一种发送速率自动调节的车联网任务卸载方法技术

本发明专利技术提供了一种发送速率自动调节的车联网任务卸载方法，属于车联网技术领域。解决了车联网任务卸载过程中传输延迟大、分组丢失率高的技术问题。其技术方案为：包括卸载决定、车辆任务负载判断、应用层发送速率调节和分组丢失处理四个步骤。本发明专利技术的有益效果为：本发明专利技术既能有效地利用无线带宽资源，又能减少任务负载过大造成的分组丢失和传输延迟，提高任务卸载的传输效率；通过分组携带的任务id及分组id信息，通知车辆源节点应用层重传特定分组，减少分组丢失造成的任务计算失败，提高任务卸载的传输可靠性。载的传输可靠性。载的传输可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种发送速率自动调节的车联网任务卸载方法


[0001]本专利技术涉及车联网
，尤其涉及一种发送速率自动调节的车联网任务卸载方法。

技术介绍

[0002]车联网通常由车辆单元OBU(On board Unit)及路边单元RSU(Roadside unit)构成。车间通信可以不依赖RSU，使用自组织联网方式实现数据传输，但当车辆与Internet互访时，可通过RSU实现数据交换。
[0003]车载边缘计算(Vehicular Edge Computing,VEC)技术在无线网络边缘部署服务器，就近为车辆用户提供计算与存储功能，降低数据传输延迟并减轻云服务器的负担。任务车辆利用车
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车通信(vehicle
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to
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vehicle,V2V)或车
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设施(vehicle
‑
to
‑
infrastructure,V2I)通信传输数据。RSU侧部署的边缘服务器具有比较丰富的计算和缓存资源，负责车辆数据的收集、分发和处理，也可以把数据上传给云服务器。因此，VEC可以实现应用、服务和内容的本地化、近距离、分布式部署。作为实现VEC的关键技术，任务卸载是指作为源节点的OBU传输任务或部分任务至RSU目的节点，再经过边缘服务器计算，将结果返回车辆。VEC任务卸载示意图如图7所示。
[0004]迄今为止，任务卸载相关研究取得了一系列进展。但上述研究也存在一些问题。一方面，车联网边缘计算的作用是将车辆产生的大量数据，提交至边缘服务器计算，以降低车载设备的运算负担。已有研究仅设置每车卸载数据量d为[100,300]KB的单任务，没有考虑单车多任务卸载情况。因此，单任务卸载研究方法与结论不适用于以自动驾驶为代表的计算密集型车联网服务。另一方面，由于车辆行驶间距的存在，车辆陆续接入RSU并判断是否执行卸载，这意味着卸载节点的数量在动态变化，因此多个车辆节点竞争条件下的MAC信道带宽也会动态变化。此外，已有研究在应用层将单个计算任务设计为数据块，再以恒定地速率发送任务数据。当单车卸载任务数增加或卸载节点密度较大时，如果信道竞争导致MAC有效带宽低于应用层速率，源节点发送缓冲区可能产生分组排队现象，严重时甚至可能丢失分组。众所周知，发送延迟无法避免，它增加了任务卸载的时间开销。而排队延迟的出现，将使任务卸载的时间开销进一步上升，影响任务卸载的及时性。另外，分组丢失也会导致服务器计算失败，影响任务卸载的可靠性。
[0005]为了更好地说明上述问题，考虑11个车辆节点以车距60m、车速20m/s通过RSU覆盖范围，依次向某RSU卸载任务。单个任务的数据量d为200KB，每车任务数量为20个，任务在应用层以2Mb/s恒定速率(Constant bitrate，CBR)发送。每个车辆的MAC理论带宽为6Mb/s，发送缓冲区最大长度为50个分组长度。第1、5、7及9号车辆的发送缓冲区队列长度变化如图8所示。
[0006]图8可见，随着参与卸载的节点数量增加，由于802.11p车联网采用竞争机制争用信道，各节点均分理论带宽，所以单个车辆节点MAC层有效带宽会远低于6Mb/s。当单车承担的卸载任务数量较大时，各个车辆的发送缓冲区均出现了分组排队现象，且队列维持在较
高数值。这会导致较大的排队延迟，大幅增加任务传输时间开销，最终导致延迟敏感任务超时。另外，缓冲区队列经常达到最大长度，意味着后续分组可能被队列丢弃。由于缺失部分分组，任务无法在边缘服务器上完成计算。需要说明的是，增加发送缓冲区最大长度并不能解决多任务卸载问题。尽管缓冲区最大长度值设置越大，分组丢弃的可能性在下降，但也意味着分组队列长度的持续增加，分组将长时间缓存在队列中等待发送，分组端到端延迟大幅增加，最终导致任务传输的超时。
[0007]如何解决上述技术问题为本专利技术面临的课题。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种发送速率自动调节的车联网任务卸载方法。
[0009]本专利技术是通过如下措施实现的：一种发送速率自动调节的车联网任务卸载方法，包括以下步骤：
[0010]步骤一，卸载决定，即车辆OBU是否在当前RSU卸载任务
[0011]如果作为基站的RSU拒绝车辆OBU无线接入，则该车辆不进行任务卸载，如果RSU同意车辆OBU无线接入，则车辆在接入RSU后，立即开始卸载任务数据。
[0012]步骤二，车辆任务负载判断
[0013]车辆OBU作为任务卸载的源节点，其负载判断是应用层速率调节的前提条件。本专利技术以车辆发送缓冲区的分组队列长度作为该车当前任务负载的关键指标，如果车辆发送缓冲器队列长度持续增加或维持高位，说明该车的任务负载较重，反之，如果车辆发送缓冲器队列长度减小或消失，说明该车的任务负载较轻。系统可以根据上述负载状态触发速率调节机制。
[0014]步骤三，车辆应用层任务发送速率自动调节
[0015]具体如何增减车辆应用层的任务发送速率，使其与车辆时变的MAC层有效带宽匹配，从而稳定控制车辆源节点分组队列长度，减小分组的排队延迟，最终实现稳定传输。
[0016]步骤四，丢失分组重传机制
[0017]在应用层分组结构中增加了任务id结构与分组id结构，设计了一种分组丢失的重传机制，RSU与OBU收发双方可以根据分组结构中存储的任务序号与分组序号，重传丢失的分组。
[0018]进一步地，所述步骤一中的卸载决定具体内容为：
[0019]已有的服务器负载均衡研究通常让车辆行驶至下一RSU再卸载任务，对于存在通信盲区的多RSU路段，部分车辆必须行驶至下一个RSU附近方能实现任务卸载，上述卸载机制反而会增加时间开销。对高速公路而言，车流密度较高的拥堵状态并非交通常态，多数情况车流还是处于中低密度。当一个车队驶近RSU，车辆存在较大车间距，各车按其所处前后位置依次接入RSU，再执行任务卸载，整网的卸载任务量逐渐增加，信道竞争有一个上升的过程，RSU侧服务器可以在前车提交、后车未至的情况下，处理前车卸载的任务。又由于行车间距和车辆持续向前行驶，能够同时向某RSU一跳传输数据的车辆数目也是有限的。
[0020]另外，边缘计算的特点之一是设备之间的广泛互联，如图7所示，边缘服务器之间通过铜缆或光纤互联后可以实现负载均衡，车辆在本地RSU卸载任务后，如本地服务器计算能力不足，则利用有线网络将任务传输至下一个服务器计算，当车辆驶入距下一RSU位置R
o
处，可获得计算结果。
[0021]因此，发送速率自动调节(SQC
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ARC)算法执行“接入即下载”的卸载策略，只要RSU允许车辆无线接入，所有任务车辆在第一个RSU处进行卸载。一方面，采用自适应速率卸载机制，根据节点当前的任务负载状态，应用层调节任务发送速率，以满足分组到达率与延时性能要求。另一方面，如果当前RSU侧VEC服务器算力不足，可以通过有线通信将任务传输至下一个RSU侧服务器，以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种发送速率自动调节的车联网任务卸载方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，卸载决定，车辆OBU是否在当前RSU卸载任务，如果作为基站的RSU拒绝车辆OBU无线接入，则该车辆不进行任务卸载，如果RSU同意车辆OBU无线接入，则车辆在接入RSU后，立即开始卸载任务数据；步骤二，车辆任务负载判断，车辆OBU作为任务卸载的源节点，其负载判断是应用层速率调节的前提条件，以车辆发送缓冲区的分组队列长度作为该车当前任务负载的关键指标，如果车辆发送缓冲器队列长度持续增加或维持高位，说明该车的任务负载较重，反之，如果车辆发送缓冲器队列长度减小或消失，说明该车的任务负载较轻，系统根据负载状态触发速率调节机制；步骤三，车辆应用层任务发送速率自动调节，如何增减应用层的任务发送速率，使其与车辆时变的MAC层有效带宽匹配，稳定控制车辆节点的分组队列长度，减小分组的排队延迟，最终实现稳定传输；步骤四，丢失分组重传机制，在应用层分组结构中增加了任务id结构与分组id结构，设计了一种分组丢失的重传机制，RSU与OBU收发双方根据分组结构中存储的任务序号与分组序号，重传丢失的分组。2.根据权利要求1所述的发送速率自动调节的车联网任务卸载方法，其特征在于，所述步骤一中卸载决定具体包括以下步骤：(1)车辆OBU接近基站RSU后，尝试接入RSU；Step1：如果RSU拒绝接入，则OBU放弃卸载任务；Step2：如果RSU同意接入，则OBU立即开始卸载任务数据。3.根据权利要求1所述的发送速率自动调节的车联网任务卸载方法，其特征在于，所述步骤二中车辆节点任务负载判断具体包括以下步骤：(1)车辆节点检测自身发送缓冲区中分组队列的长度；(2)根据检测到的发送缓冲区分组队列长度；Step1：如果缓冲器队列长度持续增加或维持高位，说明车辆节点的任务负载较重；Step2：如果缓冲器队列长度持续减小或完全消失，说明车辆节点的任务负载较轻。4.根据权利要求1所述的发送速率自动调节的车联网任务卸载方法，其特征在于，所述步骤三中应用层任务发送速率自动调节具体包括以下步骤：(1)车辆节点轻负载时，执行发送速率线性递增策略：车辆源节点分组队长小于队长阈值时，说明应用层速率小于当前MAC层有效带宽，判定当前卸载任务较轻，因此需适当增加应用层发送速率，用于提高任务卸载传输数据量，使用线性递增的速率策略，设置正整数的加性系数A，应用层每经过一个发送周期将速率递增A，逐步占用MAC层有效带宽；首先根据工程经验和具体的延迟需求，设定一个队列长度阈值q0，设速率线性递增策略的加性系数A，应用层向下层发送一个载荷所需的时间周期为T，上一个周期T的应用层速率为r(t
‑
T)，如果t时刻的车辆源节点瞬时队列长度q(t)小于或等于队长阈值q0，执行发送速率线性递增策略，因此当q(t)≤q0时，应用层发送速率r(t)为r(t)＝r(t
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T)+A
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(1)(2)车辆节点重负载时，执行发送速率阶梯递减策略车辆源节点分组队长大于队长阈值时，说明应用层速率大于当前MAC层有效带宽，判定
当前卸载任务较重，需降低应用层发送速率，以便控制队长和排队延迟，该方法使用基于车辆源节点发送缓冲区分组队列检测的速率阶梯递减策略，设置取值范围为[0,1]的阶梯递减系数M，如果上一个周期T的应用层速率为r(t
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T)，则当前发送速率r(t)为M*r(t
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T)，阶梯递减策略可以迅速降低应用层发送速率，减少发送缓冲区分组排队，阶梯递减系数M的具体数值，按照如下方法获得；Step1：计算t时刻车辆源节点速率自动调节算法的队长偏移系数u(t)，有u(t)＝ae(t)
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(2)其中，队长偏移量e(t)＝q(t)
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q0，q(t)为t时刻的车辆源节点当前队列长度，q0为车辆源节点队长阈值，a为常系数；Step2：计算t时刻车辆源节点速率自动调节算法的队长偏移累积系数s(t)，有其中，b为常系数；式(2)可见，队长阈值一定时，当前队长越大，输出的队长偏移系数u(t)就越大，式(3)可见，队长阈值一定时，队长偏移存在的时间越长...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈亮，吴小慧，谭世杰，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：