減少：通過合理規(guī)劃飛行路徑和速度，盡可能的縮短飛行時(shí)間，從而減少無人機(jī)在空中的等待時(shí)間。

-能量消耗降低：通過合適的航跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)策略，盡可能地降低無人機(jī)的能量消耗。

此外，為了避免無人機(jī)和地面設(shè)備之間的通信距離過遠(yuǎn)，需要將無人機(jī)的目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置在離地面設(shè)備較近的區(qū)域內(nèi)。同時(shí)，考慮到無人機(jī)的能源狀態(tài)不同，需要對(duì)不同狀態(tài)下的無人機(jī)分別進(jìn)行航跡規(guī)劃。

4.2資源分配和調(diào)度算法

資源分配和調(diào)度算法是無人機(jī)輔助邊緣計(jì)算系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分。通過合理的資源分配和調(diào)度算法，可以提高系統(tǒng)的資源利用率，降低系統(tǒng)的時(shí)延和能耗。在資源分配和調(diào)度算法中，需要考慮以下幾個(gè)因素：

-無人機(jī)與地面設(shè)備之間的通信速率和能量消耗：對(duì)于傳輸相同的數(shù)據(jù)量，傳輸速率越高，無人機(jī)的能耗就越高。因此，在資源分配和調(diào)度算法中，需要根據(jù)無人機(jī)和地面設(shè)備之間的通信速率和能耗消耗，合理分配傳輸帶寬。

-地面設(shè)備的計(jì)算能力和能量消耗：地面設(shè)備作為數(shù)據(jù)感知和處理的重要設(shè)備，需要考慮其計(jì)算資源的利用率和能量的消耗率。因此，在資源分配和調(diào)度算法中，需要根據(jù)地面設(shè)備的計(jì)算能力和能源狀態(tài)，合理分配數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

-邊緣服務(wù)器的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力：邊緣服務(wù)器作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算的中心，對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力有著很高的要求。因此，在資源分配和調(diào)度算法中，需要根據(jù)邊緣服務(wù)器的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，合理分配計(jì)算和存儲(chǔ)任務(wù)。

在資源分配和調(diào)度算法中，需要采用優(yōu)化算法對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。如圖2所示，通過矩陣優(yōu)化算法得出了無人機(jī)和地面設(shè)備之間的傳輸帶寬。


圖2資源分配和調(diào)度算法示意圖

4.3多尺度數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)

為了減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延和能耗，需要采用有效的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，采用多尺度數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地壓縮和傳輸，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延和能耗。多尺度數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)是指將數(shù)據(jù)分為不同的尺度，對(duì)不同尺度的數(shù)據(jù)應(yīng)用不同的壓縮算法。通過將不同尺度的數(shù)據(jù)壓縮和合并，最終得到壓縮后的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行傳輸和解壓縮。

圖3展示了多尺度壓縮的過程。在數(shù)據(jù)傳輸中，將不同尺度的數(shù)據(jù)分開處理，對(duì)每個(gè)尺度應(yīng)用不同的壓縮算法，使得壓縮效果更好，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延和能耗?？梢愿鶕?jù)數(shù)據(jù)的特征和需求來選擇不同的壓縮算法，如JPEG、PNG、GZIP等。


圖3多尺度壓縮過程

4.4策略優(yōu)化和協(xié)同調(diào)度

在邊緣計(jì)算和無人機(jī)協(xié)同應(yīng)用中，有多個(gè)資源需要協(xié)同調(diào)度和策略優(yōu)化。針對(duì)這個(gè)問題，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的策略優(yōu)化和協(xié)同調(diào)度算法，使得各個(gè)資源能夠協(xié)同工作，達(dá)到最優(yōu)的性能。

策略優(yōu)化和協(xié)同調(diào)度算法包括任務(wù)調(diào)度、資源分配、功耗優(yōu)化、負(fù)載均衡等方面的內(nèi)容。通過對(duì)各個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的資源利用和系統(tǒng)性能。

5.總結(jié)與展望

本文闡述了邊緣計(jì)算和無人機(jī)技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，探討了邊緣計(jì)算和無人機(jī)應(yīng)用中的技術(shù)挑戰(zhàn)和解決方案。具體包括了無人機(jī)和邊緣服務(wù)器之間的通信技術(shù)、資源分配和調(diào)度算法、多尺度數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和策略優(yōu)化和協(xié)同調(diào)度等方面。未來還有許多問題需要進(jìn)一步研究和解決，如安全問題、動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)、自學(xué)習(xí)等。隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，邊緣計(jì)算與無人機(jī)協(xié)同應(yīng)用將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用未來的邊緣計(jì)算與無人機(jī)協(xié)同應(yīng)用將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，邊緣計(jì)算將成為智能設(shè)備和智能系統(tǒng)之間的重要橋梁，無人機(jī)技術(shù)將成為未來生產(chǎn)和服務(wù)領(lǐng)域的重要工具。

未來的研究方向包括如何更好地實(shí)現(xiàn)無人機(jī)和邊緣服務(wù)器之間的通信，如何進(jìn)一步完善資源分配和調(diào)度算法，如何實(shí)現(xiàn)更高效的多尺度數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，如何進(jìn)一步完善策略優(yōu)化和協(xié)同調(diào)度算法等方面的問題。同時(shí)，還需要進(jìn)一步研究邊緣計(jì)算與無人機(jī)應(yīng)用中的安全問題，如數(shù)據(jù)隱私、信息安全等問題，并探索動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)和自學(xué)習(xí)等方向的研究。

總之，邊緣計(jì)算和無人機(jī)協(xié)同應(yīng)用的不斷發(fā)展和完善將為未來的智能生產(chǎn)和服務(wù)領(lǐng)域帶來更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。我們相信，在不久的將來，邊緣計(jì)算和無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)將會(huì)實(shí)現(xiàn)更高效、更智能、更安全的應(yīng)用未來的邊緣計(jì)算和無人機(jī)協(xié)同應(yīng)用將會(huì)呈現(xiàn)出更加智能化、自主化的趨勢(shì)。隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，邊緣計(jì)算在實(shí)現(xiàn)更高效數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)響應(yīng)的同時(shí)，也將更多地發(fā)揮對(duì)智慧城市、智能工廠、智能家居等領(lǐng)域的支持作用。無人機(jī)技術(shù)則將在農(nóng)業(yè)、物流、消防、安全保衛(wèi)等諸多領(lǐng)域中發(fā)揮出更加重要的作用，為人們的生產(chǎn)和生活帶來更多便利和安全。

未來的研究方向也將更加側(cè)重于問題的細(xì)致化和深化。如在無人機(jī)和邊緣服務(wù)器之間的通信方面，需要深入探討多種通信協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)，提出更加高效、可靠的通信方案；在資源分配和調(diào)度算法方面，需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景下任務(wù)調(diào)度的優(yōu)化，以適應(yīng)更多的行業(yè)應(yīng)用；在多尺度數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)方面，需要深入研究不同數(shù)據(jù)類型的特征，并針對(duì)性地開發(fā)適用的壓縮算法；在策略優(yōu)化和協(xié)同調(diào)度方面，需要進(jìn)一步深入探討各種算法的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。

除此之外，未來的研究方向也將更加注重邊緣計(jì)算和無人機(jī)應(yīng)用中的安全問題。如如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隱私、信息安全等問題保障，怎樣應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊、威脅等問題等都需要進(jìn)行更加系統(tǒng)、深入的研究。此外，未來研究還將更加側(cè)重于動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)和自學(xué)習(xí)等方向的研究，以進(jìn)一步提高邊緣計(jì)算和無人機(jī)協(xié)同應(yīng)用的