张凌豪Linghao Zhang
EN
回到论文列表UAV 50 m · satellite 600 km
1/4 支持协同推理的 SAGIN 架构(图 1)。
2/4 所提求解方案示意图(图 2)。
3/4 VGG16 模型下不同方案的收敛情况(图 3)。
4/4 首页

IEEE TVT2026

Hastening Co-Inference in Space-Air-Ground Integrated Networks: A Submodular Optimization Based Task Offloading Approach

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

IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 75, no. 9, pp. 20912–20925, 2026

摘要

Space-Air-Ground Integrated Networks (SAGINs) play a crucial role in the 6G system, offering global coverage and ultra-wide-area broadband access. Meanwhile, advancements in artificial intelligence (AI) have led to a significant increase in model inference demands with stringent latency requirements. In this paper, considering the intelligent services in SAGINs, we explore task offloading for the co-inference problem and improve the inference efficiency by performing model splitting, device association, and resource allocation. This problem is solved iteratively by decomposing it into multiple sub-problems. In particular, the bandwidth allocation problem is solved using convex optimization techniques to obtain a closed-form solution, and the model splitting problem is addressed by systematically searching for the optimal split points. Besides, the joint device association and computing resource allocation problem is reformulated into a monotone submodular function without the satellite, and a low-complexity submodular optimization algorithm is proposed. To further utilize the computing power of the satellite, we introduce a resource reallocation algorithm based on the existing optimization results. These sub-problems iterate alternately until the optimization goal converges. The simulation results show that the proposed algorithm can achieve better latency performance in several inference tasks.

引用

Haitao Zhao, Suyao Huang, Bo Xu, Linghao Zhang, Mengru Wu, Jinlong Sun, “Hastening Co-Inference in Space-Air-Ground Integrated Networks: A Submodular Optimization Based Task Offloading Approach”, IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 75, no. 9, pp. 20912–20925, 2026, doi: 10.1109/TVT.2026.3681626.

© IEEE。图片仅供个人使用。

深入解读

设备关联是一个子模问题,所以可以用贪心法求解。

地面设备、基站、无人机和卫星之间的协同推理。模型分割、设备关联、计算单元和带宽依次优化,降低总推理时延。

问题在哪

在空天地网络里,推理时延同时取决于通信链路、各层算力和协同推理决策。DNN 越来越复杂,用来交换中间特征的频谱却一直紧张,计算时延和传输时延都在累积。大多数协同推理工作只在地面网络里做。已有的子模方法也缺两样这个场景需要的东西:分割决策会逐层改变计算和通信代价;卫星算力需要第二阶段再分配。

思路

把联合问题拆成三部分,依次求解。带宽子问题是凸的,有闭式解;分割点逐层搜索;设备关联和计算单元分配被写成一个时延减少量的最大化问题,它在一个拟阵上单调子模,所以可以用贪心法一步一步加进来。卫星不参与这一步。最后再做一次资源再分配:只要能降低时延,就把由无人机服务的设备挪到卫星的计算单元上。

图版 1 地面设备把分割后的 DNN 的一部分卸载到基站、无人机,或经无人机转到卫星。论文图 1。

系统怎么运转

地面上有设备和基站,每个基站有 N 个计算单元;空中有悬停的无人机,每架有 L 个;上方有一颗卫星,有 M 个。设备可以在本地跑完整个模型,也可以在某一层切开,把这一层的输出发给基站、无人机,或经无人机转给卫星。

在第 i 层切开时,设备算前一部分,基站 u 用分给这台设备的计算单元算剩下的部分。
按设备选择的协同对象计算卸载时延。经卫星时还要加上无人机中继和卫星计算。
总推理时延,决策变量是计算单元和带宽(Z)、设备关联(W)和分割点(I)。
图版 2 问题拆成带宽分配、设备关联与算力联合分配、模型分割三个子问题,最后做资源再分配。论文图 2。

子模这一步优化的是相对于一个较大参考时延 T₀ 的时延减少量。

论文证明,在由关联约束和计算单元约束构成的拟阵上,D 是单调子模的。

每加一个计算单元或一次关联,时延都会下降,但已经加得越多,降得越少。所以算法每次加入边际收益最大的动作,带宽直接取闭式解,再删掉与之冲突的动作。它的复杂度随设备、基站和无人机的数量多项式增长,而穷举搜索是指数增长。三步中每一步都不会让目标变差,目标又有下界,所以交替迭代会收敛。

结果

仿真区域是 500 m × 500 m,有 5 个基站、5 架 50 m 高的无人机和一颗 600 km 高的卫星,模型是 VGG16 和 AlexNet。对比四个基线:只用基站、用基站和无人机但不用卫星、随机选择协同对象,以及平均分配带宽。

图版 3 VGG16 下总时延随迭代次数的变化。前 25 次迭代,所提方案与不用卫星的版本几乎重合;卫星再分配开始后继续下降。论文图 3。

两种模型下,在论文测试的每一种算力、带宽和分割点设置里,所提方案的时延都最低。设备越多,增加无人机或卫星的收益越大。50 个设备时,无人机从 5 架增加到 9 架,或卫星从 1 颗增加到 3 颗,时延都下降约 10%。

还没做的

模型只有一颗卫星,假设无人机和卫星能量充足,并忽略了结果回传,因为结果数据量很小。论文把提前退出和批处理留作后续工作。

100%

↑↓ 选择↵ 打开