[发明专利]一种混合云和边缘计算的LEO卫星网络计算卸载方法

说明书

本发明涉及一种混合云和边缘计算的LEO卫星网络计算卸载方法，属于计算卸载技术领域。包括1)初始化混合云和边缘计算的LEO卫星网络；2)判断迭代序号值是否小于最大迭代次数，若是，则跳至3)，若否则跳至8)；3)对每一个LEO卫星均执行更新局部决策向量操作；4)更新松弛的全局决策向量；5)更新缩放的拉格朗日乘数向量；6)迭代序号值加1；7)判断对于所有的地面用户，是否均满足两个收敛条件或迭代序号值达到最大迭代次数T，若是，则跳至8)，若否则跳至2)；8)恢复松弛的全局决策向量为二进制值；9)输出最优地面用户计算卸载决策向量。所述方法能提高计算能力、降低计算卸载方法的计算复杂度和地面用户能耗。

技术领域

本发明涉及一种混合云和边缘计算的LEO卫星网络计算卸载方法，属于计算卸载技术领域。

背景技术

近年来，随着空间通信网络的发展，卫星技术在商业，民用和军事服务方面取得了长足的进步，使得低地球轨道(LEO)卫星变得经济且小型化。当前，许多国家已经实施了一些LEO卫星项目，例如OneWeb，SpaceX Starlink和O3b，并且最新消息表明SpaceX将与Azure合作为用户提供全球通信服务。与地面移动通信系统相比，LEO卫星通信网络具有能够实现无缝的全球覆盖的优势。除此之外，移动设备的普及催生了许多计算密集型应用，LEO卫星网络还需要为用户提供各种计算服务支持。

但受LEO卫星高度的影响，LEO卫星中用户的传输延迟会相对较高，难以满足地面用户的实时需求。因此将移动边缘计算(MEC)技术引入LEO卫星网络为地面用户提供计算服务能够降低时延。在具有MEC功能的LEO卫星网络中，用户能够直接将计算任务转移到LEO卫星上进行实时处理，从而减少由频繁的卫星到地面链路传输和端到端服务传输引起的LEO卫星与地面用户之间的时延。

Y.Wang等提出了一种具有双边缘计算能力的卫星地面综合网络，即将MEC服务器同时部署在地面基站和LEO卫星上，以减少用户的能源消耗和时延。Y.Wang等还研究了基于博弈论的卫星边缘计算(SMEC)网络的计算卸载策略，以减少用户的执行时延，用户的计算任务能够选择在本地进行计算或者卸载到LEO卫星上。R.Mijumbi等使用网络功能虚拟化技术在LEO卫星覆盖范围内整合了计算资源，实现了最大程度地减少用户的感知时延，并提出了一种SMEC网络的协作计算卸载策略。此外，C.Qiu等提出了一种软件定义的卫星地面网络，用于动态管理卫星地面网络的缓存和计算资源，并利用深度Q学习方法来对建立的联合资源分配问题进行求解。

现有的计算卸载方法主要有OSCLOC、CL以及COS。在Y.Wang等提出的OSCLOC方法中，地面用户能够选择将计算任务卸载到LEO卫星上或者在本地计算；在CL方法中，计算任务只能由地面用户自行计算；而C.Chi等提出的COS方法则使用内点方法来寻找地面用户的计算卸载决策。

现有的SMEC网络主要研究了地面网络和LEO卫星网络的两层计算网络，不仅能为没有地面通信设施支持的偏远地区用户提供通信和计算服务，还能有效降低用户的时延，但是，这样的两层计算网络的计算资源仍然有限。考虑到云服务器中具有丰富的计算资源，如何结合云服务器中的计算资源从而为地面用户提供更多的计算卸载机会，是一个具有挑战的问题。此外，对于COS方法存在的计算复杂度过高的问题以及OSCLOC和CL方法存在的地面用户能耗过高的问题还存在很大的改进空间。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术中提到的两层计算网络的计算资源有限、现有计算卸载方法计算复杂度和地面用户能耗过高的技术缺陷，提出了一种混合云和边缘计算的LEO卫星网络计算卸载方法，该方法中地面用户根据不同的计算需求选择在本地执行计算任务，或者在LEO卫星上执行或者进一步卸载到云服务中处理。基于此，该方法建立了在满足LEO卫星覆盖时间和计算能力的约束下，最小化地面用户总能耗的优化问题，该优化问题是一个非凸问题，本方法基于交替方向乘子法有效地求解该问题。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：