本發(fā)明涉及車聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算，具體涉及一種基于移動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)的任務(wù)卸載和資源分配方法。

背景技術(shù)：

1、隨著數(shù)字化與信息化技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能交通系統(tǒng)與自動(dòng)駕駛技術(shù)快速進(jìn)步，眾多創(chuàng)新服務(wù)功能應(yīng)運(yùn)而生，車輛因此面臨日益增長(zhǎng)的計(jì)算任務(wù)處理需求，但計(jì)算任務(wù)往往伴隨較高的時(shí)延和計(jì)算能力需求，依賴車輛自身有效資源已無法滿足需求。

2、隨著邊緣計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)，通過將車聯(lián)網(wǎng)與邊緣計(jì)算技術(shù)結(jié)合，使車輛能夠利用鄰近的計(jì)算資源，將本地計(jì)算任務(wù)卸載至邊緣設(shè)備，顯著減輕車輛自身的計(jì)算負(fù)擔(dān)，為車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供更高效、靈活和穩(wěn)定的支持。但現(xiàn)有方法未能充分關(guān)注車輛高速移動(dòng)和跨rsu任務(wù)遷移的動(dòng)態(tài)特性，缺乏對(duì)無線通信鏈路動(dòng)態(tài)變化的精確建模，存在高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下難以有效適應(yīng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)條件和任務(wù)需求的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于移動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)的任務(wù)卸載和資源分配方法。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種基于移動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)的任務(wù)卸載和資源分配方法，在目標(biāo)道路旁側(cè)以預(yù)設(shè)間隔部署多個(gè)路邊單元rsu，并為每一個(gè)rsu配備具有計(jì)算處理能力的邊緣計(jì)算服務(wù)器，目標(biāo)車輛以預(yù)設(shè)速度沿目標(biāo)道路行駛，按如下步驟獲得任務(wù)卸載決策：

4、步驟s1，針對(duì)目標(biāo)車輛所搭載的計(jì)算任務(wù)，利用綜合信道模型和計(jì)算模型，結(jié)合綜合代價(jià)函數(shù)，構(gòu)建綜合代價(jià)問題優(yōu)化模型，并通過求解綜合代價(jià)問題優(yōu)化模型，確定目標(biāo)車輛是否卸載計(jì)算任務(wù)，是則執(zhí)行步驟s2，否則利用本地完成計(jì)算任務(wù)；

5、步驟s2，獲取目標(biāo)車輛的狀態(tài)信息，結(jié)合綜合信道模型，選擇一個(gè)可以與目標(biāo)車輛初步連接的初始rsu，將計(jì)算任務(wù)卸載至初始rsu對(duì)應(yīng)的邊緣計(jì)算服務(wù)器，并依據(jù)連接關(guān)系構(gòu)建連接狀態(tài)矩陣，然后執(zhí)行步驟s3；

6、步驟s3，基于初始rsu的預(yù)設(shè)覆蓋范圍，結(jié)合目標(biāo)車輛的狀態(tài)信息，利用計(jì)算模型獲得目標(biāo)車輛在初始rsu覆蓋范圍內(nèi)的傳輸時(shí)延和停留時(shí)間，通過比較傳輸時(shí)延和停留時(shí)間，判斷計(jì)算任務(wù)是否需要跨rsu處理；若傳輸時(shí)延大于停留時(shí)間，則計(jì)算任務(wù)需要跨rsu處理，否則由初始rsu對(duì)應(yīng)的邊緣服務(wù)器完成計(jì)算，并將結(jié)果返回目標(biāo)車輛；

7、在跨rsu處理的過程中，目標(biāo)車輛會(huì)將部分?jǐn)?shù)據(jù)上傳到初始rsu上；當(dāng)目標(biāo)車輛駛?cè)胂乱籸su覆蓋范圍后，將依據(jù)動(dòng)態(tài)信道模型與下一rsu建立連接，并上傳剩余數(shù)據(jù)，同時(shí)更新連接狀態(tài)矩陣；上傳至初始rsu的數(shù)據(jù)會(huì)通過rsu之間的通信鏈路轉(zhuǎn)發(fā)至下一rsu對(duì)應(yīng)的邊緣計(jì)算服務(wù)器；

8、將下一rsu更新為目標(biāo)車輛的初始rsu，重復(fù)執(zhí)行步驟s3，判斷是否可以在初始rsu的覆蓋范圍內(nèi)完成計(jì)算任務(wù)。

9、進(jìn)一步地，步驟s1所述的綜合信道模型為：

10、

11、pl＝128.1+37.6log10(di,j)

12、

13、其中，fd(i,j)為多普勒頻移，hi,j為小尺度衰落，pl為路徑損耗,gi,j為綜合信道模型,di,j為目標(biāo)車輛與rsu間距離，v為目標(biāo)車輛車速，c為光速，f0為發(fā)射頻率。

14、進(jìn)一步地，步驟s1所述計(jì)算模型分為如下的本地計(jì)算模型和卸載結(jié)算模型，且依據(jù)目標(biāo)車輛的狀態(tài)信息和rsu的預(yù)設(shè)覆蓋范圍，卸載計(jì)算模型可以分為如下的單區(qū)域卸載計(jì)算模型和跨區(qū)域卸載計(jì)算模型所述的計(jì)算模型為：

15、(a)本地計(jì)算模型：

16、

17、其中，為本地執(zhí)行計(jì)算時(shí)延，為本地執(zhí)行計(jì)算能耗，li為任務(wù)負(fù)載，fi為車輛處理能力；

18、(b)卸載計(jì)算模型：

19、(b1)單區(qū)域卸載計(jì)算模型：

20、

21、其中，為計(jì)算任務(wù)上傳到第j個(gè)rsu的傳輸時(shí)延，為第j個(gè)rsu對(duì)應(yīng)邊緣計(jì)算服務(wù)器接收計(jì)算任務(wù)后的執(zhí)行時(shí)間，為邊緣處理計(jì)算時(shí)延，為邊緣處理計(jì)算能耗，di為任務(wù)數(shù)據(jù)大小，li為任務(wù)負(fù)載，為第j個(gè)rsu分配給目標(biāo)車輛的計(jì)算資源，rij為無線鏈路的傳輸速率，為發(fā)射功率；

22、(b2)跨區(qū)域卸載計(jì)算模型：

23、

24、其中，為目標(biāo)車輛i在初始rsu的停留時(shí)間，為進(jìn)入下一rsu預(yù)設(shè)覆蓋范圍后上傳剩余計(jì)算任務(wù)的傳輸時(shí)延，為初始rsu與下一rsu之間上下文傳輸延遲，為邊緣計(jì)算服務(wù)器接收任務(wù)后的執(zhí)行時(shí)間，為邊緣處理計(jì)算時(shí)延，為邊緣處理計(jì)算能耗，2jr-wi為目標(biāo)車輛在初始rsu覆蓋范圍內(nèi)的剩余距離，vi為目標(biāo)車輛的行駛速度，wi為目標(biāo)車輛的位置，dre為剩余任務(wù)數(shù)據(jù)，ri(j+1)為目標(biāo)車輛與下一rsu之間的無線鏈路傳輸速率，li為任務(wù)負(fù)載,為發(fā)射功率。

25、進(jìn)一步地，基于本地執(zhí)行和卸載執(zhí)行分別對(duì)應(yīng)的計(jì)算時(shí)延和計(jì)算能耗，步驟s1所述的綜合代價(jià)函數(shù)分為如下的本地綜合代價(jià)函數(shù)和卸載綜合代價(jià)函數(shù)：

26、(a)本地綜合代價(jià)函數(shù)：

27、

28、其中，為本地綜合代價(jià)，為本地執(zhí)行計(jì)算時(shí)延，為本地執(zhí)行計(jì)算能耗，αt為時(shí)延的權(quán)衡因子，αe為能耗的權(quán)衡因子；

29、(b)卸載綜合代價(jià)函數(shù)：

30、

31、其中，為卸載綜合代價(jià)，為邊緣處理計(jì)算時(shí)延，為邊緣處理計(jì)算能耗，αt為時(shí)延的權(quán)衡因子，αe為能耗的權(quán)衡因子。

32、進(jìn)一步地，按以下步驟確定目標(biāo)車輛是否將計(jì)算任務(wù)卸載：

33、步驟a1，定義任務(wù)卸載決策變量xi,j，xi,jj＝0表示目標(biāo)車輛選擇在本地處理計(jì)算任務(wù)，xi,j＝1表示目標(biāo)車輛選擇將計(jì)算任務(wù)卸載到邊緣計(jì)算服務(wù)器上進(jìn)行處理；

34、步驟a2，基于綜合代價(jià)函數(shù)，以最小化綜合代價(jià)函數(shù)為目標(biāo)，構(gòu)建如下的綜合代價(jià)問題優(yōu)化模型：

35、

36、s.t.c1:xij∈{0,1}

37、c2:

38、c3:

39、c4:xi,j||qj-wi(t)||≤rj

40、c5:

41、c6:0<fi<fi,max

42、c7:0<pi<pmax

43、其中，c1為計(jì)算任務(wù)卸載決策，表示計(jì)算任務(wù)在本地處理或卸載至邊緣計(jì)算服務(wù)器處理；c2表示計(jì)算任務(wù)的完成時(shí)間不得超出計(jì)算任務(wù)的預(yù)設(shè)延遲閾值；c3表示每個(gè)計(jì)算任務(wù)僅能選擇一個(gè)rsu進(jìn)行卸載；c4目標(biāo)車輛位置處于所連接rsu的預(yù)設(shè)覆蓋范圍內(nèi)；c5表示卸載至邊緣計(jì)算服務(wù)器的總?cè)蝿?wù)資源不得超出該服務(wù)器的預(yù)設(shè)資源容量；c6表示計(jì)算任務(wù)本地執(zhí)行時(shí)分配的計(jì)算資源不能超過其預(yù)設(shè)計(jì)算資源閾值；c7表示分配給目標(biāo)車輛的發(fā)射功率不能超過預(yù)設(shè)發(fā)射功率閾值。

44、步驟a3，定義拉格朗日乘子λi和μi，其中λi為計(jì)算任務(wù)的延遲約束，μi為計(jì)算資源的約束，并構(gòu)建如下的拉格朗日函數(shù)和對(duì)偶問題，其中對(duì)偶問題內(nèi)層子問題涉及計(jì)算任務(wù)卸載決策，外層子問題涉及在全局范圍內(nèi)優(yōu)化計(jì)算資源分配的固定二任務(wù)的卸載決策:

45、(a)拉格朗日函數(shù):

46、

47、其中，l(λ,μ,x,p,f)為拉格朗日函數(shù)，xi,j為任務(wù)卸載決策變量，為本地綜合代價(jià)，為本地執(zhí)行計(jì)算時(shí)延，為卸載綜合代價(jià)，為邊緣處理計(jì)算時(shí)延，為rsu分配給目標(biāo)車輛的計(jì)算資源，fj為邊緣計(jì)算服務(wù)器的資源容量，λi為計(jì)算任務(wù)的延遲約束，μi為計(jì)算資源的約束；

48、(b)對(duì)偶問題：

49、

50、其中，g(λ,μ)為對(duì)偶問題，l(λ,μ,x,p,f)為拉格朗日函數(shù)；

51、步驟a3，利用本地綜合代價(jià)函數(shù)和卸載綜合代價(jià)函數(shù)，求解內(nèi)層子問題確定計(jì)算任務(wù)的卸載決策：

52、

53、其中，為計(jì)算任務(wù)的卸載決策，為卸載綜合代價(jià)，為本地綜合代價(jià)，xi,j為任務(wù)卸載決策變量。

54、進(jìn)一步地，求解所述外層子問題時(shí)，基于計(jì)算任務(wù)的卸載決策，利用拉格朗日乘子法與牛頓法，計(jì)算出全局計(jì)算資源分配方案。

55、進(jìn)一步地，所述利用綜合信道模型確定與目標(biāo)車輛初步連接的rsu，具體步驟為：基于邊緣計(jì)算服務(wù)器獲取的目標(biāo)車輛狀態(tài)信息，結(jié)合各個(gè)路邊單元rsu的預(yù)設(shè)覆蓋范圍，判斷目標(biāo)車輛與rsu的位置關(guān)系；當(dāng)目標(biāo)車輛位于一個(gè)rsu的預(yù)設(shè)覆蓋范圍中時(shí)，則目標(biāo)車輛可以與該rsu建立初步連接；當(dāng)目標(biāo)車輛位于至少兩個(gè)rsu的交疊覆蓋區(qū)域時(shí)，利用目標(biāo)車輛狀態(tài)信息、目標(biāo)車輛與各rsu之間的綜合信道模型，以信道增益最優(yōu)為目標(biāo)，確定一個(gè)與目標(biāo)車輛進(jìn)行初步連接的rsu。

56、采用上述技術(shù)方案帶來的有益效果：

57、(1)本發(fā)明的綜合信道模型包含多普勒頻移、路徑損耗和小尺度衰落，能夠精確捕捉車輛移動(dòng)性引起的無線通信鏈路的動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)信道狀態(tài)的實(shí)時(shí)更新，解決了現(xiàn)有技術(shù)中缺乏對(duì)無線通信鏈路動(dòng)態(tài)變化的精確建模的問題；

58、(2)本發(fā)明基于計(jì)算時(shí)延和計(jì)算能耗，構(gòu)建綜合代價(jià)問題優(yōu)化模型，在滿足任務(wù)延遲和系統(tǒng)計(jì)算資源的約束下，實(shí)現(xiàn)高效的任務(wù)卸載和全局計(jì)算資源分配；

59、(3)本發(fā)明基于車輛移動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性，以及單區(qū)域任務(wù)卸載和跨區(qū)域任務(wù)協(xié)同的差異性，設(shè)計(jì)了跨rsu的無縫任務(wù)卸載遷移機(jī)制，確保計(jì)算任務(wù)在多rsu覆蓋范圍內(nèi)順利執(zhí)行，顯著提高了任務(wù)完成率和系統(tǒng)魯棒性。