基于鐵路無(wú)人機(jī)通信云計(jì)算卸載優(yōu)化方案

陳明陽(yáng)，劉 霞，龍時(shí)丹

（1．北京郵電大學(xué) 信息與通信學(xué)院，北京 100876；2．國(guó)家鐵路局裝備技術(shù)中心, 北京 100070）

近年來(lái)開(kāi)始使用無(wú)人機(jī)對(duì)鐵路線路、長(zhǎng)大橋隧等基礎(chǔ)設(shè)施的一些維修人員難以進(jìn)入的區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，特別是在缺乏通信設(shè)施的地區(qū)，無(wú)人機(jī)可用作蜂窩網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的飛行移動(dòng)終端，比如在川藏鐵路的山區(qū)、長(zhǎng)大鐵路隧道等區(qū)域大顯身手。由于無(wú)人機(jī)輔助的通信全方位覆蓋，并且無(wú)人機(jī)可以作為輔助，為現(xiàn)存通信基礎(chǔ)設(shè)施提供無(wú)空隙服務(wù)，這種服務(wù)在即將到來(lái)的5G時(shí)代顯得彌足珍貴，進(jìn)一步研究包括優(yōu)化無(wú)人機(jī)的飛行能力與路徑，結(jié)合無(wú)人機(jī)提供通信信道的特點(diǎn)，挖掘出無(wú)人機(jī)未來(lái)在鐵路通信領(lǐng)域的更大潛力尤為重要，因此，鐵路用無(wú)人機(jī)通信云計(jì)算卸載優(yōu)化方案的研究勢(shì)在必行。

對(duì)于傳統(tǒng)云計(jì)算的架構(gòu)，比如地面云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，無(wú)人機(jī)云計(jì)算結(jié)構(gòu)有更加顯著的優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)可以在任意場(chǎng)景下提供云計(jì)算服務(wù)，比如沙漠、高原或者地理環(huán)境比較復(fù)雜多變的地方，而這些地方是不能建立地面云計(jì)算服務(wù)器的。無(wú)人機(jī)的計(jì)算能力更加優(yōu)越，并具有更短的時(shí)延，因?yàn)槎叹嚯x的lineof-sight更容易得到保障。無(wú)人機(jī)的軌跡可以根據(jù)不同任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化，以便更好的提高計(jì)算性能，而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的可塑性較弱。基于上述優(yōu)點(diǎn)，國(guó)際許多科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)啟動(dòng)無(wú)人機(jī)云計(jì)算相關(guān)項(xiàng)目的研究，并將其投入使用。

基于鐵路無(wú)人機(jī)云計(jì)算卸載優(yōu)化方案主要的關(guān)注點(diǎn)是配置一個(gè)移動(dòng)無(wú)人機(jī)，并向鐵路移動(dòng)設(shè)備提供計(jì)算卸載服務(wù)。本文解決一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，就是同時(shí)優(yōu)化在上行與下行信道與無(wú)人機(jī)本地計(jì)算的字節(jié)分配，以及無(wú)人機(jī)飛行的路徑，以達(dá)到最小化能耗的目標(biāo)。對(duì)于上行與下行傳輸，采用了正交與非正交頻分復(fù)用，這種技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)中大有可為，本文解決了正交傳輸，達(dá)到時(shí)延與能量限制條件下的優(yōu)化方案。

1 基于鐵路無(wú)人機(jī)通信云計(jì)算卸載優(yōu)化方案

無(wú)人機(jī)云計(jì)算卸載優(yōu)化方案研究包括：一是模型的建立，明確優(yōu)化變量。變量主要為無(wú)人機(jī)飛行路徑、無(wú)人機(jī)接收移動(dòng)用戶數(shù)據(jù)（上行數(shù)據(jù)）、無(wú)人機(jī)本地云計(jì)算數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)發(fā)送給移動(dòng)用戶數(shù)據(jù)（下行數(shù)據(jù)）等；二是優(yōu)化無(wú)人機(jī)云計(jì)算路徑與比特分配。

1.1 建立無(wú)人機(jī)通信云計(jì)算能耗模型

本文考慮無(wú)人機(jī)云計(jì)算的3種能量損耗，分別是本地計(jì)算消耗能量，飛行所需要能量與傳輸數(shù)據(jù)消耗能量。

1）無(wú)人機(jī)本地計(jì)算消耗能量

假設(shè)無(wú)人機(jī)的CPU頻率是fc，那么執(zhí)行移動(dòng)用戶MUk所輸入的l bit所需要的能量：

使得總能量消耗等于：

2）無(wú)人機(jī)飛行所需能量

3）無(wú)人機(jī)傳輸數(shù)據(jù)消耗能量

其中，g0表示在1 W的傳輸能量在1 m的距離內(nèi)最終的收益。傳輸信道模型假定為加性高斯白噪，能量譜密為N0。

對(duì)于非正交方式，上行傳輸能量消耗如下：

下行傳輸能量如下：

1.2 建立無(wú)人機(jī)信息傳輸模型

本文考慮兩種信道傳輸模型，一種是正交方式，另一種是非正交方式。使用頻分復(fù)用(FDD)的方式，并且分配的帶寬為B。在5G網(wǎng)絡(luò)中，非正交方式，也稱(chēng)NOMA，被更為廣泛的使用。如圖1所示，對(duì)于正交傳輸方式，在每個(gè)時(shí)間間隔之中又等分成K個(gè)時(shí)隙。在第k個(gè)時(shí)隙中，無(wú)人機(jī)僅與第k個(gè)移動(dòng)用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。本文中K=3。對(duì)于移動(dòng)用戶MUk，其中k∈K，輸入待處理信息為Ikbit，處理1 bit需要的CPU轉(zhuǎn)數(shù)為Ck，經(jīng)過(guò)處理后輸出信息為Okbit。

對(duì)于非正交方式，在每一個(gè)時(shí)間間隔之中，無(wú)人機(jī)與全部移動(dòng)用戶進(jìn)行通信。對(duì)于其中的每一個(gè)移動(dòng)用戶，在與無(wú)人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，會(huì)受到其他數(shù)據(jù)的干擾，這使得增益減少。可以在上一部分非正交方式傳輸能量的表達(dá)式中發(fā)現(xiàn)，每一移動(dòng)用戶傳輸能量損耗與其他移動(dòng)用戶能量有關(guān)。

1.3 建立無(wú)人機(jī)通信計(jì)算優(yōu)化的模型

圖1 正交傳輸方式與非正交方式兩種模型Fig.1 Orthogonal and non-orthogonal transmission modes

無(wú)人機(jī)云計(jì)算模型如圖2所示，包含地面上的移動(dòng)用戶，飛行的無(wú)人機(jī)，以及無(wú)人機(jī)與移動(dòng)用戶進(jìn)行的雙邊通信。

圖2 無(wú)人機(jī)云計(jì)算模型11/5000Fig.2 UAV cloud computing model

1.4 無(wú)人機(jī)通信云計(jì)算路徑與比特分配優(yōu)化方案

無(wú)人機(jī)云計(jì)算路徑與比特分配優(yōu)化方案是在一定邊界條件下，比如無(wú)人機(jī)飛行能力（包括距離、速度等），無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸能力等一系列條件下，通過(guò)優(yōu)化無(wú)人機(jī)飛行軌跡與傳輸數(shù)據(jù)分配，以得到最優(yōu)化。

1）對(duì)飛行速度限制的優(yōu)化

由于無(wú)人機(jī)飛行技術(shù)的限制，無(wú)人機(jī)飛行速度是有限制的。所以在優(yōu)化無(wú)人機(jī)軌跡的同時(shí)，要考慮相關(guān)速度限制。顯然，無(wú)人機(jī)在第n個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的飛行速度為：

由上述無(wú)人機(jī)飛行速度限制，可以得到如下表達(dá)式：

對(duì)于無(wú)人機(jī)總體的飛行，需要在指定的時(shí)間T內(nèi)完成指定路程，所以得到如下對(duì)于速度的限制：

2）對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸能力限制的優(yōu)化

根據(jù)上述算得無(wú)人機(jī)CPU頻率，以及在1.1節(jié)中已經(jīng)推得的云計(jì)算計(jì)算能量的表達(dá)式，可以繼續(xù)推導(dǎo)得到計(jì)算卸載優(yōu)化所需的計(jì)算能量為：

其中，上式中l(wèi)n={lk,n}(k∈K)，代表在第n個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)K個(gè)移動(dòng)用戶需要無(wú)人機(jī)處理的全部數(shù)據(jù)。在本文中，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，只假設(shè)3個(gè)移動(dòng)用戶。無(wú)人機(jī)總體的能量限制比較簡(jiǎn)介，只需要在全部N個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，無(wú)人機(jī)飛行能量，無(wú)人機(jī)傳輸信息能量，與無(wú)人機(jī)本地計(jì)算能量的總和小于等于總的能量限制。于是可以得到如下優(yōu)化表達(dá)式：

其中，ε代表無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中可得到的總能量。以上為無(wú)人機(jī)云計(jì)算能量限制。

3）對(duì)無(wú)人機(jī)傳輸信息分配限制的優(yōu)化

對(duì)于無(wú)人機(jī)傳輸信息的分配，也需要滿足一系列限制條件。比如在任一時(shí)刻，無(wú)人機(jī)接收到的數(shù)據(jù)要大于等于無(wú)人機(jī)本地計(jì)算的數(shù)據(jù)。原因是無(wú)人機(jī)云計(jì)算本地處理的數(shù)據(jù)來(lái)自于移動(dòng)用戶向無(wú)人機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。如果前者大于后者，將會(huì)與真實(shí)情況矛盾。

對(duì)于無(wú)人機(jī)處理完的數(shù)據(jù)限制也需要優(yōu)化。無(wú)人機(jī)發(fā)送給地面移動(dòng)用戶的數(shù)據(jù)要小于等于無(wú)人機(jī)CPU計(jì)算處理之后的數(shù)據(jù)。同時(shí)，幾個(gè)待優(yōu)化的傳輸數(shù)據(jù)變量也要滿足限制條件。簡(jiǎn)而言之，方案優(yōu)化后，在第n+1個(gè)時(shí)間間隔無(wú)人機(jī)云計(jì)算本地計(jì)算的總數(shù)據(jù)小于等于在第n個(gè)時(shí)間間隔以及之前無(wú)人機(jī)從移動(dòng)用戶接收到的總數(shù)據(jù)。在第n+2個(gè)時(shí)間間隔之中無(wú)人機(jī)向移動(dòng)用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)要不大于n+1時(shí)間間隔之前無(wú)人機(jī)已經(jīng)計(jì)算處理好的數(shù)據(jù)。

2 基于正交方式優(yōu)化方案的實(shí)現(xiàn)

1）for v in 0:iteration；其中iteration為設(shè)定的迭代次數(shù)；

2）If z(v)是原優(yōu)化問(wèn)題最優(yōu)解，break；

介紹的步長(zhǎng)函數(shù)；

5）v=v+1

以上為程序的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)。

在偽代碼的第三步中，涉及到轉(zhuǎn)換后的凸優(yōu)化問(wèn)題。該問(wèn)題是根據(jù)原始模型轉(zhuǎn)換而來(lái)。待優(yōu)化問(wèn)題如下：

新的邊界條件如下：

3 仿真結(jié)果及性能分析

3.1 基于正交傳輸?shù)臒o(wú)人機(jī)云計(jì)算方案仿真結(jié)果分析

使用MATLAB仿真時(shí)，設(shè)置的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為L(zhǎng)=104，Q/N0=15.75 dB情況下的誤比特率如圖3所示。

圖3 Q/N0=15.75 dB情況下的誤比特率Fig.3 Bit error rates for Q/N0=15.75 dB

3.2 未進(jìn)行優(yōu)化的無(wú)人機(jī)計(jì)算方案仿真

再將仿真曲線與LDPC方案的曲線相比較，如圖5所示。

從圖5可以看出，為了達(dá)到BER低于10-5的要求，TCM-DPC方案比LDPC方案的發(fā)送功率小于12 dB。

圖4 Q/N0=19.06 dB情況下的誤比特率Fig.4 A comparison between the bit error rates of two schemes for Q/N0=19.06 dB

圖5 Q/N0=19.06 dB情況下兩種方案的誤比特率比較Fig.5 A comparison between the bit error rates of two schemes for Q/N0=19.06 dB

4 結(jié)論

主要研究鐵路應(yīng)用無(wú)人機(jī)云計(jì)算卸載優(yōu)化具體方案，給出無(wú)人機(jī)云計(jì)算卸載優(yōu)化方案相關(guān)模型和仿真。本文對(duì)無(wú)人機(jī)計(jì)算卸載優(yōu)化方案進(jìn)行建模，明確了待優(yōu)化變量，包括無(wú)人機(jī)飛行軌跡、無(wú)人機(jī)傳輸數(shù)據(jù)分配等，關(guān)于鐵路應(yīng)用無(wú)人機(jī)計(jì)算卸載的優(yōu)化方案的仿真是基于正交的信息傳輸方式。因?yàn)榭紤]程序的運(yùn)行速度以及性能，本次的仿真代碼迭代次數(shù)有限，導(dǎo)致優(yōu)化方案的精度有限，具體的優(yōu)化結(jié)果有待進(jìn)一步研究與具體實(shí)現(xiàn)。不過(guò)，鐵路用無(wú)人機(jī)云計(jì)算的研究可繼續(xù)深化，發(fā)展前景廣闊。