科研動(dòng)態(tài)
一種面向移動(dòng)邊緣計(jì)算的無人機(jī)基站部署方法
中文題目：一種面向移動(dòng)邊緣計(jì)算的無人機(jī)基站部署方法
論文題目：UAV Base Station Deployment Method for Mobile Edge Computing
錄用期刊/會(huì)議：計(jì)算機(jī)科學(xué) (CCF中文B類)
原文DOI：10.11896/jsjkx.220200089
作者列表：
1）劉芳正 中國石油大學(xué)（北京） 信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程 博19
2）馬博聞 中國石油大學(xué)（北京） 信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 碩21
3）呂博楓 中國石油大學(xué)（北京） 信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 碩20
4）黃霽崴 中國石油大學(xué)（北京） 信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 教授
摘要:
在移動(dòng)邊緣計(jì)算中，本地設(shè)備可以將任務(wù)卸載到邊緣服務(wù)器執(zhí)行，以此來提高服務(wù)質(zhì)量。但在受災(zāi)地區(qū)或遇到緊急情況時(shí)，地面固定的基站可能會(huì)出現(xiàn)大面積癱瘓，為了應(yīng)急通信，無人機(jī)支持的移動(dòng)邊緣計(jì)算系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。作為新興的應(yīng)急通信手段，無人機(jī)可以攜帶邊緣服務(wù)器，地面用戶設(shè)備可以將計(jì)算任務(wù)卸載給無人機(jī)執(zhí)行。但在多用戶網(wǎng)絡(luò)中部署多個(gè)無人機(jī)基站是具有挑戰(zhàn)性的。為此，重點(diǎn)研究無人機(jī)基站的戰(zhàn)略部署問題，將該問題建模為多目標(biāo)優(yōu)化問題，旨在平衡無人機(jī)基站之間的工作負(fù)載、最小化地面用戶和無人機(jī)基站之間的訪問延遲。與單目標(biāo)優(yōu)化問題相比，多目標(biāo)之間相互作用并且解不唯一，給模型求解帶來了一定困難。為此，提出基于K-Ｇmedoids的帕累托邊界搜索算法求解該問題，之后進(jìn)一步提出利用主成分分析算法從帕累托邊界中尋找最合適的解作為最終的無人機(jī)基站部署策略。實(shí)驗(yàn)使用真實(shí)的數(shù)據(jù)集，并與其他幾個(gè)基線方法進(jìn)行性能比較，驗(yàn)證了提出的解決方案的有效性。
背景與動(dòng)機(jī):
圖1 無人機(jī)基站部署示意圖
無人機(jī)作為空中基站對(duì)地面用戶提供服務(wù)的典型場(chǎng)景如圖１所示，當(dāng)?shù)孛婊敬竺娣e癱瘓時(shí)，為了應(yīng)急通信，可迅速部署多個(gè)無人機(jī)基站為用戶提供滿足需求的通信服務(wù)。多用戶多無人機(jī)基站的部署問題主要存在以下挑戰(zhàn)：由于無人機(jī)能力有限，無人機(jī)基站部署不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)基站之間的工作負(fù)載嚴(yán)重失衡，即一些無人機(jī)基站負(fù)載過重，而另一些無人機(jī)基站負(fù)載不足，甚至出現(xiàn)空閑狀態(tài)。此外，如果分配給用戶的無人機(jī)基站距離用戶較遠(yuǎn)，也會(huì)增加訪問延遲，嚴(yán)重影響服務(wù)質(zhì)量。因此，本文主要研究無人機(jī)基站部署問題，目的是為了平衡無人機(jī)基站之間的工作負(fù)載，縮短用戶和無人機(jī)基站之間的訪問延遲。
主要內(nèi)容:
無人機(jī)基站部署問題的關(guān)鍵是在最小化訪問延遲和均衡工作負(fù)載的目標(biāo)下，從
個(gè)用戶位置中選出
個(gè)無人機(jī)基站位置
，并把
個(gè)無人機(jī)基站部署到對(duì)應(yīng)的空中位置上。因此，本文將無人機(jī)基站部署問題建模為一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題。無人機(jī)基站部署問題描述如下：
對(duì)于上述的多目標(biāo)優(yōu)化模型，我們提出了一種基于K-Ｇmedoids的帕累托邊界搜索算法進(jìn)行求解，具體優(yōu)化算法為：
對(duì)于多目標(biāo)優(yōu)化問題，通常存在多個(gè)帕累托最優(yōu)解，即通過算法１得到的帕累托邊界是多個(gè)無人機(jī)部署方案的集合，為此，我們進(jìn)一步提出使用主成分分析算法從帕累托邊界中尋找最合適的解。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果:
最后，我們利用位于澳大利亞墨爾本中央商務(wù)區(qū)的真實(shí)數(shù)據(jù)集進(jìn)行了評(píng)估，以驗(yàn)證我們提出的解決方案的有效性和優(yōu)越性。
圖2 隨著用戶數(shù)量不斷增加，不同方法的性能對(duì)比。
圖3 隨著無人機(jī)基站數(shù)量不斷增加，不同方法的性能對(duì)比。
圖4 尋找無人機(jī)基站部署方案的過程。
通訊作者簡(jiǎn)介:
黃霽崴，教授，博士生導(dǎo)師，中國石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院副院長(zhǎng)，石油數(shù)據(jù)挖掘北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。入選北京市優(yōu)秀人才、北京市科技新星、北京市國家治理青年人才、昌聚工程青年人才、中國石油大學(xué)（北京）優(yōu)秀青年學(xué)者。本科和博士畢業(yè)于清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，美國佐治亞理工學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)博士生。研究方向包括：物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)計(jì)算、邊緣智能等。已主持國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金等科研項(xiàng)目18項(xiàng)；以第一/通訊作者在國內(nèi)外著名期刊和會(huì)議發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇，其中1篇獲得中國科協(xié)優(yōu)秀論文獎(jiǎng)，2篇入選ESI熱點(diǎn)論文，4篇入選ESI高被引論文；出版學(xué)術(shù)專著1部；獲得國家發(fā)明專利6項(xiàng)、軟件著作權(quán)4項(xiàng)；獲得中國通信學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、廣東省計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。擔(dān)任中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)(CCF)服務(wù)計(jì)算專委會(huì)委員，CCF和IEEE高級(jí)會(huì)員，電子學(xué)報(bào)、Chinese Journal of Electronics、Scientific Programming等期刊編委。
聯(lián)系方式：huangjw@cup.edu.cn。