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使用GNN与多任务学习的混合无线电-光学物联网网络中的资源分配

Resource Allocation in Hybrid Radio-Optical IoT Networks using GNN with Multi-task Learning

Aymen Hamrouni, Sofie Pollin, Hazem Sallouha

arXiv
2025年10月29日

本文解决了混合物联网(IoT)网络中将光无线通信(OWC)与射频(RF)集成的双技术调度问题。 我们首先制定混合整数非线性编程(MINLP)模型,该模型共同考虑在能源和链路可用性约束下,在接入点和物联网节点之间的吞吐量最大化和延迟最小化。 然而,考虑到大规模解决这种NP难题的棘手性和全通道可观测性的不切实际的假设,我们提出了双图形嵌入与变压器(DGET)框架,这是一种监督的多任务学习架构,将双阶段图形神经网络(GNN)与基于变压器的编码器相结合。 第一阶段采用转导式GNN,对已知的图形拓扑和初始节点和链路状态进行编码。 第二阶段引入了用于时间改进的归纳式GNN,该阶段通过一致性损失将它们与地面真实调度决策保持一致,将这些嵌入推广到同一网络的进化状态,通过一致性损失来捕获能量和队列动力学的变化。 然后,这些丰富的嵌入由分类器处理,用于使用 Transformer 编码器的通信链路,该编码器通过分类损失通过多头自注意捕获跨链路依赖关系。 模拟结果表明,混合RF-OWC网络通过更有效地处理更高的流量负载并将信息时代(AoI)降低高达20%,同时保持可比能耗,从而优于独立的RF系统。 与传统基于优化的方法相比,拟议的DGET框架实现了近乎最优的调度,分类精度超过90%,降低了计算复杂性,并在部分通道可观察性下展示了更高的鲁棒性。

This paper addresses the problem of dual-technology scheduling in hybrid Internet of Things (IoT) networks that integrate Optical Wireless Communication (OWC) alongside Radio Frequency (RF). We begin by formulating a Mixed-Integer Nonlinear Programming (MINLP) model that jointly considers throughput maximization and delay minimization between access points and IoT nodes under energy and link availability constraints. However, given the intractability of solving such NP-hard problems at scale and...