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专利号: 2023100535138
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-08-19
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种车联网中任务卸载和资源分配联合优化方法,其特征在于,包括:步骤S1、构建超可靠低时延通信URLLC车辆用户与增强移动带宽eMBB车辆用户共存的移动边缘计算MEC系统模型;

步骤S2、基于所述MEC系统模型,以系统中所有URLLC车辆用户和eMBB车辆用户时延和能耗的平均成本最小化为目标,以URLLC车辆用户时延约束以及MEC服务器计算资源总量限制为约束条件,构建MEC系统URLLC/eMBB任务卸载和资源分配联合优化模型;

步骤S3、采用基于遗传算法的启发式算法对所述联合优化模型进行求解,获得eMBB车辆用户的最优任务卸载率、URLLC车辆用户的最优任务卸载决策和所有车辆用户的计算资源分配方案,包括:步骤S31:设定初始计算资源分配矩阵 ,URLLC车辆用户的任务卸载决策 ,设置当前迭代次数为 ;

步骤S32:将 和 代入联合优化模型,转化为优化问题P2,通过遗传算法求解得到eMBB车辆用户的任务卸载率 ;

步骤S33:将 和 代入联合优化模型,转化为优化问题P3,通过遗传算法求解得到URLLC车辆用户的任务卸载决策 ;

步骤S34:将 和 代入联合优化模型,转化为优化问题P4,通过遗传算法求解得到资源分配方案 ;

步骤S35:判别相邻两次目标函数 的增长值是否小于阈值 ;

步骤S36:若增长值不小于阈值 ,则 ,并返回重复执行步骤S32至步骤S35;

若增长值小于阈值 ,输出当前eMBB车辆用户的最优任务卸载率 、URLLC车辆用户的最优任务卸载决策 和计算资源分配方案 。

2.根据权利要求1所述的车联网中任务卸载和资源分配联合优化方法,其特征在于,所述步骤S1包括:基于MEC的车联网包括 辆单向行驶在道路上的车辆,道路沿线有 个路边单元RSU,每个RSU都配备一个MEC服务器;定义RSU的集合为 , 个eMBB车辆用户集合表示为 ,和 个URLLC车辆用户集合表示为 ;每辆车有且仅有一个计算任务 ,其中 表示该计算任务的数据量大小,为完成一个输入数据位所需的CPU周期数, 代表任务 所能容忍的最大时延;

个车辆产生的任务集合表示为 ;信道带宽为,根据车辆数量对信道带宽进行平均分配;设所有RSU的计算能力都是相同的,记作,用 来表示eMBB车辆用户的计算能力,用 来表示URLLC车辆用户的计算能力;

所述MEC系统模型包括:URLLC车辆用户和eMBB车辆用户的传输速率、时延、能耗以及总成本的计算模型;

S1.1、URLLC车辆用户和eMBB车辆用户的传输速率:在给定的解码错误概率 和有限块长 字节下,URLLC车辆用户的传输速率 为:,

其中 是子载波带宽, 是发射功率, 是无线信道的传输噪声, 是 函数的逆函数, 表示URLLC车辆用户与RSU之间的信道增益,表示为:,

其中 是车辆和RSU之间的距离; 是信道色散,表示为:;

eMBB车辆用户的传输速率 为:

其中 是子载波带宽, 是发射功率, 是信道的白噪声频谱, 表示eMBB车辆用户与RSU之间的信道增益;

S1.2、URLLC车辆用户和eMBB车辆用户的时延:S1.2.1、将卸载决策表示为 , 表示卸载计算,否则本地计算; 是URLLC车辆用户 的计算能力,由放置在车辆上的车载单元OBU确定;

若选择本地计算,则URLLC车辆用户 的本地计算时延为:;

若选择卸载计算,URLLC车辆用户 的卸载计算时延为 , 是任务传输时延, 是任务计算时延;结合传输速率模型,任务传输时延 表示为:;

MEC服务器为每辆URLLC车辆用户 分配的计算资源为 ,任务计算时延 表示为:,其中 为完成一个输入数据位所需的CPU周期数, 为该计算任务的数据量大小;

URLLC数据包的大小都相同,分配给URLLC车辆用户的计算资源 表示为:,

其中 为RSU分配给所有URLLC车辆用户的计算资源,表示为:,

其中 为分配因子,则 为RSU分配给所有URLLC车辆用户的计算资源占RSU全部计算资源的比例;

URLLC车辆用户的卸载计算时延 表示为:;

则URLLC车辆用户的总任务执行时延 为:;

S1.2.2、对于数据包较长的eMBB任务,采用部分卸载,一部分在本地计算一部分在MEC服务器计算;eMBB车辆用户任务需要计算的总的数据量大小为 ,用 表示在本地处理的数据量占 的总数据量的比例,在本地处理的数据量为 ,需要卸载的数据量为;

本地处理时延计算如下:

卸载计算时延为 , 是任务传输时延, 是任务计算时延;结合传输速率模型,任务传输时延 表示为:;

设MEC服务器为eMBB车辆用户分配的计算资源为 ,则任务计算时延 表示为:;

基于加权比例分配的计算资源分配,分配给eMBB车辆用户的计算资源 表示为:,

其中 为RSU分配给所有eMBB车辆用户的计算资源,表示为:,

其中 为分配因子,即RSU分配给所有eMBB车辆用户的计算资源占RSU全部计算资源的比例;

MEC服务器分配给URLLC车辆用户的CPU容量和MEC服务器分配给eMBB车辆用户的CPU容量不能超过MEC服务器的总容量:,

eMBB车辆用户的任务在本地计算和卸载到MEC服务器计算是同时进行的,因此eMBB车辆用户的总任务执行时延 为:,

S1.3、URLLC车辆用户和eMBB车辆用户的设备能耗:对于URLLC任务,若选择本地计算,URLLC车辆用户 的本地计算能耗 为:,

其中 表示不同URLLC车辆用户的计算能力, 是系统常数;

若选择卸载计算,URLLC车辆用户 的卸载计算能耗 表示为:,

eMBB车辆用户的本地计算能耗 表示为:,

其中 表示不同eMBB车辆用户的计算能力;

eMBB车辆用户的卸载计算能耗 表示为:,

S1.4、URLLC和eMBB车辆用户的时延和能耗的总成本函数;

URLLC车辆用户 的时延和能耗的总成本 表示为:,

eMBB车辆用户 的时延和能耗的总成本 表示为;

其中, 表示URLLC车辆用户的卸载决策, 表示卸载计算, 表示本地计算; 、 为加权因子,表示对时延和能耗的不同偏好。

3.根据权利要求1所述的车联网中任务卸载和资源分配联合优化方法,其特征在于,系统中所有URLLC车辆用户和eMBB车辆用户时延和能耗的平均成本 表示为:,

其中M表示eMBB车辆用户的总数,N表示URLLC车辆用户的总数, 表示eMBB车辆用户的时延和能耗的总成本, 表示URLLC车辆用户 的时延和能耗的总成本。

4.根据权利要求3所述的车联网中任务卸载和资源分配联合优化方法,其特征在于,构建MEC系统URLLC/eMBB任务卸载和资源分配联合优化模型,包括:定义 为URLLC车辆用户的任务卸载决策, 为eMBB车辆用户的任务卸载决策, 为计算资源分配矩阵, 、分别表示MEC服务器分配给eMBB车辆用户 、URLLC车辆用户 的计算资源,联合优化模型P1描述为:;

其中C1表示二进制卸载约束,URLLC车辆用户的任务只能本地计算或者完全卸载;C2保证eMBB车辆用户的卸载数据大小必须小于总输入数据大小;C3表示分配给eMBB和URLLC车辆用户的总计算资源应小于系统中MEC服务器的最大计算能力 ;C4和C5表示各个用户的执行时延不超过最大可容忍时延 。

5.根据权利要求4所述的车联网中任务卸载和资源分配联合优化方法,其特征在于,当给定 , 时,联合优化模型P1转化为优化问题P2:;

此时,联合优化模型P1转化为关于 的优化问题P2,采用遗传算法进行求解得到eMBB车辆用户的任务卸载率。

6.根据权利要求4所述的车联网中任务卸载和资源分配联合优化方法,其特征在于,将eMBB车辆用户的任务卸载决策 代入联合优化模型P1,当给定 时,联合优化模型P1转化为优化问题P3:;

此时,联合优化模型P1转化为关于 的优化问题P3, 为0‑1整数变量,采用遗传算法进行求解得到URLLC车辆用户的任务卸载决策。

7.根据权利要求4所述的车联网中任务卸载和资源分配联合优化方法,其特征在于,将URLLC车辆用户的任务卸载决策 和eMBB车辆用户的任务卸载决策 代入联合优化模型P1,得到优化问题P4:;

此时,联合优化模型P1转化为关于 的优化问题P4,采用遗传算法进行求解得到计算资源分配方案。

8.一种车联网中任务卸载和资源分配联合优化装置,其特征在于,包括处理器及存储介质;

所述存储介质用于存储指令;

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1至7任一项所述方法的步骤。

9.一种存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7任一项所述方法的步骤。