[发明专利]面向海洋物联网的水声通信边缘计算时延和能耗优化方法

权利要求书

1.面向海洋物联网的水声通信边缘计算时延和能耗优化方法，其特征在于包括以下步骤：

1)设海洋物联网的构架为云层、边缘层和设备层：云层即为陆地云端；设备层由海洋中下可搜集水下信息的传感器节点构成；水下传感器节点组网分簇后的超级节点担任簇头CH节点，则边缘层由簇头CH节点、AUV和水面浮标Sink节点共同构成；

其中，簇头CH节点的计算资源有限且较为分散，设为雾计算节点；AUV计算能力较强且具有良好的机动性，设为移动边缘计算MEC节点；水面浮标Sink节点的计算资源更强，且通过太阳能补充能量，设为微云计算节点；

2)对于边缘层，簇头CH节点负责收集簇内的信息和计算任务，对于计算任务Task_i,i＝1,2,…,n，根据计算任务复杂度ρ_i和计算任务时延敏感性ω_i情况，进行分级；若分级结果通过函数f_rank(·)计算得出，则分级结果Rank_i表达为：

其中，Rank_i＝0表示该计算任务级别最高，需要卸载给簇头CH节点处理；Rank_i＝1表示该计算任务级别中等，可卸载给AUV处理；Rank_i＝2表示该计算任务级别较低，可卸载给Sink节点处理；Rank_i＝3表示该计算任务级别最低，可通过Sink节点卸载给陆地云端处理；

就边缘计算而言，簇头CH节点的任务卸载方式有三种：直接卸载到簇头CH节点、AUV进入簇时卸载至AUV，或通过AUV最终卸载至水面浮标Sink节点；

3)以计算任务分级情况Rank_i和节点计算资源Φ为约束条件，以最小化决策时延τ_i和系统能耗ε_i为目标函数进行优化，待AUV沿设定路线完成一圈绕行进入簇内时，将计算任务分别卸载至CH节点、AUV和水面浮标Sink节点，优化计算任务卸载方案，即：

其中，Ψ_CH，Ψ_AUV和Ψ_Sink分别表示将计算任务卸载给簇头CH节点、AUV和Sink节点这一事件；φ_i表示计算任务Task_i所需的计算资源；Φ_CH，Φ_CH和Φ_CH分别表示簇头CH节点、AUV 和Sink节点的剩余计算资源；α表示决策时延τ_i所占的权重，1-α表示系统能耗ε_i所占的权重，且0α1；

4)对AUV设定固定路线和运行速度，路线经过m个簇，在进入和离开簇时分别与簇头CH节点交换信息，且AUV每沿固定路线运行一周，都会与水面浮标Sink节点交换数据；卸载至三种边缘节点的任务在计算完成后，计算结果通过原路径返回簇头CH节点，簇头CH节点再将其返还给簇内的其余节点，从而根据计算结果在簇内节点执行决策；

5)假设有n个计算任务，根据计算任务复杂度不同会被卸载到边缘层的不同节点，每个计算任务相对应的时延和能耗也不同，将所有的时延和能耗累计并求取平均值，通过式(3)将式(2)具体化；

求得时延-能耗优化目标函数C的最小值，以优化海洋物联网中水声通信时延和能耗；

所述时延-能耗优化目标函数C的值受以下因素影响：

(1)计算任务卸载至边缘层各节点后，假设簇头卸载得到n_c个计算任务，AUV得到n_AUV个计算任务，Sink节点得到n_Sink个计算任务，其中n＝n_Sink+n_AUV+n_c；此时，目标函数C的值与簇的半径γ，AUV进出簇所对应的圆心角θ，计算任务的比特数x_i和簇的个数n_clust有关；

针对所述步骤2)中的三种卸载方案，步骤5)中所述决策时延和系统能耗计算，分别如下：

(1.1)卸载至簇头CH节点

若计算任务Task_i卸载至簇头CH节点，则决策时延τ_c仅为计算时延τ_compC本身，系统能耗ε_c仅为该计算时延所对应的计算能耗，即：

其中，x_i是计算任务Task_i的比特数，单位为bit；I_task是每处理1bit所需CPU周期数，单位为CPU cycles/bit；v_compC是簇头CH节点的计算速度，单位为CPU cycles/s；P_comp是计算功率，单位为w；

(1.2)卸载至AUV

若计算任务Task_i卸载到AUV进行计算，则存在以下两种情况：

若AUV能在该簇内完成计算任务，则可在离开该簇时返回计算结果，即，当τ_compAUV＝x_iI_task/v_compAUV2γ·sin(θ/2)/v_AUV时，其时延计算为：

否则，AUV将绕行一周，并在下次进入该簇时再返回计算结果，则其时延计算为：

其中，τ_γ是计算任务从簇头CH节点卸载至AUV或计算结果从AUV返回至簇头CH节点所需的水声传播时延，τ_i,transC是计算任务从簇头CH节点卸载至AUV所需的传输时延，τ_i,transC是计算结果从AUV返回簇头CH节点所需的传输时延，τ_trave是AUV在簇内的运行时间，τ_detAUV是AUV沿指定路线运行一周所需的时间其与簇的个数n_clust有关，单位为s；x_i是计算任务Task_i的比特数，x’_i是对应的计算结果比特数，单位为bit；v_compAUV是AUV的计算速度，单位为CPUcycles/s；I_task是每处理1bit所需CPU周期数，单位为CPU cycles/bit；γ为簇的半径，单位为m；θ为AUV进出簇所对应的圆心角；v_trans为数据的传输速率，单位为bits/s；v_cou为水声信号在水中的传播速度，v_AUV为AUV的运行速度，单位为m/s；

因此，该卸载方案的决策时延和系统能耗为：

其中，P_comp是计算功率，P_trans和P_rec分别表示传输和接收功率；

(1.3)卸载至Sink节点

若卸载到Sink节点进行计算，由于AUV和Sink节点之间间可用电磁信号传输，与水声信号传输时延相比，时间极短，可忽略不计，故该卸载方案的决策时延和系统能耗为：

其中，v_comSink是Sink节点的计算速度，单位为CPU cycles/s；

(1.4)总体时延-能耗优化目标函数

将式(4)、(5)、(8)、(9)、(10)和(11)，代入式(3)中，可得：

(2)改变簇的半径γ，AUV进出簇所对应的圆心角θ，计算任务Task_i的比特数x_i和簇的个数n_clust都会影响时延-能耗优化目标函数C的值，通过式(12)，找到使时延-能耗优化目标函数C最小的对应最佳参数。