一种移动边缘计算的设备发现方法与流程

1.本发明涉及无线通信网络与移动边缘计算技术领域，具体针对移动边缘计算系统在设备发现过程，提出一种低延迟低能耗的移动边缘计算的设备发现方法。


背景技术：

2.随着物联网及移动通信技术的发展，万物互联时代正在开启，涌现了众多计算密集型的智能物联网应用，如无人驾驶、虚拟/增强现实、远程医疗、智慧城市等，这些应用对通信数据速率、用户密度、计算时延、可靠性等指标提出了较为苛刻的要求。一方面，受限于电池技术和设备尺寸，移动终端设备的计算能力，以及通信/计算资源非常有限，终端设备的本地计算无法支持这些新型应用。另一方面，传统的云计算技术，支持移动终端设备的计算卸载，但由于数据中心位置通常位于远离移动终端设备，并且核心网络的流量压力日益增大，无法保证低延时的新型物联网应用服务质量要求。
3.作为云计算的扩展，移动边缘计算技术(mec)应运而生，能有效解决用户设备算力不足及云计算延时无法保证的难题。具体的，通过在无线网络边缘节点部署边缘计算服务器，移动边缘计算技术在无线接入网侧为移动终端设备提供高速率通信和低延时计算服务，支持移动终端设备的计算卸载，降低时延和用户设备能耗。
4.设备发现技术是移动边缘计算的关键技术，是建立通信链路并启动计算卸载应用的前提。通过设备发现环节，基站可以检测到周围一定范围的移动设备。通过高效率的设备发现方法能够提高发现近距离设备的精确度，以保证设备与基站之间直接进行数据传输的进行。
5.随着移动设备端的通信和处理器能力的增强，在未来的无线网络和物联网应用，移动通信计算卸载技术是增强移动边缘计算的关键技术。在许多应用场景中(如游戏和社交网络)，距离相近的设备具有共享内容或彼此交互的需求。移动通信计算卸载技术能够在如下几个方面提高网络效率，提高应用的使用体验。首先，它节省了大量信令带宽资源，并减少了传输延迟。其次，借助基站执行设备间的交互相比或者计算任务，它可以节省大量的能耗。


技术实现要素：

6.本发明针对移动终端设备的设备发现阶段，提出了移动边缘计算的设备发现方法，降低终端设备能耗和时间延迟。
7.为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
8.一种移动边缘计算的设备发现方法，包括：
9.围绕基站建立移动边缘计算设备发现模型，所述发现模型包括基站以及基站覆盖范围内能与基站通信的终端设备；
10.针对所述发现模型，终端设备通过向基站发送导航信号信息来进行信道竞争，基站确定区域内终端设备的发现成功数目、终端设备发现总时间延迟以及终端设备竞争资源
块所需总的能耗；
11.基站利用参与竞争的终端总数目、终端设备的发现成功数目，结合终端设备发现总时间延迟、资源块竞争所需能耗构造终端设备发现问题的目标函数；
12.针对所述目标函数，通过综合加权与多目标迭代的方法，求解得到每一时隙终端设备发现数目；基站根据所述终端设备发现数目，在接收到终端设备发送的导航信号后执行不同的反馈策略。
13.进一步地，所述发现模型中，基站与终端设备通信的资源池中共有r个资源块，任一终端设备的设备发现过程需要使用1个资源块；当m个终端设备同时启动设备发现程序时，这些m个终端设备将竞争r个资源块。
14.进一步地，基站在自己小区内散布公用资源配置信息，参与信道竞争的终端设备向基站发送导航信号信息，检测信道是否处于忙碌状态；
15.所有终端设备启动设备发现程序进行信道竞争时，发现成功的终端设备进行标记不再参与下一次竞争，未发现成功的终端设备则更新冲突次数，并执行二进制退避机制，生成随机概率r，在两个时隙间进行选择。
16.进一步地，所述未发现成功的终端设备则更新冲突次数，并执行二进制退避机制，生成随机概率r，在两个时隙间进行选择，包括：
17.若信道空闲，则基站给终端设备发送反馈信息，终端设备接收到反馈信息后，将自身冲突次数与冲突次数阈值进行比较，若自身冲突次数小于冲突次数阈值，则该终端设备将数据信息发送给基站参与竞争，如果竞争失败则执行避让；如果自身的冲突次数等于或大于冲突次数阈值，则产生一个[0,1]之间随机概率r，如果r小于概率阈值p，终端设备继续参与竞争，否则避让到下一个时隙；其中，阈值p由基站确定，p＝a/b，其中a为本次终端设备同时启动设备发现程序时竞争成功的终端设备的数目，b为上一次终端设备同时启动设备发现程序时没有竞争成功的终端设备的数目。
[0018]
进一步地，所述基站确定区域内终端设备的发现成功数目、终端设备发现总时间延迟以及终端设备竞争资源块所需总的能耗，其中：
[0019]
终端设备的发现成功数目，为每一时隙发现的终端设备数目之和；
[0020]
终端设备发现总时间延迟表示为其中t
i
＝n
i
k
ij
τ，k
ij
为第i个时隙且冲突次数为j的终端数量，τ表示终端设备的竞争时延，n
i
表示每一个终端设备竞争次数；
[0021]
终端设备竞争资源块所需总的能耗表示为：其中σ2表示信道噪声功率，h
k
表示不同终端设备k到基站的功率增益，λ
k
表示不同终端设备的建立通信任务量，b表示带宽。
[0022]
进一步地，所述构造终端设备发现问题的目标函数，表示为：
[0023][0024]
其中，μ1≥0，μ2≥0和μ3≥0表示非负加权系数，用以表示和调整系统运营商对设备发现率、发现时间以及发现能耗指标重要性的偏好。
[0025]
相应的，设备发现约束条件如下所示：
[0026]
m≥s,k
i
＞k
i 1
,i∈{1,2,3...m}
[0027]
k
ij
≥0,
[0028]
n
i
≥0,i∈{1,2,3...m}
[0029]
其中，m为参与竞争的终端设备总数目，s为终端设备的发现成功数目，k
i
为每一时隙的终端设备发现数目。
[0030]
进一步地，所述基站根据所述终端设备发现数目，在接收到终端设备发送的导航信号后执行不同的反馈策略，包括：
[0031]
针对所述目标函数，求解得到每一时隙终端设备发现数目k
i
，；当得到计算得到的终端设备发现数目k
i
大于设定阈值f
threhold
的时候，表明过多的终端设备在同一时隙去进行设备发现，此时基站减少发送反馈信息rx的数量，使得更少的终端设备去进行设备发现；若得到终端设备发现数目k
i
小于阈值f
threhold
，则将当前每一时隙设备发现数目作为设备发现最优值；得出最优值时，基站在单一时隙发现足够的终端设备，就不再给其他设备发送反馈信息，完成终端设备发现。
[0032]
与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：
[0033]
1.本发明利用当前已知的资源与终端设备数量信息，采用概率退避算法去确定在时效范围内能够建立有效通信的终端设备数目，当多个设备竞争统一资源时，需要关注多次冲突的设备，让其更容易被发现，避免需要过多等待的时延，既能保证设备发现率，也降低设备时延与能耗。
[0034]
2.本发明通过利用多目标优化算法方法(总的问题是范围内求任意设备数量与次数)，将其转化成若干子问题(分别求数量与冲突次数)，首先通过确认每一次成功数k
i
，以及总的成功竞争设备数s以及参与的次数n
i
，竞争失败率(m
‑
s)/m，总体时延以及能耗，通过优化得出最佳结果，有效降低了系统模型时延与能耗。
附图说明
[0035]
图1为本发明方法的系统模型图。
具体实施方式
[0036]
本发明提出一种移动边缘计算的设备发现方法，基于概率避退机制，实现系统时延与能耗最小化。采用概率二进制避退机制的设备发现方法，确保在设备竞争结果下，保证设备发现成功率，能够保证设备发现的公平性，也能使得每个设备能更早被发现。通信与计算资源的优化分配使得达到性能指标最大化，使得设备竞争成功率高，总的时延小，能耗低；下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0037]
参见附图，本发明提出的一种移动边缘计算的设备发现方法，包括以下步骤：
[0038]
步骤1，围绕基站建立移动边缘计算设备发现模型，包括基站以及基站覆盖范围内能与基站通信的若干终端设备。
[0039]
所建立的模型是基于设备二进制避退下设备发现总的成功终端设备数目以及能耗与时延问题，考虑基站与终端设备通信的资源池中共有r个资源块(rbs，resource blocks)，任一终端设备的设备发现过程需要使用1个rb。当m个终端设备同时启动设备发现程序时，这些m个终端设备将竞争r个rbs。终端设备占用该资源块即竞争成功，此时竞争成
功的终端设备能成功和基站建立数据通信，其余终端只能另外占有。
[0040]
在图1所示的模型中，信号塔表示基站，终端设备有手机，笔记本等，单/双向箭头号表示能够相互通信以及建立通信。由于系统中总共存在大量的终端设备，终端设备同时发送信号时，存在一定的碰撞概率(即多个设备再同一时刻采用相同的通信频段资源)，将导致某些终端设备无法建立有效通信，如设备间相互竞争资源发送信号，出现同一资源被多个终端设备使用，就会出现碰撞，造成无法有效识别，从而降低传输效率。
[0041]
步骤2，针对移动边缘计算设备发现模型，终端设备通过向基站发送导航信号信息来进行信道竞争，基站确定区域内终端设备的发现成功数目、终端设备发现总时间延迟以及终端设备竞争资源块所需总的能耗。
[0042]
在动态环境中，所有终端设备位置可能是时刻变化的，当基站周围其他终端设备位置发生变化时候，基站需要及时感应以及更新；基站首先在自己小区内散布公用资源配置信息，参与竞争的终端设备向基站发送数据信息(自身的设备状态、位置)前发送导航信号信息(tx信息(transmit信号))，检测信道是否处于忙碌状态；若信道忙碌，即信道上传输数据大于设定阈值，认定信道被占用，参与竞争的终端设备就停止数据信息传输，等待一段时间后再重新检测信道。
[0043]
所有终端设备启动设备发现程序参与信道竞争时，发现成功的终端设备进行标记不再参与下一次竞争，未发现成功的终端设备则更新冲突次数，并执行二进制退避机制，生成随机概率r，在两个时隙间进行选择：
[0044]
该步骤中，所有终端设备通过概率避退方法去促使自己被发现，避免造成碰撞使得无法被发现。若信道空闲，即信道上传输数据远小于传输数据阈值，则基站给终端设备发送反馈信息rx，终端设备接收到反馈信息后，将自身冲突次数与n(冲突次数阈值)进行比较，若自身冲突次数小于冲突次数阈值，则该终端设备将数据信息(设备状态、位置信息)发送给基站参与竞争，如果竞争失败则执行避让；如果自身的冲突次数等于或大于冲突次数阈值，则产生一个[0,1]之间随机概率r，如果r小于概率阈值p，终端设备继续参与竞争，否则避让到下一个时隙。通过设定冲突次数阈值，当终端设备与其他终端竞争失败后，终端设备会记录自己参与次数，达到阈值次数，则优先分配资源，促使其尽快成功，避免多次无效竞争。其中，阈值p由基站确定，p＝a/b，其中a为本次终端设备同时启动设备发现程序时竞争成功的终端设备的数目，b为上一次终端设备同时启动设备发现程序时没有竞争成功的终端设备的数目。
[0045]
这样，整个过程中只有可能在基站发送反馈信息rx时发送碰撞冲突，即所有终端设备在此之前都是发送tx信息(导航信号信息)，不会因数据量大发生碰撞，只有基站发送反馈信号后，终端设备传输大量数据信息造成超负荷，
[0046]
发生碰撞冲突，造成设备发现失败；概率避让使得终端设备没必要全部去竞争同一时刻传输数据而失败，相反顺延下一时刻，整体提高了设备发现成功率。
[0047]
基站记录每一时隙在基站覆盖范围内发现的终端设备数目(竞争成功的终端设备数目)k
i
，参与竞争资源块的终端设备总数目m、总时间段d内发现的所有终端设备数目s。碰撞概率最小化的设备数目为：k
*
＝
‑
1/ln(1
‑
1/r)，即最大设备发现数目，其中r为资源块数量，k*在设备发现时也就是一个阈值，是单一时限内最多能够发现的设备数目。基站不可能一次性全部发现，造成数据传输碰撞从而发现失败，所以根据实际情况设定一个最大值。
[0048]
该步骤中，在总的时间范围内，每经过一个时隙i∈{d/n},n∈{1,2,3,...}，发现的终端设备数目k
i
，其中第一个时隙发现的终端设备数目为k1，第二个时隙发现的终端设备数目为k2，一直到最后一个时隙，最终在时间d范围内，终端设备的发现成功数目：s＝k1 k2 ... k
i
，设备竞争发现失败率为：η＝1
‑
s/m。
[0049]
在给定的时间段内，首次发现成功的终端设备直接建立与基站联系，可忽略其时间延迟，第二次竞争时，将产生竞争时延τ。基站统计区域内终端设备的竞争成功率，任一终端设备发现总时间延迟以及资源块竞争所需的能耗；记第i个时隙且冲突次数为j的终端数量为k
ij
，因此，第i次竞争成功的设备时延为(i
‑
1)τ，每个时隙总的时延为：t
i
＝k
i
‑1(i
‑
1)τ＝n
i
k
ij
τ，设备发现总时间延迟为：另外，为了更好体现性能以及比较，采用平均时间延迟反映系统终端设备的时延敏感度，平均时间延迟为：
[0050]
在所有终端设备与基站构建联系时需要每一个设备向基站发送请求需要占用其指定资源，在构建通信链路时以及终端设备在发现识别过程中发送的身份信息与状态信息，需要消耗部分能量。基站与终端设备下发资源池建立通信关系，相当于终端设备向基站发送任务请求。让λ
k
表示不同终端设备的建立通信任务量，h
k
表示不同终端设备到基站的功率增益，σ2表示信道噪声功率，用户k到基站的建立通信每一次资源块竞争所需的能耗为则终端设备竞争资源块所需总的能耗为n
i
表示每一个终端设备竞争次数，τ表示每一次竞争等待产生的时延，b表示带宽。时延、能耗越小的终端设备，越适合当作本时隙发现的终端设备。
[0051]
步骤3，基站利用参与竞争的终端总数目、终端设备的发现成功数目，结合终端设备发现总时间延迟、终端设备竞争资源块所需总的能耗造终端设备发现问题的目标函数：
[0052][0053]
其中，μ1≥0，μ2≥0和μ3≥0表示非负加权系数，用以表示和调整系统运营商对设备发现率、发现时间以及发现能耗指标重要性的偏好。
[0054]
相应的，设备发现约束条件如下所示：
[0055]
m≥s,k
i
＞k
i 1
,i∈{1,2,3...m}
[0056]
k
ij
≥0,
[0057]
n
i
≥0,i∈{1,2,3...m}
[0058]
在上式中，m为参与竞争的终端设备总数目，s为终端设备的发现成功数目，λ
k
表示不同终端设备的建立通信任务量，b表示通信带宽，h
k
表示不同终端设备到基站的功率增益，k
i
为每一时隙的终端设备发现数目，k
ij
为终端设备碰撞次数信息(第i个时隙且冲突次数为j的终端设备数量)，n
i
表示每一个终端设备竞争次数，τ表示每一次竞争等待产生的时延，σ2表示信道噪声功率，σ为信道噪声功率的标准差。
[0059]
该步骤中，最小化设备发现失败率时延与能耗分别用不同公式表示，将目标整合成最小化问题，使得运算以及求解更加方便。统计不同终端设备在设备发现过程中最终次数，可以得出总的时延与能耗。
[0060]
步骤4，针对所述目标函数，通过综合加权与多目标迭代的方法，求解得到每一时隙终端设备发现数目；基站根据所述终端设备发现数目，在接收到终端设备发送的导航信号后执行不同的反馈策略。
[0061]
针对所述目标函数，求解得到每一时隙终端设备发现数目k
i
，第i个时隙且冲突次数为j的终端设备数量k
ij
以及每一终端设备竞争次数n
i
。当得到计算得到的终端设备发现数目k
i
大于设定阈值f
threhold
的时候，表明过多的终端设备在同一时隙去进行设备发现，此时返回步骤2，基站减少发送反馈信息rx的数量，使得更少的终端设备去进行设备发现，从而减少信道中发送的数据信息量，这样不会造成设备碰撞失败，迭代更新 不同发现设备数目的计算结果，直到时隙结束，使得每一时隙发现的设备越来越趋于最优值；若得到终端设备发现数目k
i
小于阈值f
threhold
，则将当前每一时隙设备发现数目作为设备发现最优值，得出最优值时，基站在单一时隙发现足够的终端设备，就不再给其他设备发送反馈信息。终端设备就不会继续发送大的数据信息，造成碰撞，造成资源浪费以及增加时延；至此完成设备发现过程。
[0062]
实施例：
[0063]
本发明的仿真以提出的概率避退设备发现机制与常规设备发现进行分析，假设设备发现资源池中rb数目为15，设备每隔50个时隙重置，冲突阈值次数为5，σ2表示信道噪声功率10^
‑
9，终端设备到基站的功率增益h
k
为1.9*10^
‑
9，t为0.2s，带宽b为10^6mhz，λ
k.n
通信任务量为10^3bit/s，平均时延采用能耗为在设备数量低的时候，设备几乎一次就被发现，当设备数量增加时，发现率降低，平均发现时延增加，对比数据得知提出方案有效降低了系统模型时延与能耗，通过测试，结果如下：
[0064]
表1
[0065]