电力物联网系统中基于联盟博弈的任务卸载方法

电力物联网系统中基于联盟博弈的任务卸载方法

　　技术领域

　　本发明属于电力物联网领域，具体涉及电力物联网系统中基于联盟博弈的任务卸载方法。

　　背景技术

　　近年来人类对电力的需求大幅度增加，但传统的配电网络效率低下。电力物联网是现代电网基础设施，可通过自动化控制和现代通信技术来提高效率、可靠性和安全性，并实现可再生能源和替代能源的平稳集成。可再生能源发电是减少化石燃料消耗和温室气体排放的有效技术。更重要的是，启用新的网络管理策略的电力物联网可在分布式发电中实现其有效的电网集成，以进行需求侧管理，并在能量存储中实现分布式发电负载平衡。许多研究人员对可再生能源进行了广泛的研究，而可再生能源的集成性，减少系统损耗并提高向客户供电的可靠性、效率和安全性是对电力物联网系统的进一步增强。此外，现有电网缺乏通信功能，而电力物联网基础设施却充满了增强的感测以及先进的通信和计算能力。系统的不同组件与通信路径和传感器节点链接在一起，以提供相互之间的互操作性。

　　在电力物联网中，从智能电表收集的数据通常先发送给邻近的AP，由AP上传到控制中心。智能电表通常具有计算任务，可以本地处理，但是如果计算任务繁重，本地处理会带来较大的能耗和时延开销。若将计算资源不足的智能电表上的计算任务卸载到AP服务器上处理，充分利用AP服务器的计算资源，既可以提高AP资源利用率，也可以提高系统的性能。但是，AP的子载波数量有限，在智能电表数量较多时，不能很好满足所有智能电表的卸载需求，非正交多址接入NOMA技术可以很好解决这一问题。NOMA的基本思想是使用叠加编码在发射机侧叠加来自各个智能电表的信号，并使用连续的干扰消除技术在接收机侧对预期信号进行解码。NOMA能够容纳比可用子载波数量更多的智能电表，即多个智能电表可以利用同一个子载波进行卸载，可以在多个方面改善无线通信的性能，包括更多的智能电表，更低的延迟，更高的频谱效率和宽松的信道反馈。

　　因此我们考虑将利用同一个子载波进行任务卸载的智能电表看成一个联盟。智能电表可以选择在本地处理任务或者将任务通过子载波卸载到AP服务器上处理。智能电表的策略直接影响联盟的形成，从而对联盟的效用函数产生重要影响。因此，如何选择智能电表的卸载策略以及卸载情况下的子载波，实现资源的有效分配，满足各个智能电表的服务需求是亟待解决的问题。

　　发明内容

　　为解决上述问题，本发明公开了电力物联网系统中基于联盟博弈的任务卸载方法，充分利用AP的计算资源，在以最小化网络的能耗和时延为目标的同时，满足各智能电表的任务卸载需求。

　　为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

　　电力物联网系统中基于联盟博弈的任务卸载方法，包括以下步骤：

　　(1)同一区域内的所有智能电表通过无线连接接入到AP；基于非正交多址接入NOMA技术，多个智能电表能够使用同一子载波连接到AP，使用同一子载波的智能电表组成一个联盟；

　　(2)智能电表具有计算任务，可以在本地处理，也可以通过子载波卸载到AP上处理；建立智能电表的代价函数，分为本地计算时的代价函数以及任务卸载时的代价函数，由能耗和时延组成；所有智能电表处理计算任务所需的计算资源相同；AP分配给每个智能电表的计算资源相同；每个智能电表所具有的计算资源不尽相同；

　　(3)网络内的所有智能电表依次选择策略，即加入的联盟，计算卸载收益，卸载收益与代价函数有关，联盟内所有智能电表的卸载收益之和为联盟的效用；网络内所有智能电表和AP建立联盟博弈；

　　(4)每个智能电表通过对比选择加入使效用最大的联盟；在所有智能电表选择完策略后，计算网络的总效用；

　　(5)所有智能电表依次执行策略是为一轮迭代；所有智能电表进行任务卸载所需的计算资源相同，AP为选择任务卸载的智能电表分配计算资源；系统在进行一次迭代后，网络内部分智能电表改变了策略，每个联盟内的智能电表数量增加或减小，因此需要更新网络内各个智能电表的连接状态；

　　(6)博弈达到纳什均衡，网络内所有智能电表不再改变策略，各个智能电表根据策略选择在本地处理任务或者将任务卸载到AP执行，以及卸载情况下使用的子载波，获得AP分配的计算资源。

　　本发明的有益效果是：

　　本发明基于联盟博弈使网络内各个智能电表依次实现策略选择，形成联盟，从而充分利用AP中的计算资源和子载波资源，在以最小化智能电表的代价函数为目标的同时，满足各智能电表的任务卸载需求。所述方法综合考虑智能电表的卸载选择，子载波选择，智能电表的位置影响，在保证任务有效性的情况下，最小化网络中所有智能电表的总代价函数。

　　附图说明

　　图1是本发明的基于联盟博弈的任务卸载方法流程图；

　　图2是本发明的基于NOMA的电力物联网基础架构图；

　　图3是本发明的联盟博弈纳什均衡求解过程流程图。

　　具体实施方式

　　下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

　　本发明基于联盟博弈，在以最小化所有智能电表总代价函数为目标的同时，保证各智能电表任务的实时性，同时考虑智能电表位置对联盟形成的影响。下面结合附图对本发明的实施方法作进一步的描述。

　　如附图2所示，考虑基于NOMA的电力物联网场景，其中有N个智能电表和一个配有服务器的AP，位于场景中心。智能电表通过无线链接与AP相连，AP通过有线链接接入到电网控制中心。假设信道是准静态瑞利衰落的，即智能电表的信道在每个卸载周期内保持不变，并且在任意两个周期中的状态是独立的。另外，假设智能电表和AP都配备有一个天线。用表示智能电表的集合，S＝{1,2,...,S}表示子载波的集合。利用NOMA，多个智能电表可以共享同一个子载波，因此，智能电表在AP处的接收信号不仅包含其期望信号，而且还包含来自同一个子载波上其他智能电表的干扰信号。用来表示共享子载波s的智能电表的集合，并假设每个智能电表最多可以利用一个子载波将其计算任务卸载到AP服务器。

　　用表示智能电表的卸载决策，ans＝1表示智能电表n利用子载波s卸载计算任务，ans＝0则相反。由于每个智能电表最多可以使用一个子载波进行任务卸载，因此卸载决策需要满足以下约束：

　　

　　子载波s上智能电表n与AP之间的上行链路信道增益表示为hns。集合s中的信道增益按升序排序，使用bs(·)表示该顺序，其中bs(j)表示智能电表j在子载波s中的排序位置。另外，上行链路NOMA中的解码顺序遵循信道增益的递减顺序，这与下行链路NOMA不同，在下行链路中，解码顺序相反。它首先将排序最高的用户数据解码，将来自所有其他用户的信号视为噪声。接收器一旦解码了排序最高用户的数据，便可以重建该用户的信号，并将其从总接收信号中减去，接着按同样方法解码排序第二高的用户数据，依此类推，直到将所有数据解码完成。

　　智能电表n在子载波s上的信干噪比表示如下：

　　

　　其中pns表示智能电表n在子载波s上的发射功率，n0表示噪声功率，表示路径损耗，dn是智能电表n与AP的直线距离，μ＞2是路径损耗因子。对子载波s上的智能电表n，到达率Rns＝B log2(1+Γns)，其中B是子载波的带宽。因此，智能电表n的到达率可以表示为：

　　

　　智能电表n的计算任务表示为In＝{αn,βn}，αn表示任务In的大小，βn表示完成任务In所需的CPU周期数。用xn表示智能电表n选择本地计算还是任务卸载，xn＝1表示将任务卸载，xn＝0表示本地处理。本发明中，每个智能电表要么本地处理任务要么将任务卸载到远程处理，并且最多只能使用一个子载波，因此有：

　　

　　考虑本地计算，用表示智能电表n的CPU计算能力，那么任务In的本地计算时间为：

　　

　　相应的本地计算能耗为：

　　

　　其中κn是与硬件有关的常数。代价函数与完成任务In的延时以及能耗有关，表示为：

　　

　　其中和分别是延时和能耗的权重因子。例如，如果智能电表n对延时要求极高，那么可以设置

　　当任务In卸载到AP上计算时，任务完成时间主要由两部分组成：上行链路传输时间和计算时间即其中fn是AP分配给智能电表n的计算资源。若任务本地执行，即xn＝0，那么fn＝0。在本发明中，假设AP服务器的计算能力足够强，为每个卸载智能电表分配的计算资源量fn是固定的。

　　任务卸载情况下总的能耗由任务卸载能耗，远程计算能耗和结果下载能耗三部分组成。由于本发明专注于智能电表角度，并且AP服务器通常由电网提供电力，因此只考虑计算任务卸载过程的能耗，有：

　　

　　其中是智能电表功率放大器的效率。因此智能电表n任务卸载的代价函数为：

　　

　　总的代价函数与卸载决策xn、子载波分配ans以及智能电表的位置有关。本发明对卸载决策进行优化，同时考虑智能电表位置对联盟形成的影响，以最大程度地减少总代价函数。所有SMs的代价函数总和为：

　　

　　如图1所示，本发明的电力物联网系统中基于联盟博弈的任务卸载方法具体包括：

　　(1)同一区域内的所有智能电表通过无线连接接入到AP，智能电表集合表示为基于非正交多址接入NOMA技术，多个智能电表能够使用同一子载波连接到AP，共享同一子载波的智能电表组成一个联盟，子载波集合表示为S＝{1,2,...,S}；

　　(2)智能电表具有计算任务In＝{αn,βn}，可以在本地处理，也可以通过子载波卸载到AP上处理；建立智能电表的代价函数，分为本地计算时的代价函数以及任务卸载时的代价函数由能耗和时延组成；所有智能电表处理计算任务所需的计算资源相同；AP分配给每个智能电表的计算资源相同；每个智能电表所具有的计算资源不尽相同；

　　(3)网络内的所有智能电表依次选择策略，即加入的联盟，计算卸载收益，卸载收益与代价函数有关，表示为是智能电表n在联盟中的卸载收益。联盟内所有智能电表的卸载收益之和为联盟的效用网络内所有智能电表和AP建立联盟博弈；

　　(4)每个智能电表通过对比选择加入使效用最大的联盟；在所有智能电表选择完策略后，计算网络的总效用R；

　　(5)所有智能电表依次执行策略是为一轮迭代；所有智能电表进行任务卸载所需的计算资源相同，AP为选择任务卸载的智能电表分配计算资源；系统在进行一次迭代后，网络内部分智能电表改变了策略，每个联盟内的智能电表数量增加或减小，因此需要更新网络内各个智能电表的连接状态；

　　(6)博弈达到纳什均衡，网络内所有智能电表不再改变策略，各个智能电表根据策略选择在本地处理任务或者将任务卸载到AP执行，以及卸载情况下使用的子载波，获得AP分配的计算资源。

　　其中，步骤(1)中用表示联盟的集合，其中，对任意的i≠j，有并且当1≤k≤S时，联盟表示利用子载波k进行任务卸载的SMs集合；当S+1≤k≤S+N时，联盟表示在本地执行计算任务的电表集合。

　　步骤(3)中联盟的效用函数的计算公式为：

　　

　　联盟的效用是智能电表利用子载波k可以获得的总计算卸载收益，此时智能电表在本地执行计算任务没有任何好处，它们对卸载决策和子载波分配的适当选择可以减小代价函数。当S+1≤k≤S+N时，即智能电表在本地执行任务。

　　步骤(3)所提的本方法的联盟博弈中，参与者为电力物联网系统中所有的智能电表。智能电表具有计算任务，可以选择在本地处理或者将任务卸载到AP上处理；基于NOMA，多个智能电表能够共享同一子载波。智能电表的代价函数与能耗和时延有关。联盟博弈描述如下：

　　参与者Player：网络内的所有智能电表，集合为

　　联盟Coalition：联盟集合为其中，对任意的i≠j，有并且

　　策略Strategy：每个参与者的策略是根据它在每个联盟上的效用来决定是否卸载以及卸载情况下用于计算卸载的子载波；

　　效用函数Utility function：联盟的效用表示为是联盟中所有利用子载波k的智能电表可以获得的总计算收益；

　　步骤(4)总代价函数可以表示为：

　　

　　步骤(6)中联盟博弈的纳什均衡求解过程如下：

　　①网络初始状态是随机的。用i和t分别表示迭代次数和连续的不成功切换操作次数(比较次数)，初始值设置为零，切换操作指智能电表从一个联盟离开转而加入另一个联盟。其中连续的不成功切换操作次数t是为了提高收敛速度并降低算法复杂度而设的。如果智能电表执行切换操作，则将t重置为零，否则将其加一。当t达到一个合适的设定值T时，算法将停止并认为达到了稳定状态。

　　②根据预定的排列选择一个智能电表，智能电表随机选择一个与其当前所在联盟不同的联盟，计算两个联盟的效用以及两个联盟内所有智能电表的卸载收益；

　　③比较两个联盟的效用，若不影响其他电表的收益，那么智能电表选择加入效用较高的联盟，更新联盟状态；

　　④所有智能电表选择完策略是为一轮迭代，系统在进行一次迭代后，网络内部分智能电表改变了策略，每个联盟的接入智能电表数量增加或减小，网络连接状态全面更新，各个智能电表重新选择联盟，进行新一轮的迭代；

　　⑤联盟博弈达到纳什均衡，网络内所有智能电表不再改变策略，各个智能电表选择本地处理计算任务或将任务卸载，以及卸载情况下利用的子载波，获得AP分配的计算资源，进行任务卸载。

　　本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。