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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, 2024, 46(7): 2793-2802. 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, 2024, 46(7): 2793-2802. 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, 2024, 46(7): 2793-2802. 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, 2024, 46(7): 2793-2802. 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、数字孪生等

    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_{\mathrm{L}}}$,参数$ \nu $,参数$ \beta $
     输出:下层控制策略
     (1) for ${\text{episode = }}1 \sim {E_{\mathrm{L}}}$ do
     (2)  所有代理都观察初始环境状态${\boldsymbol{s}}$
     (3)  for $ {\text{step = }}1 \sim {T_{\mathrm{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({\boldsymbol{s}},{\boldsymbol{a}},r,{\boldsymbol{s}}{'}\right) $存储在${D_{\mathrm{L}}}$
     (6)   for 智能体$ {{m}} = 1 \sim M $ do
     (7)    for $ {{z}} = 1 \sim Z $ do
     (8)     从经验池${D_{\mathrm{L}}}$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) $来更新评论家网络
     (13)     计算策略梯度$ {\nabla _{\theta _m^{\mathrm{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 ${\text{episode = }}1 \sim {E_{\mathrm{U}}}$ do
     (3)   观察环境获得初始观测值${\boldsymbol{s}}$
     (4)   for $ \text{step=}1\sim {T}_{{\mathrm{U}}} $ do
     (5)    根据$\varepsilon $-贪婪策略选择动作${\boldsymbol{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$并跳转到下一状态${\boldsymbol{s}}'$,并采
          集经验$\left( {{\boldsymbol{s}},{\boldsymbol{a}},r,{\boldsymbol{s}}'} \right)$放到回放池${D_{\mathrm{U}}}$
     (7)    从回放池${D_{\mathrm{U}}}$抽取一批经验
     (8)    计算梯度$ {\nabla _\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
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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
  • 刊出日期:  2024-07-29

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