CN111355779A - 基于服务的车联网任务卸载方法及其卸载装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于服务的车联网任务卸载方法,包括初始化;缓存服务请求并确定新生成的待处理任务的任务信息;获取服务节点的服务节点信息并将所有已缓存的任务开始调度;获取车辆本身的当前位置和当前速度;确定当前时刻的最小化时间和任务卸载风险优化方程并求解得到任务卸载策略;根据任务卸载策略对车联网任务进行卸载。本发明还提供了实现所述基于服务的车联网任务卸载方法的卸载装置。本发明首次在车联网中实现车辆协同的同时,考虑了任务时延要求和系统效率,因此本发明方法能够减小任务执行时间和降低任务失败的几率,而且可靠性高,实用性好。
Description
技术领域
本发明属于物联网领域,具体涉及一种基于服务的车联网任务卸载方法及其卸载装置。
背景技术
随着车辆数量的不断增加以及物联网的发展,各种车辆应用,例如车辆社交网络,模式识别和增强现实等,都用于提高车辆的安全性和行驶乐趣。这些车辆系统通常需要大量的计算。预计在不久的将来,车辆将每秒执行106百万条指令。但是,车辆是计算能力有限的移动平台,无法满足用户所需的服务质量(Quality of Service,Qos)。
边缘计算是解决车辆计算能力有限的新兴技术。边缘计算将部分任务卸载到空闲或资源丰富的计算单元。V2X技术使车辆网下任务卸载成为一种可选解决方案:其可以充分利用可用的计算设备,增强计算能力。目前有许多车辆任务卸载渠道:渠道a.卸载到云,这种方法时延较大不适用于时间敏感型任务,无法改善服务质量;渠道b.卸载到边缘服务器,这种方法需要布置边缘服务器;渠道c.卸载到对等设备,这种方法可以免去布置服务器成本。
现有的技术大多考虑卸载到边缘服务器。而采用卸载到车辆的渠道可以降低服务器部署成本和部署难度,对于一些难以部署服务器的区域同样通用。但是,目前并没有一个在车联网场景下车辆协同且考虑车辆移动性和任务Qos的任务卸载方法和对应的卸载装置。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种可靠性高、实用性好且在满足任务时延要求的前提下能够减小任务执行时间和降低任务失败的几率的基于服务的车联网任务卸载方法。
本发明的目的之二在于提供一种实现所述基于服务的车联网任务卸载方法的卸载装置。
本发明提供的这种基于服务的车联网任务卸载方法,包括如下步骤:
S1.车联网初始化;
S2.缓存服务请求,并确定新生成的待处理任务的任务信息;
S3.广播服务请求,发现服务结点,接收并获取服务节点的服务节点信息,同时将所有已缓存的任务开始进行调度;
S4.获取车辆本身的当前位置和当前速度;
S5.根据步骤S2获取的待处理任务的任务信息、步骤S3获取的服务节点的服务节点信息和步骤S4获取的车辆当前位置和当前速度信息,确定当前时刻的最小化时间和任务卸载风险优化方程;
S6.对步骤S5确定的当前时刻的最小化时间和任务卸载风险优化方程进行求解,从而得到任务卸载策略;
S7.根据步骤S6得到的任务卸载策略,对车联网任务进行卸载。
步骤S2所述的待处理任务的任务信息,具体包括任务请求服务类型、任务时延要求、任务输入数据、任务所需内存大小和所需CPU周期数。
步骤S3所述的服务节点的服务节点信息,具体包括服务结点处理队列中任务完成时间、服务结点处理能力、可提供内存大小和服务结点是否可提供所需服务。
步骤S4所述的获取车辆本身的当前位置和当前速度,具体为采用GPS或北斗导航定位系统获取车辆当前位置和当前速度。
步骤S5所述的确定当前时刻的最小化时间和任务卸载风险优化方程,具体为采用如下方程组确定当前时刻的最小化时间和任务卸载风险优化方程:
式中Ti为任务i的预估时延;λ为设定的平衡系数;r(cj,Ti)为任务i卸载到车辆cj失败的风险;K为任务集合;i为任务编号;xij=1表示结点j提供任务i所需的服务,xij=0表示结点j无法提供任务i所需的服务;Xij=1为卸载决策,且Xij=1表示任务i卸载到服务节点j执行,Xij=0表示任务i不卸载到服务节点j执行;表示第k个任务的输入数据大小;表示服务节点cj可以提供的内存大小;k∈{Xkj=Xij}表示卸载到同一服务结点j的任务集合;Li表示任务i的时间约束。
所述的任务i的预估时延Ti,具体为采用如下算式计算:
式中tsche为批量调度时间点;为任务i创建的时间点;表示第k个任务的输入数据大小;vs为传输速率;为原服务节点cj执行队列任务结束的时间,为任务i传输结束的时间;Si为任务i所需的CPU周期;为服务结点cj的处理速度;Xil=1表示该任务在本地执行,Xil≠1表示该任务不在本地执行。
所述的任务i卸载到车辆cj失败的风险r(cj,Ti),具体为采用如下算式计算:
式中xl为车辆当前位置;vl为车辆当前速度;Ti为任务i的预估时延;xj为执行任务i的车辆j的位置;vj为执行任务i的车辆j的速度;rl为通信范围;表示请求结点和服务结点在Ti时间之后的欧式距离;Xil=1表示该任务在本地执行,Xil≠1表示该任务不在本地执行。
步骤S6所述的对步骤S5确定的当前时刻的最小化时间和任务卸载风险优化方程进行求解,从而得到任务卸载策略,具体为采用基于人工蜂群算法进行求解。
本发明还提供了一种实现所述基于服务的车联网任务卸载方法的卸载装置,包括初始化模块、缓存模块、服务节点信息获取模块、车辆信息获取模块、最小化时间和任务卸载风险优化方程确认模块、求解模块和任务卸载模块;初始化模块、缓存模块、服务节点信息获取模块、车辆信息获取模块、最小化时间和任务卸载风险优化方程确认模块、求解模块和任务卸载模块依次串联;初始化模块用于网络节点和设备的初始化;缓存模块用于缓存服务请求并确定新生成的待处理任务的任务信息;服务节点信息获取模块用于获取服务节点的服务节点信息并将所有已缓存的任务开始进行调度;车辆信息获取模块用于获取车辆本身的当前位置和当前速度;最小化时间和任务卸载风险优化方程确认模块用于确定当前时刻的最小化时间和任务卸载风险优化方程;求解模块用于对确定的当前时刻的最小化时间和任务卸载风险优化方程进行求解从而得到任务卸载策略;任务卸载模块用于根据求解得到的结果对车联网任务进行卸载。
本发明提供的这种基于服务的车联网任务卸载方法及其卸载装置,首次在车联网中实现车辆协同的同时,考虑了任务时延要求和系统效率,因此本发明方法能够减小任务执行时间和降低任务失败的几率,而且可靠性高,实用性好。
附图说明
图1为本发明的应用场景示意图。
图2为本发明方法的方法流程示意图。
图3为本发明装置的功能模块示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明的应用场景示意图:现有的技术大多考虑卸载到边缘服务器。而采用卸载到车辆的渠道可以降低服务器部署成本和部署难度,对于一些难以部署服务器的区域同样通用。目前没有一个在车联网场景下车辆协同且考虑车辆移动性和任务Qos的任务卸载方案和装置。本发明提出了一种基于服务考虑卸载风险和QoS的去中心化任务卸载方案和装置。
本发明实施例提供的基于服务考虑卸载风险和QoS的去中心化任务卸载方案可以应用于车联网中的车辆,如图1所示:所有车辆有各自的通信范围,车辆之间使用DSRC通信,车辆通过V2V技术向其他车辆卸载部分任务。
本发明实施例中,车联网场景下可请求的服务有目标检测、图像分割、图像识别、位置推荐等等。周围车辆依照车主意愿或车辆计算能力提供相应的服务,如目标检测服务。不同服务对应固定的函数接口,卸载请求方需传输应用对应的函数输入数据(如图片数据和偏好参数)。上述基于服务的任务卸载方案为典型的C/S模式,请求方为客户端,服务方为服务端。
如图2所示为本发明方法的方法流程示意图:本发明提供的这种基于服务的车联网任务卸载方法,包括如下步骤:
S1.车联网初始化;
S2.缓存服务请求,并确定新生成的待处理任务的任务信息;具体包括任务请求服务类型、任务时延要求、任务输入数据、任务所需内存大小和所需CPU周期数;
在具体实施时,用户运行应用时,会生成待处理任务。不同任务对应不同服务;用户设备提供待处理任务的信息,其中任务信息包括任务请求服务类型代码、任务时延要求、任务输入数据和所需CPU周期数。任务信息使用三元组表示;
请求服务类型代码(SID)为服务唯一ID,例如图像识别服务代码设为101;
任务时延要求Li表示待处理的任务要在约定时间内执行完毕,可以用公式Ti<Li来表示,Ti为设备处理任务时间,Li为最长处理时间,例如某任务需要在1秒内执行完毕,Li=1且Ti=0.5时则满足要求,若Li=1且Ti=1.5则超出了时间约束;
任务输入数据大小Di s为输入数据的大小,最小单位可以是比特;
所需CPU周期数Si为计算该任务所需CPU周期个数;
S3.广播服务请求,发现服务结点,接收并获取服务节点的服务节点信息,同时将所有已缓存的任务开始进行调度;具体包括服务结点处理队列中任务完成时间、服务结点处理能力、可提供内存大小和服务结点是否可提供所需服务;
在具体实施时,发现服务结点,广播Beacon报文发现车辆,该请求报文格式如下:
车辆ID | 车辆速度 |
应用1请求服务ID | 应用1信息概要(输入数据大小,应用时限) |
….. | …… |
服务结点的请求模块收到请求报文时,查询提供服务列表是否提供该服务,若满足条件则返回该服务结点行驶速度和计算能力,否则不给予回复。回复报文格式如下:
S4.获取车辆本身的当前位置和当前速度;具体为采用GPS或北斗导航定位系统获取车辆当前位置和当前速度;
S5.根据步骤S2获取的待处理任务的任务信息、步骤S3获取的服务节点的服务节点信息和步骤S4获取的车辆当前位置和当前速度信息,确定当前时刻的最小化时间和任务卸载风险优化方程;具体为采用如下方程组确定当前时刻的最小化时间和任务卸载风险优化方程:
式中Ti为任务i的预估时延;λ为设定的平衡系数;r(cj,Ti)为任务i卸载到车辆cj失败的风险;K为任务集合;i为任务编号;xij=1表示结点j提供任务i所需的服务,xij=0表示结点j无法提供任务i所需的服务;Xij=1为卸载决策,且Xij=1表示任务i卸载到服务节点j执行,Xij=0表示任务i不卸载到服务节点j执行;表示第k个任务的输入数据大小;表示服务节点cj可以提供的内存大小;k∈{Xkj=Xij}表示卸载到同一服务结点j的任务集合;Li表示任务i的时间约束;X和Q为卸载决策;X为二维矩阵,xij=1表示任务i卸载到节点j,xij=0表示任务i不卸载到节点j;Q为任务分发顺序,且为1~N的不重复的整数;四个约束条件中,约束条件1表示如果一个任务要卸载,则必须卸载到提供对应服务的服务结点上;约束条件2表示分给一个服务结点的所有任务内存和不能超过该服务结点可提供的内存;约束条件3表示一个任务只能卸载到一个服务结点上;约束条件4表示任务不能超出其时延;
其中,任务i的预估时延Ti采用如下算式计算:
式中tsche为批量调度时间点;为任务i创建的时间点;表示第k个任务的输入数据大小;vs为传输速率;为原服务节点cj执行队列任务结束的时间,为任务i传输结束的时间;Si为任务i所需的CPU周期;为服务结点cj的处理速度;Xil=1表示该任务在本地执行,Xil≠1表示该任务不在本地执行;
任务i卸载到车辆cj失败的风险r(cj,Ti)采用如下算式计算:
式中xl为车辆当前位置;vl为车辆当前速度;Ti为任务i的预估时延;xj为执行任务i的车辆j的位置;vj为执行任务i的车辆j的速度;rl为通信范围;表示请求结点和服务结点在Ti时间之后的欧式距离;Xil=1表示该任务在本地执行,Xil≠1表示该任务不在本地执行;
S6.对步骤S5确定的当前时刻的最小化时间和任务卸载风险优化方程进行求解,从而得到任务卸载策略;在具体实施时,可以采用基于人工蜂群算法进行求解;
以下以一个实施例,对求解过程进行说明(采用基于人工蜂群算法求解):
A.随机构建初始解集:
一个解使用表示,例如三个任务,三个服务结点(其中一个是本地),则一个解可以是(2,1,3,1,2,3)表示任务1卸载到结点2,任务2在本地执行,任务3在结点3执行,分发顺序为任务2直接进入本地处理队列;任务1先进入传输等待队列,其次是任务3;
同时,生成解需满足上述约束。即As需为可执行该任务的结点ID,一个解的Se应为1~|K|里唯一的整数;
B.雇佣蜂阶段:
对于解集中的每个解i,从原解集中随机选择一个解j,随机选择一个位置m和n,使用以下策略局部更新解i:
例如:对于解(2,1,3,1,2,3),随机选择解(1,2,3,2,1,3)随机选择m=1,n=2,则更新后的解i为(1,1,3,2,1,3)
C.计算解的适应度,判断是否真正更新该解,使用下面公式计算各解的适应度:
若更新后的解相较与原解的适应度高则更新该解,对应的SLi置为0;否则SLi+1;
D.观察蜂阶段:
观察蜂选择一个解进行更新,一个解被选择的概率为:
当一个解被选择后,使用同雇佣蜂阶段策略更新该解;
E.计算解的适应度,判断是否真正更新该解;
F.侦查蜂阶段
当某解局部更新次数SLi大于L时,在本实施例中,L设为5。则放弃该解,重新随机生成解;
G.获得解集中的最优解
判断当前最优解适应度是否小于解集中最大适应度。是,则更新最优解为解集中适应度最大的解;否则不更新;
H.判断是否迭代收敛,若未收敛,返回步骤B,若收敛,执行步骤I;
可以根据本轮迭代中目标函数值与上一轮迭代中目标函数的差值判断是否收敛,也可以预设迭代次数上限,当迭代次数达到上限;则认为已收敛。在本实施例中,为了保证算法的运行速度以适应车联网场景,迭代次数上限设为20;
I:将当前的任务卸载策略,分发顺序确定为最小化执行时间和卸载风险的最终解;
S7.根据步骤S6得到的任务卸载策略,对车联网任务进行卸载;
在具体实施时,本地处理任务集进入本地CPU等待队列,卸载处理任务集进入传输等待队列等待分发应用数据。其中任务按照决策策略得到的分发顺序进入队列。所有任务传输结束后设置一个定时器,若定时器失效则重启任务,本实施例中设置为三倍的任务计算时间。
如图3所示为本发明装置的功能模块示意图:本发明提供这种实现所述基于服务的车联网任务卸载方法的卸载装置,包括初始化模块、缓存模块、服务节点信息获取模块、车辆信息获取模块、最小化时间和任务卸载风险优化方程确认模块、求解模块和任务卸载模块;初始化模块、缓存模块、服务节点信息获取模块、车辆信息获取模块、最小化时间和任务卸载风险优化方程确认模块、求解模块和任务卸载模块依次串联;初始化模块用于网络节点和设备的初始化;缓存模块用于缓存服务请求并确定新生成的待处理任务的任务信息;服务节点信息获取模块用于获取服务节点的服务节点信息并将所有已缓存的任务开始进行调度;车辆信息获取模块用于获取车辆本身的当前位置和当前速度;最小化时间和任务卸载风险优化方程确认模块用于确定当前时刻的最小化时间和任务卸载风险优化方程;求解模块用于对确定的当前时刻的最小化时间和任务卸载风险优化方程进行求解从而得到任务卸载策略;任务卸载模块用于根据求解得到的结果对车联网任务进行卸载。
在具体实施时,装置可以包括处理器、无线通信接口、存储器、总线和GPS,其中,处理器,无线通信接口,存储器通过总线完成相互间的通信。
其中,存储器用于存放程序;
处理器用于实现以下步骤:
a.缓存服务请求,确定生成的待处理任务的任务信息。其中任务信息包括任务请求服务类型、任务时延要求、任务输入数据、任务所需内存大小和所需CPU周期数;
b.发现服务结点,获取服务结点信息。所有缓存任务出队进入调度阶段。服务结点信息包括服务结点处理队列中任务完成时间、服务结点处理能力、可提供内存大小,服务结点是否可提供所需服务;
c.获取本车辆当前位置与速度;
d.确定最小化时间和卸载风险的优化方程;
e.确定任务卸载策略;
f.将所述任务划分为本地处理任务集和卸载处理任务集。本地处理任务集进入本地执行队列,卸载处理任务集进入传输队列等待分发应用数据。其中任务按照决策策略得到的分发顺序进入队列。
此外,通信总线可以是外设部件互连标准(Peripheral ComponentInterconnect,PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry StandardArchitecture,EISA)总线等。通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。
存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory,RAM),也可以包括非易失性存储器(Non-Volatile Memory,NVM)。
处理器可以是通用处理器,包括中央处理器(Central Processing Unit,CPU)、网络处理器(Network Processor,NP)等;还可以是数字信号处理器(DigitalSignalProcessing,DSP)或者其他可编程逻辑器件等。
Claims (9)
1.一种基于服务的车联网任务卸载方法,包括如下步骤:
S1.车联网初始化;
S2.缓存服务请求,并确定新生成的待处理任务的任务信息;
S3.广播服务请求,发现服务结点,接收并获取服务节点的服务节点信息,同时将所有已缓存的任务开始进行调度;
S4.获取车辆本身的当前位置和当前速度;
S5.根据步骤S2获取的待处理任务的任务信息、步骤S3获取的服务节点的服务节点信息和步骤S4获取的车辆当前位置和当前速度信息,确定当前时刻的最小化时间和任务卸载风险优化方程;
S6.对步骤S5确定的当前时刻的最小化时间和任务卸载风险优化方程进行求解,从而得到任务卸载策略;
S7.根据步骤S6得到的任务卸载策略,对车联网任务进行卸载。
2.根据权利要求1所述的基于服务的车联网任务卸载方法,其特征在于步骤S2所述的待处理任务的任务信息,具体包括任务请求服务类型、任务时延要求、任务输入数据、任务所需内存大小和所需CPU周期数。
3.根据权利要求2所述的基于服务的车联网任务卸载方法,其特征在于步骤S3所述的服务节点的服务节点信息,具体包括服务结点处理队列中任务完成时间、服务结点处理能力、可提供内存大小和服务结点是否可提供所需服务。
4.根据权利要求3所述的基于服务的车联网任务卸载方法,其特征在于步骤S4所述的获取车辆本身的当前位置和当前速度,具体为采用GPS或北斗导航定位系统获取车辆当前位置和当前速度。
5.根据权利要求4所述的基于服务的车联网任务卸载方法,其特征在于步骤S5所述的确定当前时刻的最小化时间和任务卸载风险优化方程,具体为采用如下方程组确定当前时刻的最小化时间和任务卸载风险优化方程:
8.根据权利要求5所述的基于服务的车联网任务卸载方法,其特征在于步骤S6所述的对步骤S5确定的当前时刻的最小化时间和任务卸载风险优化方程进行求解,从而得到任务卸载策略,具体为采用基于人工蜂群算法进行求解。
9.一种实现权利要求1~8之一所述的基于服务的车联网任务卸载方法的卸载装置,其特征在于包括初始化模块、缓存模块、服务节点信息获取模块、车辆信息获取模块、最小化时间和任务卸载风险优化方程确认模块、求解模块和任务卸载模块;初始化模块、缓存模块、服务节点信息获取模块、车辆信息获取模块、最小化时间和任务卸载风险优化方程确认模块、求解模块和任务卸载模块依次串联;初始化模块用于网络节点和设备的初始化;缓存模块用于缓存服务请求并确定新生成的待处理任务的任务信息;服务节点信息获取模块用于获取服务节点的服务节点信息并将所有已缓存的任务开始进行调度;车辆信息获取模块用于获取车辆本身的当前位置和当前速度;最小化时间和任务卸载风险优化方程确认模块用于确定当前时刻的最小化时间和任务卸载风险优化方程;求解模块用于对确定的当前时刻的最小化时间和任务卸载风险优化方程进行求解从而得到任务卸载策略;任务卸载模块用于根据求解得到的结果对车联网任务进行卸载。
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