基于智能無人機的邊緣計算研究

姚文云，勞振國，藍方芳

（1.廣西安全工程職業(yè)技術學院；2.南寧市良慶區(qū)財政局，廣西 南寧 530000）

現(xiàn)如今，無人機作為一種新型飛行器，憑借靈活性強、部署簡易等優(yōu)勢得到了廣泛的應用。然而，無人機在實際應用中也存在一定的缺陷，主要是其在監(jiān)控監(jiān)視、網(wǎng)絡覆蓋等民用領域中應用時，需要實時收集并處理所采集的周圍環(huán)境信息，但收集分析大量數(shù)據(jù)對于計算能力有著較高的需求，無人機自身的計算能力遠無法滿足實際應用的需要，進而也會導致無人機續(xù)航時間受影響。移動邊緣計算作為一種新興計算技術，其作用在一定程度上類似微云邊緣服務器，即可以將一些難以處理的數(shù)據(jù)進行傳輸，委托給邊緣服務器，邊緣服務器相對而言計算能力更強，可以較好地完成這些復雜數(shù)據(jù)的處理，目前也是激昂數(shù)據(jù)委托過程成為任務卸載。基于移動邊緣計算方式的特殊性，可以有效降低任務延時，因而目前該計算方法也被廣泛用于各種服務中。對于無人機收集處理數(shù)據(jù)而言，也可以借助邊緣計算將密集型任務進行分配，后續(xù)邊緣服務器將這些數(shù)據(jù)處理之后，也會將處理結果傳輸給無人機，由此便達到了降低無人機能耗、保證其續(xù)航時間的目的。對此，文中基于智能無人機邊緣計算展開深入的研究探討，以此為用戶帶來更好的體驗。

1 基于智能無人機的邊緣計算研究分類及應用

現(xiàn)如今，基于智能無人機的邊緣計算研究已經(jīng)成為國內(nèi)外相關學者的重點關注內(nèi)容。對于該研究進行分析可知，無人機的作用對象有所不同，可以根據(jù)作用對象對基于無人機的邊緣計算進行具體的場景劃分。其一是無人機作為用戶節(jié)點，該種情況下，支撐無人機邊緣計算服務的時地面基站，因此可簡稱為面向無人機網(wǎng)絡的邊緣智能計算方法；其二則是在無人機上裝配了邊緣計算服務器，這種場景下，無人機需要向地面網(wǎng)絡提供計算服務，因此這一場景稱為面向地面的無人機邊緣計算。與此同時，基于智能無人機的邊緣計算的應用范圍也是極為廣闊，通?？梢詰糜谵r(nóng)情勘察、資源分配、資源調(diào)度、預測用戶流量等方面。如智能無人機邊緣計算在農(nóng)情勘察方面的應用，即在無人機一側安裝有相應的勘察采集機構及支撐防護機構，主要包括起落架、固定桿、傳感器等部件。其中傳感器包括防護傳感器和碰撞傳感器，當無人機執(zhí)行勘察工作時，安裝在支撐架上的攝像頭及飛行把握系統(tǒng)、rtk 精準定位裝置可以進行網(wǎng)絡圖像傳輸，即將所勘察的農(nóng)情通過采集機構無線網(wǎng)絡圖像傳輸模塊傳遞到地面工作站，并由此借助對信息進行快速處理，實時計算得到田地中病蟲害、雜草、作物大面積死亡等一系列災害的具體情況，從而為后續(xù)農(nóng)田災害防治措施的采取提供數(shù)據(jù)支撐。其他方面的應用原理也基本如此，都是由無人機獲取所要調(diào)查的基本信息，然后將信息傳輸至地面基站進行計算處理，最終再反饋到無人機。

2 面向無人機網(wǎng)絡的邊緣智能計算的深入研究

在了解了面向無人機網(wǎng)絡的邊緣智能計算場景基本工作原理的基礎上，進一步深入分析可知，無人機在執(zhí)行任務方面有著一定的性能需求，尤其是在將本地任務卸載到地面基站的過程中，需要充分考慮能源消耗及時延計算，一旦任務卸載過程中能耗過大，必然會導致無人機電量快速消耗，執(zhí)行任務的時間也將大幅度縮減。此外，若是其時延太高，則地面計算將計算結果返還給無人機的耗時會延長，這就會導致用戶的設備體驗有所下降。對此，可以結合優(yōu)化無人機的具體性能目標，將其卸載本地任務分為三種類型，分別是以最小化無人機能耗、最小化時延、最大化效用為主進行探討。

2.1 無人機能耗最小化

無人機能耗最小化可以有效延長無人機的續(xù)航時間，對此，可以在保證無人機網(wǎng)絡邊緣智能計算整體服務質(zhì)量的基礎上，采用相應的無人機能耗最小化卸載策略，以此實現(xiàn)卸載任務的有效優(yōu)化。一般情況下，無人機在將密集型任務卸載到地面基站的過程中，其能耗主要源自于無人機的飛行或是懸停、無人機自身計算、將復雜任務卸載到地面基站的通信能耗，這三個部分共同構成了無人機的總體能耗。對此，要實現(xiàn)無人機能耗的最小化，還需結合無人機邊緣智能計算具體場景及能耗表達式進行研究，再結合相應的能耗優(yōu)化方法來實現(xiàn)無人機能耗的最小化。

根據(jù)無人機能耗的最小化，提供了一種地面基站為無人機一對一進行復雜計算任務卸載服務的方法,即在無人機卸載任務從起始位置到達結束位置的過程中,可將任務卸載工作分為兩部分，一部分的卸載服務計算任務是在無人機自身完成，另一部分才必須完成卸載并由地面基站進行計算任務。由此,便能夠通過對無人機飛行路線的優(yōu)化和比特分配的聯(lián)合分析，借助逐次逼近法計算得出無人機邊緣智能計算中能耗最小值的次優(yōu)解。這一最小化無人機能耗的方法所考慮的是無人機的飛行能耗以及計算能耗，根據(jù)最終的仿真結果顯示，聯(lián)合優(yōu)化無人機路徑及比特分配的無人機總能耗要明顯地優(yōu)于最小飛行能耗方案中的無人機能耗，這也在一定程度上表明，無人機的飛行能耗與計算能耗之間存在一定的關聯(lián)。

2.2 無人機時延最小化

一般情況下，當無人機需要執(zhí)行的任務時延敏感性較強時，則需要重點關注其飛行的時延，該種情況下，無人機的時延及能耗均很重要，但最小時延還是要優(yōu)于最小能耗，即必須首先保證無人機時延的最小化?；跓o人機網(wǎng)絡的邊緣算法時延控制所需考慮的內(nèi)容也涉及諸多方面，包括無人機飛行過程時延、計算任務卸載時延、便捷服務器中所卸載數(shù)據(jù)的處理及傳輸時延等，其中數(shù)據(jù)回傳時延考慮的較少甚至不予考慮，主要是由于基于無人機的邊緣智能計算通常數(shù)據(jù)量較小，因而回傳時延并不顯著，僅通過無人機的邊緣計算任務傳輸速率的優(yōu)化、無人機飛行路徑的優(yōu)化等實現(xiàn)其任務時延的最小化。

具體而言，在綜合考慮調(diào)節(jié)多個時延約束的條件下，可以以拉格朗日乘子法更精準地計算無人機在卸載計算數(shù)據(jù)過程中的傳輸速率，這也是當多對一的情況下采用的方法，其中邊緣服務器為多，共同為同一無人機提供卸載服務。該優(yōu)化方法主要是借助粒子群優(yōu)化算法有效解決無人機提供卸載服務的任務分配問題，進而也可以滿足地面用戶設備的服務質(zhì)量需求。當無人機數(shù)據(jù)傳輸時延約束條件不是過于嚴格的情況下，通過數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)化便可使其能耗最小化，而無人機所執(zhí)行任務時延敏感性較強時，則需要盡可能地提高數(shù)據(jù)傳輸速率，以此才能更好地尋求時延最小化分配方案。目前學者對無人機時延最小化都進行了深入的研究，結果表明，基于模擬退火的粒子群優(yōu)化算法的無人機最低時延要明顯地優(yōu)于平均分配策略以及無合作策略，可見多邊緣服務器有助于無人機時延的優(yōu)化。

2.3 無人機效用最大化

上述的分析分別針對無人機卸載決策中能耗最小及時延最小，然而，基于無人機的邊緣智能計算實際場景通常并不需要實現(xiàn)最小能耗或是最小時延，即要結合實際情況有效協(xié)調(diào)無人機卸載決策中能耗及時延之間的關系，由此使二者達到有效平衡，以達到任務卸載效能最優(yōu)化目標。從博弈論的視角出發(fā),如果無人機群能夠利用局域網(wǎng)將高強度運算任務迅速地卸載到地面基站，而在此基礎上再使用蜂窩網(wǎng)將計算任務迅速卸載到地面基站邊緣服務器上,基站邊緣服務器的計算能力則是要明顯超過基站的。實現(xiàn)對計算任務的卸載后,系統(tǒng)還需要建立能耗及時延整體風險總和的代價函數(shù)并將其視為系統(tǒng)的主要收益指標，進而在后續(xù)不斷優(yōu)化計算任務卸載決策，以達到降低能耗、減少無人機時延的目的。國外學者Messous M 即借助該方法提出了一種分布式算法，其研究結果顯示，這一計算任務卸載決策的函數(shù)值確實要低于僅將計算任務卸載到無人機本地、基站或是邊緣服務器的方法。

綜合來看，面向智能無人機網(wǎng)絡的邊緣計算所重點考慮的內(nèi)容是無人機能耗及任務時延，通過分布式算法等便可以實現(xiàn)無人機網(wǎng)絡邊緣計算任務卸載能耗及時延的有效降低，這對于優(yōu)化無人機邊緣智能計算整體效用也有著很大的幫助。

3 面向地面網(wǎng)絡的無人機邊緣智能計算深入研究

當無人機面向地面網(wǎng)絡提供計算卸載服務時，無人機作為提供的主體部分，通常需要將計算任務卸載到邊緣服務器。對于該無人機邊緣智能計算場景而言，所考慮的內(nèi)容也是能耗問題，其主要源自地面終端設備及無人機自身兩方面，下述則對具體的計算優(yōu)化進行深入的分析探討。

3.1 用戶設備能耗的最小化

由于地面基站設備在計算能力和電池容量等方面都是有限的,所以當這些地面設施在進行卸載任務時，尤其是密集型任務通常會出現(xiàn)能耗太快的情況，以此便會影響用戶的實際體驗。因此,能夠把原本由地面設備進行的密集型計算任務全部卸載至無人機邊緣服務器，然后再利用無人機路線和比特分配的優(yōu)勢有效地減少用戶設備功耗。目前,有關無人機路徑和比特分配的變量優(yōu)化的資料已經(jīng)比較多了,包括一個基于無人機的邊緣移動算法框架能夠通過無人機提供的多種對地面設備的卸載功能,并通過逐次向凸逼近的方式進行對無人機飛行路由和比特分配的聯(lián)合優(yōu)化。經(jīng)試驗仿真證明,比特分配和無人機路徑組合等優(yōu)化的方式，比單因素選擇的方式節(jié)能效益更加突出。

3.2 無人機能耗的最小化

擋在無人機上安裝邊緣服務器后，雖然地面基站無須考慮能耗問題，但無人機電池容量有限，且在維持飛行的同時也需要提供計算卸載服務，因此最小化無人機能耗對于任務卸載及邊緣智能計算的完成都有著重要意義。對此有學者提出了無人機能耗最小化策略，旨在保證服務質(zhì)量的基礎上實現(xiàn)無人機能耗的最小化。如所提出的一種基于無人機的移動邊緣計算系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在無人機無線能量傳輸架構的基礎上得到的，其在為地面設備提供計算卸載服務的過程中，也會借助無線能量傳輸技術為地面用戶設備供電。因此，也是對比特數(shù)、無人機飛行路徑及計算頻率等進行聯(lián)合優(yōu)化卸載，進而得到了一種能耗最小的方案。實踐研究后也證明，該方法較無人機由初始點到終點直線或是半圓飛行的基準方案性能更好。

3.3 任務量的最大化

當?shù)孛嬖O備所執(zhí)行的計算任務需求高且任務量較大時，通常需要采用針對性的計算任務卸載策略，對于這一決策而言，可以簡要地了解基于微波功率傳輸?shù)臒o人機邊緣計算系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，無人機會先進行無線充電，在于用戶設備上方提供卸載計算服務，充電過程便利用了微波電站，無人機只需懸停便可隨時進行充電，這也在一定程度上增強了無人機的續(xù)航性。后來也是通過對卸載決策、持續(xù)時間等進行了聯(lián)合型優(yōu)化，從實驗結果來看，確實有助于提高服務效益。

4 結語

就目前而言，無人機的應用愈發(fā)廣泛，邊緣計算也是通過計算任務卸載幫助緩解了無人機密集型數(shù)據(jù)處理的困境。通過本文的分析可以清晰地了解當前2 種場景下的無人機邊緣計算具體優(yōu)化策略，以此不斷提升任務卸載及計算結果傳輸效率，從而為用戶帶來更好的使用體驗。