CN116321295A - 一种非匀速车辆边缘网络中的车边协同卸载方法 - Google Patents

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CN116321295A CN202310139919.8A CN202310139919A CN116321295A CN 116321295 A CN116321295 A CN 116321295A CN 202310139919 A CN202310139919 A CN 202310139919A CN 116321295 A CN116321295 A CN 116321295A
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鲍宁海
崔丽平
魏刚波
张浩波
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Abstract

本发明请求保护一种非匀速车辆边缘网络中的车边协同卸载方法，属于通信技术领域。在车辆边缘网络中，车辆的非匀速移动可能造成网络状态的快速无序变化，导致网络资源利用率的下降和用户服务体验的恶化。针对此问题，提出一种车边协同卸载方法。该方法利用路边单元寻找可信协作车辆，根据车辆的实时速度和环境位置关系，动态规划任务周期并优化路边单元与协作车辆的资源分配，从而降低任务卸载时延，提高任务完成率。

Description

一种非匀速车辆边缘网络中的车边协同卸载方法
技术领域
本发明属于通信网技术领域，具体涉及一种非匀速车辆边缘网络中的车边协同卸载方法。
背景技术
随着物联网和无线通信技术的飞速发展，车载系统已经成为当下移动通信网络的重要终端之一。车载终端提供各种计算密集型应用服务，如图像辅助导航、智能车辆控制、交通管理、车内娱乐和增强现实等。这些计算密集型应用通常需要大量的计算资源来处理复杂的数据，同时对时延也提出了严格的要求。然而，仅靠车载终端设备难以充分满足这些计算复杂型应用的资源需求，从而使车联网应用服务的推广和普及面临严峻的挑战。
在基于云的车联网应用中，允许车载应用产生的计算任务部分或全部卸载至远程云平台进行处理，以缓解车辆终端的资源压力，降低任务的处理时延。然而，考虑到云服务器的部署位置通常远离车辆设备，将大量数据传输至远端云服务器可能会导致较大的传输延迟。同时由于信道容量的限制，车载终端之间对通信资源的竞争也会进一步降低传输效率，从而导致可靠性差、服务质量下降等缺点。
为应对车联网应用对计算资源需求的快速增长，将远程云服务器资源下沉至网络边缘，通过提供更接近终端设备的计算和存储资源，可更好地满足各种低时延、高可靠性的车载应用，从而提升用户服务质量体验。
现有关于车辆边缘网络计算卸载的研究主要基于车辆匀速行驶的场景，卸载任务的调度和资源分配策略难以满足实际应用场景的需要。现实场景下，车辆的非匀速移动可能会造成网络连通性和资源状态的快速无序变化，从而对任务卸载的有效性产生较大影响，并导致网络资源利用率的下降和用户服务体验的恶化。此外，现有研究大多采用边缘服务器与云服务器之间的纵向协作模式，较少考虑对网络中非业务车辆的资源进行利用。针对上述问题，提出一种车边协同卸载方法。该方法根据车辆的实时速度和环境位置关系，动态规划任务周期，并利用路边单元寻找可信协作车辆，通过边缘服务器卸载和协作车辆卸载的混合卸载模式，优化路边单元与协作车辆的任务调度和资源分配，从而降低任务卸载时延，提高任务完成率。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种非匀速车辆边缘网络中的车边协同卸载方法。本发明的技术方案如下：
一种非匀速车辆边缘网络中的车边协同卸载方法，所述车辆边缘网络由路边单元，用户车辆和协作车辆组成，路边单元集合表示为I(i∈I)，车辆集合表示为J(j∈J)，每个路边单元配置一台相应的边缘服务器，其包括以下步骤：
101、进入小区i内的车辆j发起任务卸载请求，获取任务数据量dj，任务计算复杂度cj，任务时延门限
Figure BDA0004087195750000021
初始化该车辆的已完成任务量/>
Figure BDA0004087195750000022
周期数k＝0，边缘服务器任务完成标识/>
Figure BDA0004087195750000023
系统时间t＝0；
102、令k＝k+1，根据当前车辆j的位置
Figure BDA0004087195750000024
和速度vj，计算车辆j的第k个周期时长τj,k，传输速率/>
Figure BDA0004087195750000025
以及在边缘服务器中的可分配计算资源/>
Figure BDA0004087195750000026
103、对当前小区i内每一辆无卸载任务的车辆j′，根据其位置
Figure BDA0004087195750000027
和路段最大限速vmax，计算其驶离小区i的最短时间/>
Figure BDA0004087195750000028
将/>
Figure BDA0004087195750000029
的车辆j′放入可协作车辆集合J′；
104、对于集合J′中的每个车辆j′，令其与路边单元之间的传输速率为
Figure BDA00040871957500000210
每个车辆j′的最大可用计算资源为/>
Figure BDA00040871957500000211
协作车辆任务完成标识/>
Figure BDA00040871957500000212
105、根据车辆j的传输速率
Figure BDA00040871957500000213
和在边缘服务器中的可分配计算资源/>
Figure BDA00040871957500000214
计算第k周期内需要卸载到边缘服务器的任务量/>
Figure BDA00040871957500000215
根据路边单元与J′中每个车辆j′的传输速率
Figure BDA00040871957500000216
和每个车辆j′的最大可用计算资源/>
Figure BDA00040871957500000217
计算卸载到所有协作车辆的任务量/>
Figure BDA0004087195750000031
执行任务调度和卸载；
106、如果
Figure BDA0004087195750000032
跳转到107，否则，跳转到110；
107、如果
Figure BDA0004087195750000033
跳转到108，否则，令/>
Figure BDA0004087195750000034
跳转到110；
108、如果边缘服务器i完成
Figure BDA0004087195750000035
的计算并返回结果，令/>
Figure BDA0004087195750000036
释放服务器计算资源/>
Figure BDA0004087195750000037
跳转到109，否则，跳转到109；
109、对J′中的每个协作车辆j′，如果完成协作任务
Figure BDA0004087195750000038
的计算并返回结果，令
Figure BDA0004087195750000039
释放协作车辆计算资源/>
Figure BDA00040871957500000310
将j′从集合J′中删除，跳转到106，否则，跳转到106；
110、更新车辆j的任务时延门限
Figure BDA00040871957500000311
根据/>
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和/>
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计算车辆j的已完成任务量/>
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令/>
Figure BDA00040871957500000315
如果dj＞0，跳转到111，否则，跳转到112；
111、如果
Figure BDA00040871957500000316
跳转到102，否则，令i＝i+1，跳转到101；
112、算法结束。
进一步的，所述步骤102中车辆j的第k个周期时长τj,k的计算方法如公式(1)所示：
Figure BDA00040871957500000317
公式(1)中，τ0表示最小卸载周期，γ和η为常数，
Figure BDA00040871957500000318
表示车辆j当前位置与小区i出口的距离，vj表示车辆j的当前速度。
进一步的，所述步骤102中车辆j的传输速率
Figure BDA00040871957500000319
的计算方法如公式(2)所示：
Figure BDA00040871957500000320
公式(2)中，B表示车辆与边缘服务器之间的通信链路带宽，pj表示车辆j的发射功率，
Figure BDA00040871957500000321
表示车辆j第k周期内与小区i路边单元之间的信道增益，δ表示高斯噪声功率。
进一步的，所述步骤102中车辆j第k周期内在边缘服务器中的可分配计算资源
Figure BDA0004087195750000041
的计算方法如公式(3)所示：
Figure BDA0004087195750000042
公式(3)中，fi表示小区i的边缘服务器总计算资源，fi r表示边缘服务器的当前剩余计算资源，|J|表示小区i内的所有车辆数，|J′|表示协作车辆数，dj表示任务数据量，
Figure BDA0004087195750000043
表示任务时延门限，/>
Figure BDA0004087195750000044
表示执行任务已经花费的时间，/>
Figure BDA0004087195750000045
表示车辆j的已完成任务量。
进一步的，所述步骤103中协作车辆j′驶离小区i的最短时间
Figure BDA0004087195750000046
的计算方法如公式(4)所示：
Figure BDA0004087195750000047
公式(4)中，
Figure BDA0004087195750000048
表示协作车辆j′当前位置与小区i出口的距离，vmax表示当前路段最大限速。
进一步的，所述步骤105中车辆j第k周期内需要卸载到边缘服务器的任务量
Figure BDA0004087195750000049
的计算方法如公式(5)所示：
Figure BDA00040871957500000410
公式(5)中，cj表示任务计算复杂度。
进一步的，所述步骤105中车辆j第k周期内需要卸载到所有协作车辆的任务量
Figure BDA00040871957500000411
的计算方法如公式(6)所示：
Figure BDA0004087195750000051
公式(6)中，
Figure BDA0004087195750000052
为协作车辆j′与路边单元之间的传输速率，/>
Figure BDA0004087195750000053
表示协作车辆j′的最大可用计算资源。
进一步的，所述步骤110中车辆j的已完成任务量
Figure BDA0004087195750000054
的计算方法如公式(7)所示：
Figure BDA0004087195750000055
公式(7)中，
Figure BDA0004087195750000056
表示边缘服务器任务完成标识，/>
Figure BDA0004087195750000057
表示协作车辆j′任务完成标识。
本发明的优点及有益效果如下：
由于车辆的非匀速移动可能导致网络连通性和资源状态的快速无序变化，对车辆用户的任务卸载有效性造成影响，本发明提出一种非匀速车辆边缘网络中的车边协同卸载方法。该方法根据车辆的实时车速和环境位置关系，动态规划任务卸载周期并更新卸载时延约束，以降低网络环境快速变化对卸载有效性的影响。同时利用路边单元寻找可信协作车辆，通过边缘服务器卸载和协作车辆卸载的混合卸载模式实现任务处理，以提升卸载效率。相比于现有匀速车辆网络下固定周期任务调度和单一卸载模式下的资源调度方法，本发明可有效提高网络资源利用率，降低任务卸载时延，提高任务完成率，改善用户服务质量体验。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例一种非匀速车辆边缘网络中的车边协同卸载方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明内容所涉及的概念和模型如下。
1.网络模型
道路上部署多个路边单元，每个路边单元上配置一台相应的边缘服务器。路边单元覆盖范围为当前小区内的整段道路，车辆可以与当前小区路边单元通过V2I的方式进行通信。
2.本发明内容所涉及的其它符号说明如下。
vj：当前时刻车速
li j：车辆距离小区终点的路程
τj,k：当前时刻的卸载周期
B：传输带宽
pj：车辆数据发送功率
Figure BDA0004087195750000061
车辆到路边单元(RSU)的上传链路信道增益
δ：高斯噪声功率
fi：边缘服务器总计算资源
fi r：边缘服务器剩余计算资源
Figure BDA0004087195750000062
已完成卸载的任务数
dj：任务数据量
tthr：任务时延门限
cj：任务计算复杂度
Figure BDA0004087195750000063
边缘服务器卸载任务量
Figure BDA0004087195750000064
协作车辆卸载任务量
Figure BDA0004087195750000065
边缘服务器完成任务标识
Figure BDA0004087195750000071
协作车辆完成任务标识
本发明的技术方案说明如下。
1.车辆j第k个卸载周期时长τj,k
计算方法如公式(1)所示：
Figure BDA0004087195750000072
公式(1)中，τ0表示最小卸载周期，γ和η为常数，
Figure BDA0004087195750000073
表示车辆j当前位置与小区i出口的距离，vj表示车辆j的当前速度。
2.车辆j的传输速率
Figure BDA0004087195750000074
计算方法如公式(2)所示：
Figure BDA0004087195750000075
公式(2)中，B表示车辆与边缘服务器之间的通信链路带宽，pj表示车辆j的发射功率，
Figure BDA0004087195750000076
表示车辆j第k周期内与小区i路边单元之间的信道增益，δ表示高斯噪声功率。
3.边缘服务器的可分配计算资源
Figure BDA0004087195750000077
计算方法如公式(3)所示：
Figure BDA0004087195750000078
公式(3)中，fi表示小区i的边缘服务器总计算资源，fi r表示边缘服务器的当前剩余计算资源，|J|表示小区i内的所有车辆数，|J′|表示协作车辆数，dj表示任务数据量，
Figure BDA0004087195750000079
表示任务时延门限，/>
Figure BDA00040871957500000710
表示执行任务已经花费的时间，/>
Figure BDA00040871957500000711
表示车辆j的已完成任务量。
4.协作车辆j′驶离小区i的最短时间
Figure BDA0004087195750000081
计算方法如公式(4)所示：
Figure BDA0004087195750000082
公式(4)中，
Figure BDA0004087195750000083
表示协作车辆j′当前位置与小区i出口的距离，vmax表示当前路段最大限速。
5.车辆j第k周期内需要卸载到边缘服务器的任务量
Figure BDA0004087195750000084
计算方法如公式(5)所示：
Figure BDA0004087195750000085
公式(5)中，cj表示任务计算复杂度。
6.车辆j第k周期内需要卸载到所有协作车辆的任务量
Figure BDA0004087195750000086
计算方法如公式(6)所示：
Figure BDA0004087195750000087
公式(6)中，
Figure BDA0004087195750000088
为协作车辆j′与路边单元之间的传输速率，/>
Figure BDA0004087195750000089
表示协作车辆j′的最大可用计算资源。
7.车辆j的已完成任务量
Figure BDA00040871957500000810
计算方法如公式(7)所示：
Figure BDA00040871957500000811
公式(7)中，
Figure BDA00040871957500000812
表示边缘服务器任务完成标识，/>
Figure BDA00040871957500000813
表示协作车辆j′任务完成标识。
一种非匀速车辆边缘网络中的车边协同卸载方法，其具体实施方法包括如下步骤。
步骤1：进入小区i内的车辆j发起任务卸载请求，获取任务数据量dj，任务计算复杂度cj，任务时延门限
Figure BDA0004087195750000091
初始化该车辆的已完成任务量/>
Figure BDA0004087195750000092
周期数k＝0，边缘服务器任务完成标识/>
Figure BDA0004087195750000093
系统时间t＝0；
步骤2：令k＝k+1，根据当前车辆j的位置
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和速度vj，计算车辆j的第k个周期时长τj,k，传输速率/>
Figure BDA0004087195750000095
以及在边缘服务器中的可分配计算资源/>
Figure BDA00040871957500000927
步骤3：对当前小区i内每一辆无卸载任务的车辆j′，根据其位置
Figure BDA0004087195750000096
和路段最大限速vmax，计算其驶离小区i的最短时间/>
Figure BDA0004087195750000097
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的车辆j′放入可协作车辆集合J′；
步骤4：对于集合J′中的每个车辆j′，令其与路边单元之间的传输速率为
Figure BDA0004087195750000099
每个车辆j′的最大可用计算资源为/>
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计算卸载到所有协作车辆的任务量
Figure BDA00040871957500000917
执行任务调度和卸载；
步骤6：如果
Figure BDA00040871957500000918
跳转到步骤7，否则，跳转到步骤10；
步骤7：如果
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跳转到步骤8，否则，令/>
Figure BDA00040871957500000920
跳转到步骤10；
步骤8：如果边缘服务器i完成
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步骤9：对于J′中的每个协作车辆j′，如果完成协作任务
Figure BDA00040871957500000924
的计算并返回结果，令/>
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释放协作车辆计算资源/>
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将j′从集合J′中删除，跳转到步骤6，否则，跳转到步骤6；
步骤10：更新车辆j的任务时延门限
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根据/>
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如果dj＞0，跳转到步骤11，否则，跳转到步骤12；
步骤11：如果
Figure BDA0004087195750000106
跳转到步骤2，否则，令i＝i+1，跳转到步骤1；
步骤12：算法结束。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种非匀速车辆边缘网络中的车边协同卸载方法，所述车辆边缘网络由路边单元，用户车辆和协作车辆组成，路边单元集合表示为I(i∈I)，车辆集合表示为J(j∈J)，每个路边单元配置一台相应的边缘服务器，其特征在于，包括以下步骤：
101、进入小区i内的车辆j发起任务卸载请求，获取任务数据量dj，任务计算复杂度cj，任务时延门限
Figure FDA0004087195730000011
初始化该车辆的已完成任务量/>
Figure FDA0004087195730000012
周期数k＝0，边缘服务器任务完成标识/>
Figure FDA0004087195730000013
系统时间t＝0；
102、令k＝k+1，根据当前车辆j的位置
Figure FDA0004087195730000014
和速度vj，计算车辆j的第k个周期时长τj,k，传输速率/>
Figure FDA0004087195730000015
以及在边缘服务器中的可分配计算资源/>
Figure FDA0004087195730000016
103、对当前小区i内每一辆无卸载任务的车辆j′，根据其位置
Figure FDA0004087195730000017
和路段最大限速vmax，计算其驶离小区i的最短时间/>
Figure FDA0004087195730000018
将/>
Figure FDA0004087195730000019
的车辆j′放入可协作车辆集合J′；
104、对于集合J′中的每个车辆j′，令其与路边单元之间的传输速率为
Figure FDA00040871957300000110
每个车辆j′的最大可用计算资源为/>
Figure FDA00040871957300000111
协作车辆任务完成标识/>
Figure FDA00040871957300000112
105、根据车辆j的传输速率
Figure FDA00040871957300000113
和在边缘服务器中的可分配计算资源/>
Figure FDA00040871957300000114
计算第k周期内需要卸载到边缘服务器的任务量/>
Figure FDA00040871957300000115
根据路边单元与J′中每个车辆j′的传输速率/>
Figure FDA00040871957300000116
和每个车辆j′的最大可用计算资源/>
Figure FDA00040871957300000117
计算卸载到所有协作车辆的任务量/>
Figure FDA00040871957300000118
执行任务调度和卸载；
106、如果
Figure FDA00040871957300000119
跳转到107，否则，跳转到110；
107、如果
Figure FDA00040871957300000120
跳转到108，否则，令/>
Figure FDA00040871957300000121
跳转到110；
108、如果边缘服务器i完成
Figure FDA00040871957300000122
的计算并返回结果，令/>
Figure FDA00040871957300000123
释放服务器计算资源
Figure FDA00040871957300000124
跳转到109，否则，跳转到109；
109、对J′中的每个协作车辆j′，如果完成协作任务
Figure FDA00040871957300000125
的计算并返回结果，令/>
Figure FDA0004087195730000021
释放协作车辆计算资源/>
Figure FDA0004087195730000022
将j′从集合J′中删除，跳转到106，否则，跳转到106；
110、更新车辆j的任务时延门限
Figure FDA0004087195730000023
根据/>
Figure FDA0004087195730000024
和/>
Figure FDA0004087195730000025
计算车辆j的已完成任务量/>
Figure FDA0004087195730000026
令/>
Figure FDA0004087195730000027
如果dj＞0，跳转到111，否则，跳转到112；
111、如果
Figure FDA0004087195730000028
跳转到102，否则，令i＝i+1，跳转到101；
112、算法结束。
2.根据权利要求1所述的一种非匀速车辆边缘网络中的车边协同卸载方法，其特征在于，所述步骤102中车辆j的第k个周期时长τj,k的计算方法如公式(1)所示：
Figure FDA0004087195730000029
公式(1)中，τ0表示最小卸载周期，γ和η为常数，
Figure FDA00040871957300000210
表示车辆j当前位置与小区i出口的距离，vj表示车辆j的当前速度。
3.根据权利要求1所述的一种非匀速车辆边缘网络中的车边协同卸载方法，其特征在于，所述步骤102中车辆j的传输速率
Figure FDA00040871957300000211
的计算方法如公式(2)所示：
Figure FDA00040871957300000212
公式(2)中，B表示车辆与边缘服务器之间的通信链路带宽，pj表示车辆j的发射功率，
Figure FDA00040871957300000213
表示车辆j第k周期内与小区i路边单元之间的信道增益，δ表示高斯噪声功率。
4.根据权利要求1所述的一种非匀速车辆边缘网络中的车边协同卸载方法，其特征在于，所述步骤102中车辆j第k周期内在边缘服务器中的可分配计算资源
Figure FDA00040871957300000214
的计算方法如公式(3)所示：
Figure FDA0004087195730000031
公式(3)中，fi表示小区i的边缘服务器总计算资源，fi r表示边缘服务器的当前剩余计算资源，|J|表示小区i内的所有车辆数，|J′|表示协作车辆数，dj表示任务数据量，
Figure FDA0004087195730000032
表示任务时延门限，/>
Figure FDA0004087195730000033
表示执行任务已经花费的时间，/>
Figure FDA0004087195730000034
表示车辆j的已完成任务量。
5.根据权利要求1所述的一种非匀速车辆边缘网络中的车边协同卸载方法，其特征在于，所述步骤103中协作车辆j′驶离小区i的最短时间
Figure FDA0004087195730000035
的计算方法如公式(4)所示：
Figure FDA0004087195730000036
公式(4)中，
Figure FDA0004087195730000037
表示协作车辆j′当前位置与小区i出口的距离，vmax表示当前路段最大限速。
6.根据权利要求1所述的一种非匀速车辆边缘网络中的车边协同卸载方法，其特征在于，所述步骤105中车辆j第k周期内需要卸载到边缘服务器的任务量
Figure FDA0004087195730000038
的计算方法如公式(5)所示：
Figure FDA0004087195730000039
公式(5)中，cj表示任务计算复杂度。
7.根据权利要求1所述的一种非匀速车辆边缘网络中的车边协同卸载方法，其特征在于，所述步骤105中车辆j第k周期内需要卸载到所有协作车辆的任务量
Figure FDA00040871957300000310
的计算方法如公式(6)所示：
Figure FDA0004087195730000041
公式(6)中，
Figure FDA0004087195730000042
为协作车辆j′与路边单元之间的传输速率，/>
Figure FDA0004087195730000043
表示协作车辆j′的最大可用计算资源。
8.根据权利要求1所述的一种非匀速车辆边缘网络中的车边协同卸载方法，其特征在于，所述步骤110中车辆j的已完成任务量
Figure FDA0004087195730000044
的计算方法如公式(7)所示：
Figure FDA0004087195730000045
公式(7)中，
Figure FDA0004087195730000046
表示边缘服务器任务完成标识，/>
Figure FDA0004087195730000047
表示协作车辆j′任务完成标识。
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