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专利号: 2020112773947
申请人: 西南交通大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于移动边缘计算的车联网数据驱动任务卸载系统的卸载方法,其特征在于:卸载方法在车联网数据驱动任务卸载系统上实现;

所述车联网数据驱动任务卸载系统,其特征在于,包括:应用层、车辆层、MEC层和云层;

所述应用层包括:数据感知管理模块、ITS服务管理模块、道路安全管理模块;

ITS服务管理模块包括:交通信号控制、异常车辆检测和交通流预测;ITS服务是数据驱动的任务,需要处理分布在道路网络中的感知车辆收集的交通数据;基于数据分布,将数据驱动任务划分为多个子任务;每个子任务与感知车辆感知到的一组交通数据相关联,并且可以并行处理;只有计算了所有子任务的结果后,才能完成任务;

数据感知管理模块包括:压缩感知、异常数据检测、用户认证和隐私保护;数据感知管理模块对收集来的数据进行分析和处理;其中,压缩感知能够以低采样频率来重建稀疏信号;异常数据检测能够对车联网中的数据进行检测,去除异常危险数据并且提高信息精度,以保证相关设备的安全;用户认证和隐私保护来保证车联网中信息的可认证性、完整性、不可否认性和私密性;

道路安全管理模块包括:气象信息采集、交通信息采集和紧急信息采集;道路安全管理模块能够提高安全管理的自动化水平,实现对道路交通的实时监控,降低道路安全事故的发生率;其中,气象信息采集用于采集实时的气象状况,对道路行驶速度做出限制;交通信息包括车辆占有率、道路交通量、车头时距、车长、车速和交通密度,通过对这些交通信息的采集,能够为道路使用情况分析提供有力的依据;道路交通运行过程中,有时会遇见紧急情况,主要包括交通事故和自然灾害,通过对此类紧急信息的收集,能够提醒附近车辆,有效缓解交通拥堵和避免人员伤亡;

所述车辆层包括:感知车辆和计算车辆;

感知车辆配备了传感器,能够收集交通数据,可以缓存与几种类型的子任务相关联的数据集,这些数据集必须通过无线通信卸载到附近的计算服务器进行处理;

计算车辆用于提供计算服务;计算车辆拥有一个处理器,为V2V通信范围内的子任务进行计算;每次最多允许一个子任务卸载到一辆计算车辆上;

所述MEC(移动边缘计算)层包括:MEC服务器和RSU(路侧单元);

MEC服务器配备了一个计算服务器并部署在RSU附近;MEC服务器同时扮演两个角色:计算服务器和本地调度器;作为计算服务器,MEC服务器能够同时处理通过V2I无线通信卸载的多个等待任务;由于车辆的移动性,子任务必须在V2I连接时间内完全上传;作为本地调度器,MEC服务器负责对每个子任务做出卸载决策,包括卸载服务器的选择、无线带宽和计算资源的分配,其中MEC服务器通过检测感知车辆定期广播的心跳消息检索相关任务信息;

所述云层包括:云服务器和主干网,云服务器部署在主干网中,车辆可以通过蜂窝接口将其子任务卸载到云服务器;对于V2I覆盖范围之外的子任务,或者在与MEC服务器或计算车辆的连接时间内未能完成上传的子任务,它们必须选择云作为卸载服务器;

所述卸载方法包括以下步骤:

步骤1,DQN模型中强化学习的基本元素设计;

a.系统状态:由于V2V通信范围有限,假设每个感知车辆最多有n辆计算车辆可供卸载;

然后,将当前等待卸载的子任务rv在时间t的系统状态定义为多维向量,其公式如下:其中, 和 表示rv的数据量大小和所需的计算资源;Dtotal表示调度前等待卸载的子任务的总数据量,Dload表示已经卸载到m的工作负载,bm,fm分别代表MEC服务器的总带宽和总计算资源, 分别是第i个计算车辆v′的带宽和计算资源;

b.动作空间:它被定义为可用于等待卸载的子任务rv的候选计算服务器集;具体来说,采用one‑hot编码来表示动作,该动作被表示为一个n+2维二进制向量,如等式所述:其中 表示子任务rv是否卸载,上标m,c,vi′分别表示对MEC服务器m,云和第i个计算车辆v′的卸载选择,该值等于1表示选择它进行卸载,等于0表示不选择;

c.奖励函数:奖励函数的基本原理是,行动所带来的服务时间和成本越低,奖励就越高;如果子任务能够在连接时间内成功完成,则奖励被定义为子任务的服务时间和成本的加权和与常数M1倒数的乘积;否则,奖励被定义为负值,表示惩罚,用‑M2表示;奖励函数的公式如下:

其中 分别表示子任务rv的服务延迟和服务花费, 表示子任务rv卸载给计算车辆v′或MEC服务器m的服务延迟,lv{v′,m}代表了感知车辆v与计算车辆v′或MEC服务器m的连接时间,η1,η2是服务延迟和服务花费的权重;

步骤2,基于凸优化的最优资源分配;

基于ADQN,可以预先得到所有子任务的卸载选择A;因此,无线资源的优化模型只与资源分配有关,可以定义为如下;

其中,X,Y,F分别代表MEC服务器的带宽资源分配X、计算资源分配Y以及云的计算资源分配F; 表示MEC服务器m为rv分配的无线V2I带宽比率, 表示m分配给rv的计算资源比率,tm是m的处理器的数量, 代表云分配给rv的计算资源;Eq.(1a)表示分配的带宽总和不能超过总的带宽,Eq.(1b)意味着分配的计算资源总和不能超过m的最大计算能力,||R||表示任务的数量,R表示数据驱动任务集,r表示某个任务。

2.根据权利要求1所述的卸载方法,其特征在于:云的计算资源分配:

关于F的第一个子模型涉及云的计算资源分配,其公式如下:其中ωc表示从云租用计算资源的单位成本,通过找到梯度g1等于零的解,即 可以得到最优解;为每个卸载到云的rv分配的最佳计算资源可以通过下式计算得出:r

其中V表示感知车辆集合。

3.根据权利要求2所述的卸载方法,其特征在于:无线带宽资源分配:

关于变量X的第二个子模型涉及无线V2I带宽分配,其公式如下:其中 表示子任务rv上传给MEC服务器m的传输时间,||r||表示子任务的数量,可以观察到与MEC服务器相关的变量是相互独立的,子模型Eq.(4)可以进一步划分为多个简单模型,每个模型只与一个MEC服务器m相关,如下所述:m

其中,R 表示MEC服务器m覆盖范围内的所有子任务,Xm表示与MEC服务器m关联的X中的变量;显然,等式Eq.(5)中的目标是凸的,等式Eq.(5)中的约束是线性的;因此,Eq.(5)是一个凸优化模型;根据KKT条件,得到如下公式:通过求解方程组,可以得到每个等待卸载的子任务rv的无线带宽分配的最优解,如下所述:

其中Pv表示车辆v的传输功率,gmv表示车辆v和服务器m之间的功率增益。

4.根据权利要求3所述的卸载方法,其特征在于:MEC服务器的计算资源分配;

关于变量Y的第三个子模型涉及MEC服务器的计算资源分配,公式如下:其中 分别代表子任务rv卸载给MEC服务器m的计算延迟和计算花费,与子模型Eq.(4)类似,子模型Eq.(8)也可以分解为多个简单模型,每个模型只与一个MEC服务器m相关联,如下所述;

其中 表示与MEC服务器m关联的Y中的变量;基于KKT条件,我们可以得到两个备选解;对于第一种情况,其中对偶变量λm=0,其解如下所述:其中ωm表示从MEC服务器m租用计算资源的单位成本,对于第二种情况:对偶变量λm≠0,其解如下所述:

其中,变量λm可以通过二分法快速求解出来;显然,第三个子模型的最优解是方程Eq.

(10)和Eq.(11)中两个解中的一个。