高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于智能分层切片技术的数字孪生传感信息同步策略

唐伦 李质萱 文雯 成章超 陈前斌

唐伦, 李质萱, 文雯, 成章超, 陈前斌. 基于智能分层切片技术的数字孪生传感信息同步策略[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT230984
引用本文: 唐伦, 李质萱, 文雯, 成章超, 陈前斌. 基于智能分层切片技术的数字孪生传感信息同步策略[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT230984
TANG Lun, LI Zhixuan, WEN Wen, CHENG Zhangchao, CHEN Qianbin. Digital Twin Sensing Information Synchronization Strategy Based on Intelligent Hierarchical Slicing Technique[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT230984
Citation: TANG Lun, LI Zhixuan, WEN Wen, CHENG Zhangchao, CHEN Qianbin. Digital Twin Sensing Information Synchronization Strategy Based on Intelligent Hierarchical Slicing Technique[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT230984

基于智能分层切片技术的数字孪生传感信息同步策略

doi: 10.11999/JEIT230984
基金项目: 国家自然科学基金(62071078),四川省科技计划(2021YFQ0053)
详细信息
    作者简介:

    唐伦:男,教授,博士生导师,研究方向为新一代无线通信网络、异构蜂窝网络、软件定义无线网络等

    李质萱:女,硕士生,研究方向为数字孪生、网络切片、资源分配等

    文雯:女,硕士生,研究方向为虚拟化网络切片、资源分配、数字李生等

    成章超:男,硕士生,研究方向为车联网、数字孪生、深度强化学习等

    陈前斌:男,教授,博士生导师,研究方向为个人通信、多媒体信息处理与传输、下一代移动通信网络、异构蜂窝网络等

    通讯作者:

    李质萱 1002012709@qq.com

  • 中图分类号: TN929.5

Digital Twin Sensing Information Synchronization Strategy Based on Intelligent Hierarchical Slicing Technique

Funds: The National Natural Science Foundation of China (62071078), Sichuan Science and Technology Program (2021YFQ0053)
  • 摘要: 针对传感数据在无线接入网(RAN)中传输的不可靠性与不及时性造成数字孪生(DTs)同步信息的不精确问题,该文提出一种基于智能分层切片技术的DTs传感信息同步策略。该策略在双时间尺度下,以最大化传感信息满意度和最小化切片重配置及DTs同步成本为目标,联合优化切片无线资源配置以及DTs传感信息同步问题。首先,在大时间尺度,利用网络切片为有着不同服务质量(QoS)的DTs提供隔离以及解决部署问题;在小时间尺度,通过更加灵活的无线资源分配来提高DTs传感信息同步任务对动态环境的适应性,进一步提高通信性能,建立更逼近于物理实体的DTs。其次,为了求解不同时间尺度的优化问题,该文提出一种双层深度强化学习(DRL)框架实现高效的网络资源交互,其中下层控制算法利用优先经验放回(PER)机制加快收敛速度。最后,仿真结果验证了所提策略的有效性。
  • 图  1  DTs支持的RAN切片场景

    图  2  不同算法奖励对比

    图  3  不同算法DTs同步成本对比

    图  4  不同切片方案的AoI累积分布函数对比

    图  5  不同切片中不同算法AoI对比

    图  6  不同算法的MSE对比

    1  基于PER-MADDPG的下层控制算法

     输入:学习率$ \lambda $,小批量大小Z,经验池${D_L}$,参数$ \nu $,参数$ \beta $
     输出:下层控制策略
     (1) for ${\text{episode = }}1 \sim {E_L}$ do
     (2)  所有代理都观察初始环境状态$s$
     (3)  for $ {\text{step = }}1 \sim {T_L} $ do
     (4)   所有智能体按照策略采取行动$ {\boldsymbol{a}} $并添加环境噪声$ {N_t} $
     (5)   与环境交互获得各自惩罚奖励$ r $以及跳转到下一状态
         $ s{'} $,并把经验$ \left(s,a,r,s{'}\right) $存储在${D_L}$
     (6)   for 智能体$ {\text{m}} = 1 \sim M $ do
     (7)    for $ {\text{z}} = 1 \sim Z $ do
     (8)     从经验池${D_L}$中以$P\left( k \right)$的概率抽取样本$w$
     (9)     根据实际奖励计算TD-error${\delta _w}$以及计算权重${\omega _w}$
     (10)     根据绝对TD-error$ \left| {{\delta _w}} \right| $更新样本$w$基于排名的优先级
     (11)     end for
     (12)     计算全局$ \mathcal{L}\left( {\theta _m^{{Q}}} \right) = \dfrac{1}{Z}\displaystyle\sum \limits_z {\omega _w}\delta _w^2 $,并最小化
           $ \mathcal{L}\left( {\theta _m^{{Q}}} \right) $来更新评论家网络
     (13)     计算策略梯度$ {{\text{∇}} _{\theta _m^E}}J $,更新行动家网络
     (14)    end for
     (15)    更新智能体的目标网络
     (16)   end for
     (17) end for
    下载: 导出CSV

    2  基于DDQN的上层控制算法

     输入:概率分布$ \psi $,探索概率$\varepsilon $,小批量大小$B$,采样数据的学
     习回合数
     输出:上层控制策略
     (1) 初始化神经网络参数
     (2) for ${\text{episode = }}1 \sim {E_U}$ do
     (3)   观察环境获得初始观测值${{s}}$
     (4)   for $ \text{step=}1\sim {T}_{U} $ do
     (5)    根据$\varepsilon $-贪婪策略选择动作$a$,即选择探索动作还是最
          大$Q$值对应动作
     (6)    控制器与环境交互获得$r$并跳转到下一状态${{s}}'$,并采
          集经验$\left( {{{s}},{{a}},r,{{s}}'} \right)$放到回放池${D_U}$
     (7)    从回放池${D_U}$抽取一批经验
     (8)    计算梯度$ {{\text{∇}} _\mu }\mathcal{L}(\mu ) $,完成网络参数$\mu $反向更新
     (9)    每隔$ G $步,复制网络参数$ \mu $给目标网络参数$ \mu \_ $
     (10)   end for
     (11) end for
    下载: 导出CSV

    表  1  仿真参数设置

    参数 参数
    基站数量 4 下层评论家/
    行动家学习率
    0.01/0.001
    IoT设备 20 上层/下层折扣因子 0.9/0.95
    带宽 1.8 MHz 上层/下层最小批 512/32
    每个LTI的长度($\tau $) 100 ms 单位DT迁移/实例化成本 15/15
    每个STL的长度($\Delta T$) 5 s 切片1/切片2速率阈值 600/300
    最大传输功率 40 mW 上层贪婪率 0.1
    下载: 导出CSV
  • [1] ZEB S, MAHMOOD A, HASSAN S A, et al. Industrial digital twins at the nexus of NextG wireless networks and computational intelligence: A survey[J]. Journal of Network and Computer Applications, 2022, 200: 103309. doi: 10.1016/j.jnca.2021.103309
    [2] LIN Xingqin, KUNDU L, DICK C, et al. 6G digital twin networks: From theory to practice[J]. IEEE Communications Magazine, 2023, 61(11): 72–78. doi: 10.1109/MCOM.001.2200830
    [3] KURUVATTI N P, HABIBI M A, PARTANI S, et al. Empowering 6G communication systems with digital twin technology: A comprehensive survey[J]. IEEE Access, 2022, 10: 112158–112186. doi: 10.1109/ACCESS.2022.3215493
    [4] KHAN L U, SAAD W, NIYATO D, et al. Digital-twin-enabled 6G: Vision, architectural trends, and future directions[J]. IEEE Communications Magazine, 2022, 60(1): 74–80. doi: 10.1109/MCOM.001.21143
    [5] WU Yiwen, ZHANG Ke, and ZHANG Yan. Digital twin networks: A survey[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2021, 8(18): 13789–13804. doi: 10.1109/JIOT.2021.3079510
    [6] LU Yunlong, HUANG Xiaohong, ZHANG Ke, et al. Low-latency federated learning and blockchain for edge association in digital twin empowered 6G networks[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2021, 17(7): 5098–5107. doi: 10.1109/TII.2020.3017668
    [7] LIU Tong, TANG Lun, WANG Weili, et al. Resource allocation in DT-assisted internet of vehicles via edge intelligent cooperation[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2022, 9(18): 17608–17626. doi: 10.1109/JIOT.2022.3156100
    [8] LU Yunlong, MAHARJAN S, and ZHANG Yan. Adaptive edge association for wireless digital twin networks in 6G[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2021, 8(22): 16219–16230. doi: 10.1109/JIOT.2021.3098508
    [9] SUI Tianju, YOU Keyou, and FU Minyue. Stability conditions for multi-sensor state estimation over a Lossy network[J]. Automatica, 2015, 53: 1–9. doi: 10.1016/j.automatica.2014.12.022
    [10] CHUKHNO O, CHUKHNO N, ARANITI G, et al. Placement of social digital twins at the edge for beyond 5G IoT networks[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2022, 9(23): 23927–23940. doi: 10.1109/JIOT.2022.3190737
    [11] LYU Ling, DAI Yanpeng, CHENG Nan, et al. AoI-aware co-design of cooperative transmission and state estimation for marine IoT systems[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2021, 8(10): 7889–7901. doi: 10.1109/JIOT.2020.3041287
    [12] WIJETHILAKA S and LIYANAGE M. Survey on network slicing for internet of things realization in 5G networks[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2021, 23(2): 957–994. doi: 10.1109/COMST.2021.3067807
    [13] CHIANG Y, HSU C H, CHEN G H, et al. Deep Q-learning-based dynamic network slicing and task offloading in edge network[J]. IEEE Transactions on Network and Service Management, 2023, 20(1): 369–384. doi: 10.1109/TNSM.2022.3208776
    [14] YE Feng, WANG Jie, LI Jiamin, et al. Intelligent hierarchical network slicing based on dynamic multi-connectivity in cell-free distributed massive MIMO systems[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2023, 72(9): 11855–11870. doi: 10.1109/TVT.2023.3268822
    [15] KHAN L U, HAN Zhu, SAAD W, et al. Digital twin of wireless systems: Overview, taxonomy, challenges, and opportunities[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2022, 24(4): 2230–2254. doi: 10.1109/COMST.2022.3198273
  • 加载中
图(6) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  82
  • HTML全文浏览量:  57
  • PDF下载量:  15
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-09-07
  • 修回日期:  2023-12-12
  • 网络出版日期:  2023-12-22

目录

    /

    返回文章
    返回