智能變電站智能反射表面輔助MEC傳輸方法研究

賀 奎 郭 昊

（國(guó)網(wǎng)河南省電力公司，河南 鄭州 450052）

隨著傳感測(cè)量技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、自動(dòng)化與智能控制技術(shù)等與物理電網(wǎng)高度集成的智能電網(wǎng)發(fā)展，輸電線路規(guī)模逐漸增大，從而電網(wǎng)可靠運(yùn)行帶來(lái)前所未有的挑戰(zhàn)[1]。與傳統(tǒng)電力業(yè)務(wù)不同，智能電網(wǎng)中，各種智能電力設(shè)備間會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。在滿足電網(wǎng)業(yè)務(wù)低時(shí)延的同時(shí)，這些數(shù)據(jù)的傳輸和處理就會(huì)給主站帶來(lái)很大的壓力。眾所周知，智能反射表面（Intelligent Reflective Surface，IRS）對(duì)信息傳輸業(yè)務(wù)時(shí)延的降低已經(jīng)得到行業(yè)內(nèi)的認(rèn)可。本文則主要研究智能反射表面輔助移動(dòng)邊緣計(jì)算卸載系統(tǒng)，通過降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，從而增加配電網(wǎng)可靠性性能方面，詳細(xì)的闡述了其架構(gòu)模式。

1 系統(tǒng)模型

考慮某變電站場(chǎng)景中操作的MEC系統(tǒng)，其中部署了k個(gè)單天線設(shè)備，當(dāng)遇敵意通信的計(jì)算卸載問題時(shí)，通過IRS進(jìn)行輔助卸載，提高其系統(tǒng)整體性能。其中k個(gè)單天線設(shè)備選擇無(wú)線傳輸路徑由多天線節(jié)點(diǎn)將其計(jì)算任務(wù)的某一部分或全部卸載到邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，假設(shè)AP處的天線間距和IRS的單元間距足夠高，使得分別與兩個(gè)不同天線和兩個(gè)不同反射單元相關(guān)的小尺度衰落是獨(dú)立的。

假設(shè)從第k個(gè)設(shè)備到IRS以及IRS到AP的等效基帶信道是完全估計(jì)的，并且是準(zhǔn)靜態(tài)的，當(dāng)設(shè)備被安排卸載他們的計(jì)算任務(wù)時(shí)，這些信道保持幾乎恒定，對(duì)于IRS，為了簡(jiǎn)單起見，將所有的反射元素的振幅反射系數(shù)設(shè)置為1，并將相移系數(shù)矢量表示為其中對(duì)于所有的可得到IRS的反射系數(shù)矩陣為虛數(shù)單元，在計(jì)算卸載過程中智能反射表面通過多天線接入點(diǎn)協(xié)助將k個(gè)單天線設(shè)備的計(jì)算卸載到邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，假設(shè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)和AP位于同一位置，并使用高吞吐量、低延遲光纖進(jìn)行連接。為了簡(jiǎn)便，邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)與AP間數(shù)據(jù)通信施加的時(shí)延忽略不計(jì)。

在假設(shè)調(diào)用完美的實(shí)現(xiàn)容量傳輸方案后，第k個(gè)設(shè)備最大可實(shí)現(xiàn)的計(jì)算卸載速率表示為

考慮到數(shù)據(jù)分區(qū)的基本應(yīng)用，其中一部分可在本地處理，而另一部分?jǐn)?shù)據(jù)可卸載到邊緣節(jié)點(diǎn)處理，因此存在局部計(jì)算和邊緣計(jì)算。其中邊緣計(jì)算總延遲包括計(jì)算卸載、邊緣計(jì)算以及返回計(jì)算結(jié)果端到端延遲共同構(gòu)成。第k個(gè)設(shè)備的等待時(shí)間可通過選擇由本地計(jì)算和由邊緣計(jì)算施加的最大值來(lái)計(jì)算，具體表示如下

2 問題建立

為了最小化延遲，提高其計(jì)算卸載速率，建立最小化所有設(shè)備的加權(quán)計(jì)算延遲的問題，從而驗(yàn)證IRS輔助MEC在智能電網(wǎng)中的時(shí)延性能，其加權(quán)延遲最小化問題表示為

從上述問題可看出，其優(yōu)化是通信與卸載相互耦合的。因此采用流行的BCD算法進(jìn)行解耦，再采用交替優(yōu)化算法進(jìn)行求出最優(yōu)解。

3 總延遲最小化問題優(yōu)化

BCD算法是簡(jiǎn)單但卻高效的非梯度優(yōu)化算法，其核心思想是將一個(gè)復(fù)雜的優(yōu)化問題分解為一系列簡(jiǎn)單的優(yōu)化問題。然后采用交替優(yōu)化算法，對(duì)其中一個(gè)變量進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)交替固定其他變量。

3.1 固定通信設(shè)置優(yōu)化計(jì)算卸載

在給定MUD矩陣W和IRS相移矢量的情況下，優(yōu)化問題P0變?yōu)閮?yōu)化問題P1：

當(dāng)固定MUD矩陣W和IRS相移矢量和邊緣計(jì)算資源分配向量可得到卸載位最佳數(shù)量：

當(dāng)固定MUD矩陣W和IRS相移矢量和卸載位數(shù)，得到邊緣計(jì)算分配最優(yōu)值：

3.2 固定計(jì)算設(shè)置優(yōu)化IRS相移

問題P0最優(yōu)解是因此用代替則優(yōu)化變?yōu)椋?/p>

利用KKT條件不斷地迭代優(yōu)化，最后得出相移最優(yōu)解為：

4 仿真分析

目前我國(guó)電網(wǎng)覆蓋范圍廣，輸電距離遠(yuǎn)、故障沖突等特點(diǎn)。在智能電網(wǎng)中引入邊緣計(jì)算可解決計(jì)算任務(wù)量過大等問題。但是帶來(lái)了時(shí)延問題，當(dāng)面對(duì)敵意通信環(huán)境的計(jì)算卸載問題時(shí)，僅引入MEC不可行，加以IRS輔助計(jì)算卸載，通過IRS的輔助，可有效降低時(shí)延，提高智能電網(wǎng)的整體穩(wěn)定性能。該系統(tǒng)中，AP的覆蓋范圍為R=350，IRS部署在小區(qū)邊緣，設(shè)備部署在距離多天線接入點(diǎn)d處。分別探索了IRS個(gè)數(shù)對(duì)時(shí)延的影響，探索了設(shè)備距離的影響。

圖1 時(shí)延與IRS元件數(shù)量的關(guān)系

在IRS輔助卸載的過程中，隨著反射元件數(shù)目的增加，時(shí)延顯著降低，這是因?yàn)榭梢酝ㄟ^部署用于計(jì)算卸載的IRS來(lái)改善接收的SINR，從圖中可以明顯看出IRS輔助系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)，與沒有IRS輔助的系統(tǒng)相比較，隨著IRS反射單元數(shù)目增加，其兩者差距逐漸增大，時(shí)延逐漸減少，整體性能得到提高，充分證實(shí)了IRS輔助MEC系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)。

圖2 時(shí)延與設(shè)備距離d的關(guān)系

在實(shí)際場(chǎng)景中，用戶設(shè)備距離多天線接入點(diǎn)的距離同樣也會(huì)對(duì)時(shí)延問題產(chǎn)生影響，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，傳輸過程中等待時(shí)間以及計(jì)算時(shí)間均會(huì)增加，此時(shí)性能會(huì)降低，當(dāng)在IRS輔助卸載的情況下，設(shè)備與IRS距離較近時(shí)，使用IRS優(yōu)勢(shì)更加明顯，同時(shí)IRS隨著相移的設(shè)定，IRS覆蓋范圍變大，降低了用戶設(shè)備傳輸之間時(shí)延。當(dāng)設(shè)備距離多天線接入點(diǎn)250米后，有IRS輔助的系統(tǒng)與沒有IRS輔助的系統(tǒng)時(shí)延具有較大的差距，具有IRS輔助的系統(tǒng)時(shí)延迅速降低，差距明顯，從而IRS輔助卸載提高了整體的時(shí)延性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著信息的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用增長(zhǎng)，其計(jì)算卸載延遲過大，對(duì)智能變電站巡檢、覆蓋、傳輸圖像等影響過大。運(yùn)用IRS輔助的MEC提高其覆蓋率，減少時(shí)延，提高整體穩(wěn)定性能，邊緣計(jì)算適用于實(shí)時(shí)、短周期的數(shù)據(jù)分析和本地決策等場(chǎng)景，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)側(cè)可增加計(jì)算、存儲(chǔ)、處理等功能，將傳統(tǒng)的無(wú)線基站升級(jí)為智能化基。但任務(wù)較多時(shí)其時(shí)延較大。通過調(diào)節(jié)IRS的反射元件的相移或者幅度，從而擴(kuò)大整個(gè)系統(tǒng)的覆蓋率，提高了傳輸速率，降低時(shí)延。