一種面向移動邊緣計算的無人機基站部署方法
中文題目：一種面向移動邊緣計算的無人機基站部署方法
論文題目：UAV Base Station Deployment Method for Mobile Edge Computing
錄用期刊/會議：計算機科學 (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（北京） 信息科學與工程學院/人工智能學院 控制科學與工程 博19
2）馬博聞 中國石油大學（北京） 信息科學與工程學院/人工智能學院 計算機科學與技術 碩21
3）呂博楓 中國石油大學（北京） 信息科學與工程學院/人工智能學院 計算機科學與技術 碩20
4）黃霽崴 中國石油大學（北京） 信息科學與工程學院/人工智能學院 計算機科學與技術系 教授
摘要:
在移動邊緣計算中，本地設備可以將任務卸載到邊緣服務器執行，以此來提高服務質量。但在受災地區或遇到緊急情況時，地面固定的基站可能會出現大面積癱瘓，為了應急通信，無人機支持的移動邊緣計算系統應運而生。作為新興的應急通信手段，無人機可以攜帶邊緣服務器，地面用戶設備可以將計算任務卸載給無人機執行。但在多用戶網絡中部署多個無人機基站是具有挑戰性的。為此，重點研究無人機基站的戰略部署問題，將該問題建模為多目標優化問題，旨在平衡無人機基站之間的工作負載、最小化地面用戶和無人機基站之間的訪問延遲。與單目標優化問題相比，多目標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基站部署策略。實驗使用真實的數據集，并與其他幾個基線方法進行性能比較，驗證了提出的解決方案的有效性。
背景與動機:
圖1 無人機基站部署示意圖
無人機作為空中基站對地面用戶提供服務的典型場景如圖１所示，當地面基站大面積癱瘓時，為了應急通信，可迅速部署多個無人機基站為用戶提供滿足需求的通信服務。多用戶多無人機基站的部署問題主要存在以下挑戰：由于無人機能力有限，無人機基站部署不當可能會導致無人機基站之間的工作負載嚴重失衡，即一些無人機基站負載過重，而另一些無人機基站負載不足，甚至出現空閑狀態。此外，如果分配給用戶的無人機基站距離用戶較遠，也會增加訪問延遲，嚴重影響服務質量。因此，本文主要研究無人機基站部署問題，目的是為了平衡無人機基站之間的工作負載，縮短用戶和無人機基站之間的訪問延遲。
主要內容:
無人機基站部署問題的關鍵是在最小化訪問延遲和均衡工作負載的目標下，從
個用戶位置中選出
個無人機基站位置
，并把
個無人機基站部署到對應的空中位置上。因此，本文將無人機基站部署問題建模為一個多目標優化問題。無人機基站部署問題描述如下：
對于上述的多目標優化模型，我們提出了一種基于K-Ｇmedoids的帕累托邊界搜索算法進行求解，具體優化算法為：
對于多目標優化問題，通常存在多個帕累托最優解，即通過算法１得到的帕累托邊界是多個無人機部署方案的集合，為此，我們進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。
實驗結果:
最后，我們利用位于澳大利亞墨爾本中央商務區的真實數據集進行了評估，以驗證我們提出的解決方案的有效性和優越性。
圖2 隨著用戶數量不斷增加，不同方法的性能對比。
圖3 隨著無人機基站數量不斷增加，不同方法的性能對比。
圖4 尋找無人機基站部署方案的過程。
通訊作者簡介:
黃霽崴，教授，博士生導師，中國石油大學（北京）信息科學與工程學院/人工智能學院副院長，石油數據挖掘北京市重點實驗室主任。入選北京市優秀人才、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（北京）優秀青年學者。本科和博士畢業于清華大學計算機科學與技術系，美國佐治亞理工學院聯合培養博士生。研究方向包括：物聯網、服務計算、邊緣智能等。已主持國家自然科學基金、國家重點研發計劃、北京市自然科學基金等科研項目18項；以第一/通訊作者在國內外著名期刊和會議發表學術論文60余篇，其中1篇獲得中國科協優秀論文獎，2篇入選ESI熱點論文，4篇入選ESI高被引論文；出版學術專著1部；獲得國家發明專利6項、軟件著作權4項；獲得中國通信學會科學技術一等獎1項、中國產學研合作創新成果一等獎1項、廣東省計算機學會科學技術二等獎1項。擔任中國計算機學會(CCF)服務計算專委會委員，CCF和IEEE高級會員，電子學報、Chinese Journal of Electronics、Scientific Programming等期刊編委。
聯系方式：huangjw@cup.edu.cn。