[发明专利]非线性能量收集无线供电MEC中卸载和能量联合优化方法

说明书

本发明涉及一种非线性能量收集模型下无线供电移动边缘计算(MEC)中卸载和能量联合优化算法。为解决物联网设备计算能力和能量寿命有限的问题，本发明考虑具有多天线能量发射器(ET)，MEC服务器和无线设备(WD)的无线供电MEC系统。ET通过能量波束将能量传输到WD，WD收集能量供其本地计算或部分计算任务卸载到MEC服务器。本发明考虑一种实际的非线性能量收集(EH)模型。在此条件下，为充分利用能量资源和计算资源以提高系统计算能力，我们提出了最大化系统加权总计算速率的优化问题。由于非线性EH模型的非凸性，我们利用连续凸逼近法近似处理优化问题，并提出了一种迭代的计算卸载和能量联合优化算法。

技术领域

本发明涉及无线供电移动边缘计算(MEC)服务的物联网领域，特别是涉及到非线性能量收集无线供电MEC中卸载和能量联合优化方法。

背景技术

越来越多的小型廉价设备正以前所未有的速度连接到网络，实现了物联网(IoT)的构想，应用在了包括智能家居，交通运输，医疗保健，工业自动化和紧急响应等各个领域。配备有传感器的物联网设备产生的大数据，往往超出了设备中常用的硬件环境和软件工具的计算能力，无法在可接受的时间段内对计算数据进行处理。此外，大部分的物联网设备由电池供电，可能位于偏远地区，可能无法更换电池或经济上不可行。因此计算能力低和能量相关的设备电池寿命有限成为限制物联网应用的瓶颈挑战。

无线供电的移动边缘计算(WP-MEC)受到了广泛关注，其综合了无线能量传输(WPT)和移动边缘计算(MEC)两项技术，可克服物联网中的瓶颈挑战。一方面，MEC将云服务移至设备附近，为设备提供低延迟的云计算服务，解决物联网设备计算能力低的挑战。另一方面，WPT技术通过传输射频信号为物联网设备提供持续稳定的空中能量，利用电磁波的远场辐射特性，设备从能量发射器(ET)辐射的射频信号中收集能量，为电池寿命有限的挑战提供了解决方案。

为探索WPT和MEC在物联网应用中的优势，WP-MEC系统中计算卸载和能量传输联合优化值得研究。现有的优化算法中，一部分侧重于系统计算能力，一部分侧重于系统能量效率性能。在优化算法设计过程中，无线能量传输和能量收集的关系被假设为线性关系。然而，实际能量收集电路通常会呈现非线性能量收集现象，线性能量收集模型会导致优化算法与实际系统不匹配。

发明内容

为了解决上述存在问题。本发明提供非线性能量收集无线供电MEC中卸载和能量联合优化方法，本发明以提高系统计算能力为目标，在多天线多波束无线供电的MEC系统中，在非线性能量收集模型下，设计计算卸载和能量联合优化方法。

本发明提供非线性能量收集无线供电MEC中卸载和能量联合优化方法，具体步骤如下:

1)针对具有多天线能量发射器ET，MEC服务器和多个无线设备WD的无线供电MEC系统，以提高系统计算能力为目标，考虑实际的非线性能量收集模型，建立卸载和能量联合优化的优化问题。

2)利用一阶导数近似法，变量消除和变量替换的数学方法将原始问题转化为凸优化问题。

3)基于连续凸逼近法，提出一种迭代的卸载和能量联合优化方法。

作为本发明进一步改进，所述步骤1)针对具有多天线能量发射器ET，MEC服务器和多个无线设备WD的无线供电MEC系统，以提高系统计算能力为目标，考虑实际的非线性能量收集模型，建立卸载和能量联合优化的优化问题:

ET连接到稳定的电源，多天线ET通过能量波束成形将K个尖锐无线电波束指向K个WD，并传输无线能量为WD充电，P_k为相应波束的传输功率，采用与实际能量收集电路相匹配的非线性能量收集EH模型表示ET能量传输和WD能量收集的关系，每个WD都有一个能量收集电路，第k个WD收集的能量为