The low-altitude networks (LANs) integrating unmanned aerial vehicles (UAVs) and high-altitude platforms (HAPs) have become a promising solution for the rising computation demands. However, the uncertain task sizes and high mobility of UAVs pose great challenges to guarantee the quality of service. To address these issues, we propose an LAN architecture where UAVs and HAPs collaboratively provide computation offloading for ground users. Moreover, the uncertainty sets are constructed to characterize the uncertain task size, and a distributionally robust optimization problem is formulated to minimize the worst-case delay by jointly optimizing the offloading decisions and UAV trajectories. To solve the mixed-integer min-max optimization problem, we design the distributionally robust computation offloading and trajectories optimization algorithm. Specifically, the original problem is figured out by iteratively solving the outerlayer and inner-layer problems. The convex outer-layer problem with probability distributions is solved by the optimization toolkit. As for the inner-layer mixed-integer problem, we employ the Benders decomposition. The decoupled master problem concerning the binary offloading decisions is solved by the integer solver, and UAV trajectories in the sub-problem are optimized via the successive convex approximation. Simulation results show the proposed algorithm outperforms traditional optimization methods in balancing the worst-case delay and robustness.


翻译:融合无人机与高空平台的低空网络已成为满足日益增长计算需求的前瞻性解决方案。然而,任务规模的不确定性与无人机的高机动性对服务质量保障提出了重大挑战。为解决这些问题,我们提出一种低空网络架构,其中无人机与高空平台协同为地面用户提供计算卸载服务。通过构建不确定性集合以刻画任务规模的不确定性,并建立分布鲁棒优化问题,通过联合优化卸载决策与无人机轨迹以最小化最坏情况时延。针对该混合整数最小-最大优化问题,我们设计了分布鲁棒计算卸载与轨迹优化算法。具体而言,通过迭代求解外层与内层问题来处理原问题。具有概率分布的凸外层问题通过优化工具包求解;对于内层混合整数问题,我们采用Benders分解法。涉及二元卸载决策的解耦主问题通过整数求解器处理,而子问题中的无人机轨迹则通过逐次凸逼近进行优化。仿真结果表明,所提算法在权衡最坏情况时延与鲁棒性方面优于传统优化方法。

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