智能变电站智能反射表面辅助MEC传输方法研究

贺 奎 郭 昊

（国网河南省电力公司，河南 郑州 450052）

随着传感测量技术、通信技术、计算技术、自动化与智能控制技术等与物理电网高度集成的智能电网发展，输电线路规模逐渐增大，从而电网可靠运行带来前所未有的挑战[1]。与传统电力业务不同，智能电网中，各种智能电力设备间会产生海量数据。在满足电网业务低时延的同时，这些数据的传输和处理就会给主站带来很大的压力。众所周知，智能反射表面（Intelligent Reflective Surface，IRS）对信息传输业务时延的降低已经得到行业内的认可。本文则主要研究智能反射表面辅助移动边缘计算卸载系统，通过降低网络时延，从而增加配电网可靠性性能方面，详细的阐述了其架构模式。

1 系统模型

考虑某变电站场景中操作的MEC系统，其中部署了k个单天线设备，当遇敌意通信的计算卸载问题时，通过IRS进行辅助卸载，提高其系统整体性能。其中k个单天线设备选择无线传输路径由多天线节点将其计算任务的某一部分或全部卸载到边缘计算节点，假设AP处的天线间距和IRS的单元间距足够高，使得分别与两个不同天线和两个不同反射单元相关的小尺度衰落是独立的。

假设从第k个设备到IRS以及IRS到AP的等效基带信道是完全估计的，并且是准静态的，当设备被安排卸载他们的计算任务时，这些信道保持几乎恒定，对于IRS，为了简单起见，将所有的反射元素的振幅反射系数设置为1，并将相移系数矢量表示为其中对于所有的可得到IRS的反射系数矩阵为虚数单元，在计算卸载过程中智能反射表面通过多天线接入点协助将k个单天线设备的计算卸载到边缘计算节点，假设边缘计算节点和AP位于同一位置，并使用高吞吐量、低延迟光纤进行连接。为了简便，边缘计算节点与AP间数据通信施加的时延忽略不计。

在假设调用完美的实现容量传输方案后，第k个设备最大可实现的计算卸载速率表示为

考虑到数据分区的基本应用，其中一部分可在本地处理，而另一部分数据可卸载到边缘节点处理，因此存在局部计算和边缘计算。其中边缘计算总延迟包括计算卸载、边缘计算以及返回计算结果端到端延迟共同构成。第k个设备的等待时间可通过选择由本地计算和由边缘计算施加的最大值来计算，具体表示如下

2 问题建立

为了最小化延迟，提高其计算卸载速率，建立最小化所有设备的加权计算延迟的问题，从而验证IRS辅助MEC在智能电网中的时延性能，其加权延迟最小化问题表示为

从上述问题可看出，其优化是通信与卸载相互耦合的。因此采用流行的BCD算法进行解耦，再采用交替优化算法进行求出最优解。

3 总延迟最小化问题优化

BCD算法是简单但却高效的非梯度优化算法，其核心思想是将一个复杂的优化问题分解为一系列简单的优化问题。然后采用交替优化算法，对其中一个变量进行优化，同时交替固定其他变量。

3.1 固定通信设置优化计算卸载

在给定MUD矩阵W和IRS相移矢量的情况下，优化问题P0变为优化问题P1：

当固定MUD矩阵W和IRS相移矢量和边缘计算资源分配向量可得到卸载位最佳数量：

当固定MUD矩阵W和IRS相移矢量和卸载位数，得到边缘计算分配最优值：

3.2 固定计算设置优化IRS相移

问题P0最优解是因此用代替则优化变为：

利用KKT条件不断地迭代优化，最后得出相移最优解为：

4 仿真分析

目前我国电网覆盖范围广，输电距离远、故障冲突等特点。在智能电网中引入边缘计算可解决计算任务量过大等问题。但是带来了时延问题，当面对敌意通信环境的计算卸载问题时，仅引入MEC不可行，加以IRS辅助计算卸载，通过IRS的辅助，可有效降低时延，提高智能电网的整体稳定性能。该系统中，AP的覆盖范围为R=350，IRS部署在小区边缘，设备部署在距离多天线接入点d处。分别探索了IRS个数对时延的影响，探索了设备距离的影响。

图1 时延与IRS元件数量的关系

在IRS辅助卸载的过程中，随着反射元件数目的增加，时延显著降低，这是因为可以通过部署用于计算卸载的IRS来改善接收的SINR，从图中可以明显看出IRS辅助系统的性能优势，与没有IRS辅助的系统相比较，随着IRS反射单元数目增加，其两者差距逐渐增大，时延逐渐减少，整体性能得到提高，充分证实了IRS辅助MEC系统的性能优势。

图2 时延与设备距离d的关系

在实际场景中，用户设备距离多天线接入点的距离同样也会对时延问题产生影响，当距离较远时，传输过程中等待时间以及计算时间均会增加，此时性能会降低，当在IRS辅助卸载的情况下，设备与IRS距离较近时，使用IRS优势更加明显，同时IRS随着相移的设定，IRS覆盖范围变大，降低了用户设备传输之间时延。当设备距离多天线接入点250米后，有IRS辅助的系统与没有IRS辅助的系统时延具有较大的差距，具有IRS辅助的系统时延迅速降低，差距明显，从而IRS辅助卸载提高了整体的时延性能。

5 结束语

随着信息的快速发展，物联网设备使用增长，其计算卸载延迟过大，对智能变电站巡检、覆盖、传输图像等影响过大。运用IRS辅助的MEC提高其覆盖率，减少时延，提高整体稳定性能，边缘计算适用于实时、短周期的数据分析和本地决策等场景，在无线网络侧可增加计算、存储、处理等功能，将传统的无线基站升级为智能化基。但任务较多时其时延较大。通过调节IRS的反射元件的相移或者幅度，从而扩大整个系统的覆盖率，提高了传输速率，降低时延。