一种STAR-RIS辅助的混合NOMA计算卸载方法

一种star-ris辅助的混合noma计算卸载方法
技术领域
1.本发明涉及物联网技术领域，具体为一种star-ris辅助的混合noma计算卸载方法。


背景技术：

2.未来6g网络架构为支持扩展现实，智能设备，全息无线电，卫星网络等新型技术，提出了6g网络下的超低时延通信要求。但6g网络接入设备预计达到万亿级别，通信数据量大，且多数设备的计算能力与能源配置不支持大数据量的低时延处理。现有研究提出边缘计算卸载解决6g超低时延问题，通过将设备产生的数据卸载到计算资源丰富的边缘节点处理，实现低时延的任务数据计算。但是，在海量物联网设备接入的情况下，大量任务数据处理给计算节点造成严重负担，进而导致网络阻塞、时延增加问题。
3.现有技术中采用的卸载方式主要为传统无线传输卸载、ris辅助增强无线卸载以及noma辅助无线卸载，这类技术方案及其技术缺点分别如下：
4.传统无线传输卸载：传统无线传输通常通过无线视距链路传输卸载链路，处理结果同样通过无线链路回传至用户端。其局限性为物联网用户同一时间仅能选择一个卸载计算节点传输任务，卸载灵活性低，且卸载传输性能受实际信道情况制约严重。特别是当信道被障碍物遮挡，或网络中卸载传输较多时，严重的路径损耗与信号干扰显著降低了传输速率，时间消耗增加。
5.ris辅助增强无线卸载：常规ris辅助增强无线卸载，即通过ris辅助构建额外传输路径，以提升卸载速率和卸载范围。其局限性为常规ris仅能将卸载任务传输到反射面一侧，无法实现多方向的卸载，对网络中计算资源使用率有限。且ris构建辅助信道使网络无线电环境复杂化，通信干扰加剧，在多用户情况下信号干扰降低传输速率，影响网络卸载处理性能。
6.noma辅助无线卸载：noma辅助无线通信，主要通过noma技术复用时频资源，实现同时多方向的传输，对单物联网用户来说，可以实现同时向多个计算节点卸载，利用多个节点资源提升任务处理性能。但由于noma的解码顺序等传输规则的限制，其相比于常规tdma传输方式，在不同卸载场景和卸载条件下noma并非总是最佳的策略。并且noma辅助卸载仍然收到时间信道情况的制约。
7.综上所述，本专利提出一种star-ris辅助的混合noma卸载方案，可实现同时多方向的传输，卸载范围覆盖扩大，可满足各种卸载条件下的低时延计算卸载需要。


技术实现要素：

8.(一)解决的技术问题
9.针对现有技术的不足，本发明提供了一种star-ris辅助的混合noma计算卸载方法，具备通过应用ris技术与多址通信技术实现计算卸载资源灵活分配，进一步降低计算卸载时延，满足海量设备接入时的低时延通信需求的优点，解决了上述背景技术中所提出的
问题。
10.(二)技术方案
11.本发明提供如下技术方案：一种star-ris辅助的混合noma计算卸载方法，所述卸载方法包括以下步骤：
12.s1、在卸载流程开始前，主基站收集并缓存网络中超表面与辅助基站基础信息；
13.s2、用户需要卸载任务时，首先向主基站发送卸载请求；
14.s3、主基站接收到用户卸载要求，首先判断用户任务是否满足卸载处理要求，根据主基站自身服务能力，以及缓存的辅助基站服务能力，判断是否支持处理该用户的卸载任务类型；
15.s4、在卸载策略优化完成后，主基站即可通知user，辅助基站，ris准备进行任务卸载，主基站需要首先通知超表面和辅助基站做好卸载准备，辅助基站接收到信息后进入卸载接收状态，直到接收到卸载完成消息，期间保持对user卸载任务的接收；
16.s5、超表面与辅助基站配置完成后，主基站再将策略发送给用户，并使自身进入数据接收状态，用户接收到策略后，开始按照最优卸载策略卸载任务。
17.优选的，主基站收集网络中超表面，辅助基站基础信息，该操作可在超表面和辅助基站接入网络中时同步进行，并基于基础信息进行信道估计，信任度计算等操作。
18.优选的，主基站接收user卸载请求：包括信道状态信息、user卸载任务量以及大小基站计算能力。
19.优选的，主基站基于所提方案与传输算法，优化卸载策略，具体包括时间分配，卸载次序，star-ris相位调制，卸载任务分配，功率分配，解码顺序等，最小化总时间消耗。
20.优选的，基于优化后的卸载策略，主基站向ris发送相位配置，并将卸载请求发送给辅助基站，此时ris调整元素相位，辅助基站进入任务接收状态，之后分别发送确认信息到主基站。
21.优选的，基于混合noma卸载策略，当卸载方案改变，noma传输转换为tdma传输，或tdma传输转换为noma传输时，超表面需要重新配置，此时user暂停卸载，向主基站发送卸载方案变更信息。
22.优选的，user卸载完成后，向主基站发送卸载完成信息，主基站接收到确认信息后，向辅助基站发送卸载完成信息，同时关闭任务接收，开始任务计算过程，辅助基站接收到卸载完成确认后，也关闭任务接收，进入到任务计算过程。
23.与现有技术相比，本发明提供了一种star-ris辅助的混合noma计算卸载方法，具备以下有益效果：
24.1、该star-ris辅助的混合noma计算卸载方法，引入了star-ris技术来辅助物联网设备的计算卸载，并进一步设计了一种混合noma的卸载方案来降低卸载时延，本方案充分考虑了利用多方卸载充分利用网络资源进行卸载计算，并通过star-ris技术实现物联网设备向多方向同时卸载，并结合noma技术在同时多方向卸载时实现时频资源复用，进一步提升卸载性能，相比于传统的仅反射ris辅助卸载，或单一noma/tdma卸载方案，本方案灵活性更高，卸载通信范围更广。
25.2、该star-ris辅助的混合noma计算卸载方法，star-ris的同时折射/反射特性，可以在实现物联网设备的同时多方向卸载场景下多条链路的同时辅助增强，并可以根据具体
情况动态调整超表面相位改变对多条卸载路径的传输增益，相比传统ris有更高的灵活性。
26.3、该star-ris辅助的混合noma计算卸载方法，传统的noma或tdma方案在不同场景下各有优劣，无法作为全部卸载场景下的最优传输策略，混合noma方案综合考虑了noma方案和tdma方案，卸载过程可根据具体卸载场景，在noma和tdma之间动态切换，实现更低时延的卸载。
附图说明
27.图1为本发明star-ris和混合noma辅助的计算卸载方案示意图；
28.图2为本发明流程方案示意图；
29.图3为本发明user首先向bs卸载示意图；
30.图4为本发明user首先向sbs卸载示意图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.请参阅图1-4，一种star-ris辅助的混合noma计算卸载方法，所述卸载方法包括以下步骤：
33.s1、在卸载流程开始前，主基站收集并缓存网络中超表面与辅助基站基础信息，当有ris和辅助基站接入网络时，需要对超表面和辅助基站进行认证，其中需要ris和辅助基站将各自基础信息发送至主基站，其中包括包含超表面类型，位置，元素数量等ris信息和辅助基站类型，位置，计算资源等辅助基站信息。主基站会将收集到数据进行缓存，并对超表面和辅助基站进行认证，信任度计算等操作，处理结果同样缓存在主基站端；
34.s2、用户需要卸载任务时，首先向主基站发送卸载请求，其中，用户卸载请求包括卸载任务信息，具体包含卸载任务数据量，卸载任务类型，任务处理时延要求，以及物联网用户自身信息，具体包含传输功率大小，配置天线数量，用户位置信息等；
35.s3、主基站接收到用户卸载要求，首先判断用户任务是否满足卸载处理要求，根据主基站自身服务能力，以及缓存的辅助基站服务能力，判断是否支持处理该用户的卸载任务类型，若网络中存在资源无法处理该类型的用户任务，则告知用户自行处理任务，否则继续卸载任务的处理；若用户任务符合卸载计算要求，则可以为该用户任务分配合适的计算资源处理任务。主基站决定所要使用的辅助基站。对于网络中存在的辅助基站，主基站基于辅助基站的位置信息，计算能力，信任度等综合考虑选择最优的辅助基站。其中信任度的计算通过辅助基站的历史任务处理概率得到，历史任务处理概率为该辅助基站在预设时间内完成某类型任务的概率，主基站通过历史记录计算得到该辅助基站的直接信任值。同时，主基站还可以收集网络中其他基站对于当前辅助基站的信任值，即间接信任值。总和直接和间接信任值计算得到该主基站对该辅助基站的信任度。辅助基站信任度可用于辅助基站选择策略以及卸载到辅助基站任务比例的设置；
36.s4、在卸载策略优化完成后，主基站即可通知user，辅助基站，ris准备进行任务卸
载，主基站需要首先通知超表面和辅助基站做好卸载准备，辅助基站接收到信息后进入卸载接收状态，直到接收到卸载完成消息，期间保持对user卸载任务的接收；ris则需要根据优化卸载进行相位调整。ris可由主基站动态控制，即ris配置有处理单元，可以接收主基站发送的相位配置信息，动态调整超表面元素相位，并在调整完成后向主基站发送配置完成消息；
37.s5、超表面与辅助基站配置完成后，主基站再将策略发送给用户，并使自身进入数据接收状态，用户接收到策略后，开始按照最优卸载策略卸载任务，卸载过程中，若发生卸载策略切换，用户首先向主基站发送切换信息，主基站接收到之后按照卸载策略发送相位配置信息到超表面，改变超表面配置，配置完成后再通知用户继续进行卸载操作。
38.若超表面配置的处理单元具有缓存功能，则主基站优化得到卸载策略后，可将各卸载阶段的相位配置信息发送到ris并存储在ris本地。user进行卸载方案切换时，也可以之间向ris发送切换信息，ris自动进行相位重配置，并在完成后通知user继续卸载。
39.具体卸载方案流程如下所示：
40.(1)主基站收集网络中超表面，辅助基站基础信息。该操作可在超表面和辅助基站接入网络中时同步进行。并基于基础信息进行信道估计，信任度计算等操作
41.(2)主基站接收user卸载请求：包括信道状态信息，user卸载任务量，大/小基站计算能力。
42.(3)主基站基于所提方案与传输算法，优化卸载策略。具体包括时间分配，卸载次序，star-ris相位调制，卸载任务分配，功率分配，解码顺序等，最小化总时间消耗。
43.(4)基于优化后的卸载策略，主基站向ris发送相位配置，并将卸载请求发送给辅助基站。此时ris调整元素相位，辅助基站进入任务接收状态。之后分别发送确认信息到主基站。
44.(5)主基站将卸载策略相关信息发送给user，接收到用户确认后，主基站进入接收任务状态，并向user发送开始卸载信息。
45.(6)user接收到主基站信息后，r根据算法优化结果进行任务卸载，超表面辅助将任务卸载至主基站与辅助基站。
46.(7)基于混合noma卸载策略，当卸载方案改变时(即noma传输转换为tdma传输，或tdma传输转换为noma传输)，超表面需要重新配置。此时user暂停卸载，向主基站发送卸载方案变更信息。
47.(8)主基站接收卸载方案变更信息，基于优化卸载策略对ris相位进行调整。相位配置完成后向user发送继续卸载信息。user接收到信息后继续任务卸载。
48.(9)user卸载完成后，向主基站发送卸载完成信息。主基站接收到确认信息后，向辅助基站发送卸载完成信息，同时关闭任务接收，开始任务计算过程。辅助基站接收到卸载完成确认后，也关闭任务接收，进入到任务计算过程。
49.对于卸载次序的不同，可以大致分为以下两种卸载方案π∈{π1,π2}，即user先向bs卸载后向sbs卸载，如图3；或user先向sbs卸载后向bs卸载，如图4。其中表示user单独向bs和sbs传输的时间，在此阶段star-ris被优化为单独辅助增强其中一条信道；
表示user基于noma方式向两基站同时卸载的时间，此阶段star-ris同时辅助反射与折射两条信道；表示bs和sbs计算卸载任务所需的时间。由于主要时间消耗中，任务卸载阶段和任务处理阶段占比较大，所以目标函数忽略了相关信息获取时延，卸载策略信息和ris控制信息传输时延以及任务处理结果回发时延。
50.问题模型如下所示，具体考虑了功率分配，反射面优化，卸载策略选择，时间分配，解码顺序，任务划分等因素的优化。
[0051][0052][0053][0054][0055][0056][0057]ns
＝ρn,nb＝(1-ρ)n,
[0058][0059]
0≤|u
b,m
|2,|u
s,m
|2,|u
b,m
|2 |u
s,m
|2≤1,
[0060]
pb ps≤p,pb≥0,ps≥0，
[0061][0062][0063][0064]
对于具体问题求解可分为以下步骤：
[0065]
固定选择一个卸载顺序π与解码顺序o
[0066]
对时间分配与任务划分比例ρ做分类讨论，得到不同情况条件下时间分配与任务比例的最优解
[0067]
基于sca迭代优化功率分配pk与反射面相位得到最优解
[0068]
比较不同分类讨论条件下优化得到的卸载时延，选择时延最小的作为最优的卸载方案。
[0069]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换
和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。