张凌豪Linghao Zhang
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1/3 基于空天地网络的移动边缘计算系统(图 1)。
2/3 TAMACO 框架(图 2)。
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IEEE TVT2026第一作者

Task-Prediction-Augmented Multi-Agent Collaborative Offloading in Space-Air-Ground Integrated Network

Linghao Zhang, Bo Xu, Haitao Zhao, Suyao Huang, Qin Wang, Hongbo Zhu

IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 75, no. 8, pp. 18175–18191, 2026

摘要

The space-air-ground integrated network (SAGIN) can provide a promising architecture for computation-intensive mobile applications through the complementary advantages of unmanned aerial vehicles (UAVs) and low Earth orbit (LEO) satellites. However, efficient task offloading remains challenging due to the strong coupling among UAV trajectories, user association, and resource allocation, especially with dynamic and uncertain task workloads. In this paper, we aim to minimize the average task completion delay by enabling UAVs and satellites to cooperatively assist users in executing complex computational tasks. We formulate the joint optimization problem as a decentralized partially observable Markov decision process (DEC-POMDP), where task workload prediction is incorporated to enhance foresight and coordination among agents. Then, a task-prediction-augmented multi-agent collaborative offloading (TAMACO) framework is proposed, which integrates task-prediction-augmented multi-agent proximal policy optimization (TA-MAPPO) for UAV trajectory control. Meanwhile, a prediction-augmented coalition formation game (PA-CFG) algorithm embedded into TA-MAPPO is proposed to solve the joint problem of user association and computing resource allocation. Simulation results demonstrate that the proposed TAMACO framework achieves up to 19.3% reduction in average task completion delay compared to non-predictive baselines, validating its effectiveness for real-time task offloading in dynamic SAGIN.

引用

Linghao Zhang, Bo Xu, Haitao Zhao, Suyao Huang, Qin Wang, Hongbo Zhu, “Task-Prediction-Augmented Multi-Agent Collaborative Offloading in Space-Air-Ground Integrated Network”, IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 75, no. 8, pp. 18175–18191, 2026, doi: 10.1109/TVT.2026.3676287.

© IEEE。图片仅供个人使用。

深入解读

预测未来几个时隙,让卸载提前决策。

利用历史业务预测短期任务到达,多智能体联合优化用户关联、无人机轨迹和通信计算资源,让节点在负载到来之前完成协调。

问题在哪

地面设备会产生突发的计算任务,要由几架无人机和一颗低轨卫星来承接。现有的多智能体卸载方案都是响应式的:每架无人机只根据眼前看到的情况决策。任务类型一变、负载一涨,无人机已经飞错了地方,用户也连错了飞机。

图版 1 系统场景:地面用户选择关联哪架无人机,任务在本地、无人机和卫星之间分配。论文图 1。

关键想法

任务量在时间上是相关的,所以对未来几个时隙的轻量预测可以直接进入决策回路,不需要更重的模型。Gamma 广义线性模型每次推理约 0.04 毫秒,预测结果直接追加到每架无人机的观测里。

对 Gamma 分布的任务量做对数线性自回归,把预测值反馈回去,向前预测 H 步。
每个感知到的用户多出 H 个数,追加到无人机的局部观测中。

拖动预测窗口

已观测的任务量预测

一架无人机在 t 时刻的观测(每个感知到的用户)

位置、速度、电量位置、任务量、复杂度

预测任务量

示意数据:用论文预测实验的常数(log-AR(4),Gamma 分布)生成的合成序列,误差棒取论文表 II 中 Gamma-GLM 的 NRMSE。它演示的是预测怎样进入观测,不复现论文的时延结果。

系统怎么运转

TAMACO 耦合了三部分。Gamma-GLM 预测每个用户的任务量。每架无人机是一个用 TA-MAPPO 训练的智能体,采用集中式评论家和分散式执行,每 1 秒的时隙选择一次三维加速度。给定轨迹后,预测增强的联盟形成博弈(PA-CFG)把用户分配给无人机或本地计算,效用同时考虑当前时延和折扣后的预测时延。卸载比例和 CPU 份额由块坐标下降求解,CPU 分配有闭式解。

任务分成本地、无人机和卫星三份并行执行,最慢的一支决定时延。
用户用当前最优时延加上折扣后的预测时延,来评价一种关联。
图版 2 TAMACO 框架:原问题分解为轨迹控制(TA-MAPPO)和关联与资源分配(PA-CFG、BCD),由 Gamma-GLM 预测器提供输入。论文图 2。

结果

评估是仿真:500 米见方的区域,5 架无人机、35 个用户、1 颗卫星。在论文的窗口扫描中,时延随 H 增大而下降,到 H = 3 最低,论文报告与无预测相比平均时延最多降低 19.3%;窗口再长,预测误差累积,时延回升。

预测器可以单独检验。在合成的 Gamma 序列上,它的误差随窗口缓慢增长。第一步与 LSTM 持平,之后都低于 LSTM,每次推理 0.04 毫秒,LSTM 是 0.37 毫秒。

任务量预测误差随预测步数的变化
0.160.20.24123456预测步数 h(时隙)NRMSELSTM上一时刻值滑动平均Gamma-GLM

论文表 II。这是在合成数据(log-AR(4),Gamma 分布,1500 个测试时隙)上的独立预测器测试。

姊妹篇

发表在《电子与信息学报》的《任务预测增强的空天地一体化网络分层卸载方法》,把同样的思路用到另一个问题上:在任务时延和无人机飞行能耗之间权衡,预测器换成只有两个参数的指数平滑-自回归模型,用户按最近原则关联,无人机高度 100 米,卫星高度 500 公里。

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