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数字孪生边缘网络端到端时延优化的任务卸载与资源分配方法

李松 李顺 王博文 孙彦景

刘晟, 向敬成. 利用脉间跳频和信号增强技术实现低信噪比下雷达距离超分辨[J]. 电子与信息学报, 1998, 20(4): 445-452.
引用本文: 李松, 李顺, 王博文, 孙彦景. 数字孪生边缘网络端到端时延优化的任务卸载与资源分配方法[J]. 电子与信息学报, 2025, 47(3): 633-644. doi: 10.11999/JEIT240344
Liu Sheng, Xiang Jingcheng. RANGE SUPER-RESOLUTION AT LOW SNR VIA INTERPULSE FREQUENCY HOPPING AND SIGNAL ENHANCEMENT[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 1998, 20(4): 445-452.
Citation: LI Song, LI Shun, WANG Bowen, SUN Yanjing. Task Offloading and Resource Allocation Method for End-to-End Delay Optimization in Digital Twin Edge Networks[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(3): 633-644. doi: 10.11999/JEIT240344

数字孪生边缘网络端到端时延优化的任务卸载与资源分配方法

doi: 10.11999/JEIT240344
基金项目: 国家自然科学基金(62071472, 62101556),江苏省自然科学基金(BK20210489),中央高校基本科研业务费项目(2020ZDPYMS26),江苏省研究生科研与实践创新计划项目(KYCX24_2763),中国矿业大学研究生创新计划项目(2024WLJCRCZL133),西安市网络融合通信重点实验室开放基金项目(2022NCC-N103),海南省省属科研院所技术创新项目(KYYSGY2024-005),工信部项目(CBG01N23-01-04)
详细信息
    作者简介:

    李松:男,副教授,研究方向为工业物联网、边缘计算等

    李顺:男,硕士生,研究方向为移动边缘计算、数字孪生等

    王博文:男,副教授,研究方向为工业物联网、社交物联网等

    孙彦景:男,教授,研究方向为工业物联网、无线资源分配等

    通讯作者:

    李松 lisong@cumt.edu.cn

  • 中图分类号: TN929.5

Task Offloading and Resource Allocation Method for End-to-End Delay Optimization in Digital Twin Edge Networks

Funds: The National Natural Science Foundation of China (62071472, 62101556), The Natural Science Foundation of Jiangsu Province of China (BK20210489), The Fundamental Research Funds for the Central Universities (2020ZDPYMS26), The Postgraduate Research & Practice Innovation Program of Jiangsu Province (KYCX24_2763), The Graduate Innovation Program of China University of Mining and Technology (2024WLJCRCZL133), Xi’an Key Laboratory of Network Convergence Communication (2022NCC-N103), The Project of Technical Innovation of Hainan Scientific Research Institutes (KYYSGY2024-005), The Ministry of Industry and Information Technology (CBG01N23-01-04)
  • 摘要: 针对移动边缘计算(MEC)场景中任务卸载、计算和结果反馈全过程时延优化问题,该文提出了一种数字孪生(DT)辅助的联合MEC任务卸载、设备关联与资源分配的端到端时延优化方法。首先,在数字孪生边缘网络(DITEN)框架下,为包含传感器、边缘服务器以及执行器构成的边缘计算网络建立了物理模型与数字孪生模型,以及全过程边缘网络任务模型并推导了任务端到端时延,进而建立了时延、能耗等约束下的端到端时延优化问题。其次,为解决所提出的混合整数非凸优化问题,将原问题分解为4个子问题,并提出了一种基于内部凸近似方法和匈牙利算法的交替优化算法。在DT辅助下联合优化了设备关联、卸载比例、发射功率、传输带宽以及DT估计处理速率。最后,仿真结果表明,与其他基准方案相比,所提联合优化方案显著降低了端到端时延。
  • 图  1  数字孪生边缘网络(DITEN)系统模型

    图  2  全过程任务模型

    图  3  端到端时延示意图

    图  4  基于加边补零法的二分图最优匹配过程

    图  5  任务所需计算资源与端到端时延的关系

    图  6  传输带宽与端到端时延的关系

    图  7  服务器处理速率与端到端时延的关系

    图  8  任务量与端到端时延的关系

    图  9  不同DT偏差对端到端时延的影响

    图  10  设备数量不同的端到端时延对比

    1  基于内部凸近似的计算与通信资源分配算法

     输入:卸载因子α,关联变量π,传输带宽ˉb,b_,发射功率p以及
     计算频率f
     初始化:迭代次数i=0,容忍值ε,最大迭代次数Imax
     输出:最优功率和计算频率(p,f)
     (1) while 1 do
     (2)   求解问题式(24)的可行解(p(i+1),f(i+1))
     (3)   i=i+1
     (4)  if 收敛ori>Imax then
     (5)   break;
     (6)  end if
     (7) end while
    下载: 导出CSV

    2  基于匈牙利算法的传感器与AP关联优化算法

     输入:卸载因子α,传输带宽ˉb,b_,发射功率p以及计算频率f
     输出:最优关联策略(π)
     (1)给定传感器数量K,AP数量M,AP能够服务传感器的最大数
     量N
     (2)每个AP虚拟成N个,形成数量为NM的虚拟AP集合;
     (3)if K<NM then
     (4)  加边补零,增加NMK个虚拟传感器;
     (5)end if
     (6)执行匈牙利算法。
    下载: 导出CSV

    3  基于内部凸近似方法和匈牙利算法的ICA-HA-AO算法

    输入:卸载因子α(0),关联变量π(0),带宽ˉb(0),b_(0),发射功率p(0),计算频率f(0),设置迭代次数i=0,容忍值ε和最大迭代次数Imax
    输出:最优资源分配(α,π,ˉb,b_,p,f)
    (1) while 1 do
    (2)  给定(α(i),π(i),ˉb(i),b_(i)),利用算法1求解子问题SP1,得到最优传感器计算频率以及AP的计算频率和发射功率(p(i+1),f(i+1))
    (3)  给定(f(i+1),p(i+1),α(i),ˉb(i),b_(i)),利用算法2求解子问题SP2,得到最优传感器与AP关联策略(π(i+1))
    (4)  给定(f(i+1),p(i+1),π(i+1),ˉb(i),b_(i)),利用内点法求解子问题SP3,得到最优卸载决策(α(i+1))
    (5)  给定(f(i+1),p(i+1),π(i+1),α(i)),利用内点法求解子问题SP4,得到最优上下行带宽(ˉb(i+1),b_(i+1))
    (6)  i=i+1
    (7)   if 收敛 or i>Imax then
    (8)    break;
    (9)   end if
    (10) end while
    下载: 导出CSV

    表  1  仿真参数

    参数名 参数值 参数名 参数值
    传感器发射功率ˉpk 10 dBm[8] 传感器最大计算频率Fsemax 3 GHz[7]
    AP最大发射功率Pmax 40 dBm[18] AP最大计算频率FAPmax 10 GHz[7]
    输入任务量Ik 100 Mbit[18] 路径损耗β0 –30 dB[14]
    任务所需计算资源Ck 960×106 cycle[7] 参考距离d0 10 m[9]
    传输总带宽B 20 MHz[18] 噪声功率N0 –174 dBm/Hz[18]
    最大时延与能耗Tmax,Emax 2 s, 1.5 J 有效交换电容系数ξ 10–28[9]
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-04-29
  • 修回日期:  2025-02-12
  • 网络出版日期:  2025-02-20
  • 刊出日期:  2025-03-01

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