基于演化博弈论的CPS网络交互与资源分配机制研究

Cyber-Physical Systems (CPS) integrate computing, sensing, communication and control in a collaborative manner. The cyber space and the physical space are deeply coupled and interacted. The resources, such as communication and computing, have the characteristics of spatiotemporal distribution, heterogeneity, dynamic, and interaction. Multi-scale constrained management of communication resource is one of the most fundamental issues in CPS. The project is targeting at three important scientific problems in the issue. We will first analyze the issue of modeling the spatiotemporal communication in CPS. A spatiotemporal modeling method for communication will be proposed. The method integrates the temporal evolution and the spatial evolution in a unified framework. It is the foundation of interaction. Then we will analyze the interaction among heterogeneous entities. By jointly optimize the communication, computing and storage resources, a multi-dimensional resources-aware interaction mechanism, which is based on evolutionary game theory, will be proposed. Finally, we will study the resource allocation method for multi-scale constrained communication in CPS. The heterogeneous delay guaranteed strategy under the multi-scale constraints will be proposed. The aim of the proposed resource allocation method is to meet the various communication requirements of CPS applications. The goals of the real-time interaction and the efficient collaboration between cyber space and physical space are achieved.

信息物理融合系统(Cyber-physical system, CPS)通过计算、感知、通信与控制能力的有机融合，实现了信息空间与物理空间的交互耦合。CPS中通信、计算等多维资源具有时空性、异构性、动态性、融合性，且相互制约，多维受限的网络资源管理是最重要的基础问题之一。本项目研究CPS网络资源管理三个基本科学问题：研究CPS网络时空多维约束下的通信建模问题，提出联合时空多维分布的通信建模方法，构建统一表征时空演化的CPS通信模型，为设备交互奠定基础；研究能力异构设备的网络接入交互问题，提出基于演化博弈的多维资源感知交互机制，通过联合优化网络、计算和存储资源最优化交互决策，为资源分配提供支撑；研究多维约束CPS网络通信资源分配问题，提出时间、空间、计算、存储等多维约束下的通信延迟保障网络资源分配策略，通过网络资源优化提供多样化的通信服务，确保开放环境下物理空间与信息空间实时交互与高效协同。

CPS网络组成及接入模式呈现出异构化，用户的通信需求也日益多样化，在受到多维资源约束且不具有全局信息的前提下如何做出最佳网络接入决策，成为CPS通过网络协同的一个关键问题。.本项目从网络参与者的时空约束入手，分析了CPS 网络时空多维约束下的通信建模问题，提出联合时空多维分布的CPS网络通信时空模型，统一表征异构设备随时空演化的通信特性，刻画时间、空间及计算、通信等多维资源对异构设备交互的影响，解决异构设备通信的统一时空语义表示，为异构设备交互与资源分配机制设计提供有力支撑。在此基础上研究了能力异构设备的网络接入交互与策略学习问题，提出基于演化博弈的CPS网络接入模型，构建多维资源感知的异构设备交互框架，支持用户在网络运行过程中自适应调整接入策略，在此基础上对网络及计算资源进行分配，并以无人机接入多服务商网络为例对方法及框架进行了有效性和合理性验证。实验结果表明，基于演化博弈的多维资源交互方法能够显著降低异构网络接入时延，提升了网络资源利用率。在此基础上研究了能力异构设备的网络接入交互与策略学习问题，提出基于演化博弈的CPS网络接入模型，构建多维资源感知的异构设备交互框架，支持用户在网络运行过程中自适应调整接入策略，在此基础上对网络及计算资源进行分配，并以无人机接入多服务商网络为例对方法及框架进行了有效性和合理性验证。实验结果表明，基于演化博弈的多维资源交互方法能够显著降低异构网络接入时延，提升了网络资源利用率。结合多维约束下的多模式通信接入选择算法与资源分配需求，面向无人机辅助异构网络，提出基于演化博弈的复杂环境无人机辅助通信网络接入方法，构建时空、计算、存储等多维约束下网络资源分配策略，优化无人机集群部署策略，确保无人机辅助网络异构节点的实时交互与高效协同。实验结果表明，该方法能够实时感知无线网络的用户接入需求，支持根据用户时空特性调整无人机辅助通信网络的通信设施部署，不仅降低了用户通信延迟，还提升了系统资源利用率，保障了复杂环境的通信性能。.项目以无人机集群为提出机制与方法的应用对象，对采用提出方法的集群进行了评价，为演化策略的持续改进提供了有效支撑，为后续方法的实物部署提供了有力保障。