星地双边缘计算系统MEC运营商收益优化策略研究

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第五代(5th Generation,5G)移动通信网络正在全球范围内投入商用,但其在覆盖范围和性能指标方面仍然难以满足某些应用场景的业务需求。因此,未来第六代(6th Generation,6G)移动通信网络的核心愿景之一是星地融合通信,旨在实现通信服务的全球无缝覆盖。低轨(Low Earth Orbit,LEO)卫星网络因其在通信能力方面的诸多优势,成为星地一体化网络的关键组成部分,不仅弥补了地面网络的覆盖盲点,还可以作为地面网络出现拥堵、故障等问题时的备用网络。为了进一步满足各种新兴业务对于数据处理、存储的体验质量(Quality of Experience,QoE)需求,星地一体化网络中需要部署移动边缘计算(Mobile edge computing,MEC)资源。在星地一体化网络中,地面基站MEC服务器一般是由电信运营商部署,而LEO卫星MEC服务器是由卫星通信运营商部署。由于卫星通信网络与地面通信网络的关系当下处于竞争与融合交织的阶段,地面MEC与LEO卫星MEC之间的关系存在“合作”与“非合作”两种情况。国内外已有大量文献研究面向MEC系统的计算卸载、边缘缓存等问题,但对于MEC运营商收益优化问题的研究相对少见,特别是对于星地一体化网络的场景。鉴于定价策略对于MEC市场的重要性,本文对于星地双边缘“合作”和“非合作”两个子场景下运营商的收益优化问题分别进行了研究。对于星地双边缘“合作”子场景:首先,针对MEC运营商的收益以及基站、卫星计算分别建立运营商收益优化函数、计算与通信资源约束、任务执行时延约束。其次,提出一个基站任务执行次序和LEO卫星资源分配联合优化策略,从而在满足计算任务QoE需求的前提下保证更多的任务在基站完成,并降低任务星上计算产生的成本。最后,仿真结果表明,所提策略可以有效提升运营商的收益。对于星地双边缘“非合作”子场景:首先,针对MEC运营商的收益以及基站和卫星计算分别建立运营商的收益函数和物联网(Internet of Things,IoT)节点的成本函数。其次,采用Stackelberg博弈模型表述了IoT节点和基站MEC运营商、LEO卫星MEC运营商相互之间的动态博弈关系,并运用逆向归纳法解决了运营商定价策略和IoT节点卸载策略问题,运用凸优化方法解决了计算资源分配问题。最后,仿真结果表明了星地双边缘计算对于减少IoT节点成本的适用性和该场景下MEC运营商的定价策略。
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