张凌豪Linghao Zhang
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回到论文列表UAV 100 m · LEO 800 km
1/5 面向 DNN 推理任务的 CR-SAGIN 增强车联网架构(图 1)。
2/5 考虑精度的多分支早退 DNN 模型(图 2)。
3/5 各子问题求解逻辑示意图(图 4)。
4/5 不同参数设置下 AlexNet 的目标值对比(图 7)。
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IEEE TVT2026Early Access

Joint Task Offloading and Trajectory Optimization for Cooperative Multi-Branch DNN Inference in CR-SAGIN-Enhanced IoV

Bo Xu, Suyao Huang, Yukai Xu, Mengru Wu, Linghao Zhang, Jinlong Sun, Haitao Zhao

IEEE Transactions on Vehicular Technology, pp. 1–16, 2026

摘要

The Space-Air-Ground Integrated Network (SAGIN) has emerged as a pivotal architecture for sixth-generation (6G) mobile communication systems, offering extensive multi-domain and multi-dimensional coverage. To support intelligent services within SAGIN, deep neural network (DNN) inference tasks are often distributed across multiple devices due to the increasing scale of DNN parameters and constrained communication and computation resources. In this paper, to enhance intelligent services in the Internet of Vehicles (IoV), a cognitive-radio (CR)-enhanced SAGIN framework is proposed, where unmanned aerial vehicles (UAVs) are responsible for data collection and cooperate with vehicles to complete complex DNN inference tasks. A joint optimization problem that coordinates device association, model splitting with early exiting, resource allocation, and UAV trajectory planning is proposed to improve the average inference efficiency over a finite multi-round mission, defined as the average of the per-round ratios between aggregate inference accuracy and aggregate inference latency. Since the problem is highly coupled and non-convex, we decompose it into several subproblems and solve them iteratively. A quadratic unconstrained binary optimization (QUBO)-based graph attention network (GAT) approach with independent branch selection is proposed to solve the joint device association and model splitting problem, where a differentiable loss function is derived through Hamiltonian relaxation. In addition, we obtain a convex approximation of the transmit-power subproblem, while computation-resource allocation is solved as a convex optimization problem. For multi-round operations, we design a multi-agent reinforcement learning (MARL)-based trajectory optimization algorithm under a centralized training and decentralized execution paradigm. Simulation results on widely used DNN models, including AlexNet and VGG16, demonstrate that the proposed approach can improve the efficiency of collaborative DNN inference.

引用

Bo Xu, Suyao Huang, Yukai Xu, Mengru Wu, Linghao Zhang, Jinlong Sun, Haitao Zhao, “Joint Task Offloading and Trajectory Optimization for Cooperative Multi-Branch DNN Inference in CR-SAGIN-Enhanced IoV”, IEEE Transactions on Vehicular Technology, pp. 1–16, 2026, doi: 10.1109/TVT.2026.3730653.

© IEEE。图片仅供个人使用。

深入解读

按“单位时延的精度”,一起选退出分支和分割点。

无人机感知道路、产生 DNN 任务,再和车辆分割推理;它们与卫星链路共享频谱,受认知无线电的干扰约束。关联、早退分支、模型分割、功率、算力和轨迹一起优化。

问题在哪

DNN 越来越大,无人机的通信和算力却有限,所以推理要在无人机和附近车辆之间分割完成。这时两个选择互相牵制:早退分支决定结果有多准;分割点决定要传多少、算多少,也就决定了时延。复用子信道的无人机之间互相干扰;在认知无线电下,它们对卫星地面接收机的总干扰还必须低于门限。已有工作大多面向一般的任务卸载而不是 DNN 推理,或者把特征传给地面边缘服务器,或者不考虑不同任务对精度的要求不同。

思路

每一轮用“推理效率”打分:所有无人机任务的精度之和除以它们的时延之和,再在整个任务期内取平均。这样分支选择和分割点就放在了同一把尺子上。变量按类型分别处理:

  • 关联和分割这些 0/1 决策写成 QUBO 哈密顿量(二次无约束二值优化),松弛后作为损失函数,无监督地训练图注意力网络;之后再按真实的效率比,逐对调整分支和分割点。
  • 发射功率用逐次凸近似求解,无人机算力有闭式解。
  • 无人机轨迹跨轮次耦合,用 MAPPO 学习,每架无人机都以这一轮的效率作为奖励。
图版 1 无人机采集道路数据,和车辆分割完成 DNN 推理,使用与卫星链路共享的子信道。论文图 1。

系统怎么运转

一颗 800 km 高的低轨卫星与地面接收机通信,后者对频谱有优先使用权。无人机是同一频谱上的次级用户:它们用摄像头和雷达感知道路、产生推理任务,并通过子信道为车辆服务。每个任务运行在一个带早退分支的多分支 AlexNet 上,无人机跑前面几层,车辆跑剩下的部分。

图版 2 带早退分支的 AlexNet,黑色短线标出可以分割的位置。论文图 2。
所有无人机对卫星地面接收机的总干扰必须低于门限。
整个任务期内的平均推理效率,决策变量是关联、分支、分割点、功率、算力和轨迹。
图版 3 关联、分支和分割交给 QUBO-GAT,功率和算力交给 SCA 与凸优化,轨迹交给 MAPPO,三者用同一个奖励打分。论文图 4。

在一轮之内,新解只有在可行且不降低效率时才被接受,所以接受的解不会变差,迭代会收敛。跨轮次,无人机在集中训练、分布执行的框架下学习往哪里飞。

每架无人机得到同一个奖励:这一轮的效率,若动作违反速度或间距限制再减去惩罚。

结果

仿真区域是 1000 m × 1000 m,有 5 架 100 m 高的无人机和 50 辆车,10 个 100 kHz 的子信道和 4 个早退分支,模型是 AlexNet 和 VGG16。对比五个基线:联合学习所有变量的多智能体强化学习方案、只优化分割与关联、只优化算力、只优化功率的方案,以及按信道增益贪心关联。

图版 4 AlexNet 的目标值随车辆数、带宽和干扰门限的变化。论文图 7。

两种模型下,在测试的各种车辆数、带宽和干扰门限下,所提方案的效率都最高。图注意力网络几次迭代就收敛,比图卷积版本更快;学到的轨迹会跟着车辆移动。

还没做的

信道按自由空间视距建模,各分支的精度是离线测得的常数。论文写明的下一步是:让精度模型随数据漂移、场景复杂度、分割位置和传输中的特征失真变化;扩展到更大的部署和更复杂的 DNN;设计能随环境变化自适应的算法。这篇论文在课题组此前的图学习协同推理论文基础上,加入了早退分支、移动车辆、算力分配和轨迹规划。

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