一种基于车队的时延-能耗联合优化车联网任务卸载方法

技术领域

本发明涉及车联网计算卸载领域，尤其涉及一种基于车队的车联网任务卸载方法。

背景技术

车联网技术中，随着车辆日趋智能化，新型计算密集型、时延敏感型车载应用出现；传统使用云端算力执行计算任务再回传到车辆的方式无法满足QoS(QualityofService，服务质量)需求。若在道路两边安装RSU服务车辆，将计算任务从云端卸载到RSU端，满足了部分QoS需求，但是又存在造价高昂、难以覆盖所有城市地区、维护困难等问题。此外车辆存在高速移动、算力和电池电量有限的显著特点，任务在车辆本地执行也无法满足日趋严格的时延限制。本发明将闲置车辆算力引入到车联网计算卸载系统中，能有效减少任务卸载到闲置车辆上的计算时延。

此外，城市道路两旁、停车场中存在大量停放车辆没有加以利用，在智能车辆高速发展的背景下，停放车辆可提供可观的算力资源；同时停放车辆具有距离需求终端车辆近的特点，能提供更快响应速度和更低时延。但是单个车辆算力、电池电量有限，如果只是把任务卸载到单个车辆无法达到优化效果；并且任务执行过程中车辆状态可能发生改变，如驶出任务车辆的通信范围，或是电池剩余电量不足。此外对于停放车辆较少的非城市地区，移动车辆同时面临缺少可达卸载资源的困境，这些地区因为面积广、车辆密度低，部署RSU资源具有较低可行性。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述问题，提供一种基于车队的时延-能耗联合优化任务卸载方法。

为解决上述问题，本发明使用车队的方式抽象了车辆集合，将车辆以车队的方式组织在一起承接卸载任务，使用车队Leader对队内车辆进行监控和管理，可有效减少任务卸载到闲置车辆上的计算时延；同时能充分利用闲置停放、移动车辆的资源，缓解使用RSU计算和云计算成本高、时延高的问题。

本发明的一种基于车队的时延-能耗联合优化任务卸载方法。所述方法包括以下步骤：

S1.车辆初始化，自组织为车队；

S2.任务车辆初始化；

S3.任务车辆生成计算任务，广播任务要求并获取可达节点信息；

S4.根据各节点信息、任务车辆时延-能耗偏好，计算本地计算、车队计算、旁路计算单元RSU计算、云计算四种卸载策略代价值；

S5.根据步骤S4计算的各卸载策略代价值，使用以下公式选择策略：

C

其中C

S6.根据S5得出的策略执行卸载任务。

本方法还提供了一种车辆初始化和自组织为车队的方法，步骤S1具有以下子步骤：

S11.车辆初始化；

S12.车辆广播并获取通信范围内其他车辆回复；

S13.车辆通信范围内所有全连通车辆集合组成车队；

S14.选举最靠近车队地理位置中心的车辆为车队领队Leader，次近者为备用领队Leader；

S15.车队车辆移动状态发生改变时，需要跟Leader发送信息，随后Leader向车队内车辆广播此事件；

步骤S12所述的广播阶段，车辆获取通信范围内其他车辆信息，具体包括算力、电池剩余电量、车联网通信带宽、地理位置、朝向速度。

步骤S15中车队领队Leader处理车辆加入、离开事件，具体为车辆加入、离开时需要通知车队领队Leader，车队领队Leader对此信息进行广播，车队所有节点对已有信息进行更新。

步骤S2所述的任务车辆初始化，具体包括获取任务车辆的算力、电池剩余电量、车联网通信带宽、地理位置、朝向速度。

步骤S3所述的计算任务的任务信息，具体包括任务类型，任务时延要求，中央处理器CPU周期数要求，任务输入数据大小。

步骤S4所述的卸载策略代价值计算方法，具体为任务车辆对时延-能耗偏好值进行配置，在计算卸载到车辆节点的代价时使用时延-能耗偏好值计算，使用如下公式：

C

pr

其中C

本发明旨在通过引入闲置停放、移动车辆组成车队的计算资源，缓解车联网计算系统中算力不足、时延要求高的问题。本方法包括两部分机制：车队管理、卸载决策。首先，车队管理指系统中所有车辆进行初始化，选举车队Leader，组成自治理的车队。然后，当任务车辆生成任务时，需要获取本地计算、云计算、车队计算、路旁计算单元(RoadSide Unit，RSU)计算四种卸载策略的可达节点，和对应节点卸载策略的代价，选取其中最低者执行任务卸载。对于本地计算、车队计算，为充分考虑车辆电池容量有限的情况，设置时延-能耗偏好值，供调节系统对于时延、能耗的偏好比例。此方法对于停放车辆多的城市地区能充分利用闲置车辆的算力、电量资源，对于停放车辆和路旁计算单元不足的非城市地区，也能利用移动车队中闲置车辆的算力进行任务卸载，能够显著提升车联网系统的服务质量和优化系统资源利用。

本发明提供的基于车队的时延-能耗联合优化车联网任务卸载方法首次将移动、停放车辆组织为车队承接卸载任务，整合了闲置的车辆资源，同时以时延-能耗偏好比的方式，考虑车联网环境下特有的能耗问题，因此本方法能显著优化车联网系统中的闲置资源利用，减少系统服务时延，并且具有良好实用性。

附图说明

为了更清楚说明本发明实例或现有技术中的方法，下面对实施例中所需要使用的附图做简单介绍。

图1为基于车队的车联网计算卸载系统的简要模型图。

图2为任务卸载决策的可达方式说明图。

图3为任务卸载决策流程图。

图4为实施例中车队初始化流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方法进一步详细说明。

本发明提供一种基于车队的车联网任务卸载方法，如图3为任务卸载流程图，步骤包括：

S1.车辆初始化，自组织为车队；在承接卸载任务前，车队已经完成初始化，能够对发起卸载请求的任务车辆做出回应；

S2.任务车辆初始化；任务车辆V1初始化，获取本地环境(即任务车辆)的算力、电池电量信息、预先配置的时延-能耗偏好值；

S3.任务车辆生成卸载任务，广播任务要求并获取可达节点信息；V1此时生成卸载任务T1，向通信范围内的可达节点：云计算节点、RSU节点、停放车队、移动车队广播此任务信息；可达节点收到广播信息后将节点信息返回任务车辆；如此时共有这些节点返回了信息：云节点，RSU节点，停放车队platoon1，移动车队platoon2；

S4.根据各节点信息、任务车辆时延-能耗偏好，计算代价值；任务车辆根据收到的回复计算各可达节点代价值，得到卸载策略对应代价值集合{C}，如存在代价值集合{C}：{C

S5.根据S4计算的各卸载策略代价值，选取其中代价值最小者：

C

其中C

S6.根据S5得出的策略执行卸载任务。

本发明提供一种车辆初始化和车队自组织的方法，如图4为车辆初始化流程图，具体步骤包括：

S11.车辆初始化，任务车辆V1初始化，包括获取当前车辆算力、电池电量、网络带宽、移动状态(包括朝向、速度、位置)信息，车辆检查自身电量，如果电量低于某预设阈值，比如10％，车辆自身不满足执行卸载任务条件，标记当前车辆无法本地执行任务，同时也无法执行别的车辆卸载来的任务；

S12.车辆广播并获取通信范围内其他车辆回复；车辆V1广播当前车辆信息，寻找通信范围内其他车辆，并开始限时等待状态；

S13.车辆通信范围内所有全连通车辆集合组成车队；车辆通信范围内，所有与其他节点都连通的车辆组成车队集合；

S14.选举最靠近车队地理位置中心的车辆为车队Leader，次近者为备用Leader；根据车队内所有车辆地理位置信息，车队每个车辆计算出车队Leader和备用Leader车辆，并向Leader和备用Leader车辆开始定时发送消息汇报当前信息；

S15.车队车辆移动状态发生改变时，需要跟Leader发送信息，随后Leader向车队内车辆广播此事件；

步骤S12所述的车辆获取通信范围内其他车辆信息，具体包括算力、电池剩余电量、车联网通信带宽、地理位置、朝向速度。

在此实施例中，在V1车辆广播自身信息后，进入限时等待状态，如果获取到车辆V2的回复，若V2不在车队中，V1立即发起选举，将自己选为Leader，V2选为备用Leader，并发送信息给V2确认，要求V2开始定期汇报自身情况；此时形成新的车队，包含V1、V2两辆车。

若V2在车队P1中，回复的信息中会包含P1中所有车辆地理位置和P1当前Leader车辆V3信息；V1检查P1信息，若P1中所有车辆都在V1通信范围内，则V1满足加入P1条件，开始将信息上报给V3，V3收到V1加入信息并检查后，将V1信息广播给车队P1内所有车辆，P1所有车辆随即更新当前车队信息表。

若V1检查发现P1有部分车辆，记为集合C1:{V4,V5,V6...}不在自己通信范围内，但是P1的Leader车辆V3在自己通信范围内，发送自荐信息给V3，标明自身算力、电池电量信息；V3收到后检查，如果V1的算力和电池电量比C1集合所有车辆的总和都高，选择V1加入P1，并遣散集合C1中的车辆；否则返回无法加入车队的信息给V1；若V1收到V3无法加入车队信息，继续等待下一条车辆回复。

若V1检查发现P1车队Leader车辆V3不在自己通信范围内，则忽视这条V2返回的信息，继续等待下一条车辆回复信息。

若V1等待超时，还没有加入车队，V1发起选举自己为车队Leader，管理仅有V1的车队P2；等待周围有广播寻主的车辆出现。

步骤S15中车队Leader处理车辆加入、离开事件，具体为车辆加入、离开时需要通知Leader，Leader对此信息进行广播，车队所有节点对已有信息进行更新。

在此实施例中，若V1加入了车队P1，Leader车辆V3对当前任期新加入车辆数进行检查，如果已经超过任期开始时车队总车辆数v的一半，车辆V3广播车队内车辆，通知触发新一轮Leader选举。

当有车辆移动状态发生变化，比如停放车辆离开当前区域，移动车辆停止等事件，事件车辆V11需要在离开车队P1通信范围前，广播当前事件。Leader车辆V3会根据此信息，修改车队内车辆信息。