高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于位置预测的智慧公路边缘任务协同机制

邵苏杰 柴睿均 郭少勇 吴双 王智立 邱雪松

邵苏杰, 柴睿均, 郭少勇, 吴双, 王智立, 邱雪松. 基于位置预测的智慧公路边缘任务协同机制[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(4): 1154-1162. doi: 10.11999/JEIT220279
引用本文: 邵苏杰, 柴睿均, 郭少勇, 吴双, 王智立, 邱雪松. 基于位置预测的智慧公路边缘任务协同机制[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(4): 1154-1162. doi: 10.11999/JEIT220279
SHAO Sujie, CHAI Ruijun, GUO Shaoyong, WU Shuang, WANG Zhili, QIU Xuesong. A Collaborative Mechanism for Smart Highway Edge Tasks Based on Location Prediction[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(4): 1154-1162. doi: 10.11999/JEIT220279
Citation: SHAO Sujie, CHAI Ruijun, GUO Shaoyong, WU Shuang, WANG Zhili, QIU Xuesong. A Collaborative Mechanism for Smart Highway Edge Tasks Based on Location Prediction[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(4): 1154-1162. doi: 10.11999/JEIT220279

基于位置预测的智慧公路边缘任务协同机制

doi: 10.11999/JEIT220279
基金项目: 国家自然科学基金(62071070),教育部区块链重点项目(KJ010802)
详细信息
    作者简介:

    邵苏杰:男,讲师,研究方向为边缘计算、物联网、智能电网和网络管理

    柴睿均:男,硕士生,研究方向为边缘计算、车联网

    郭少勇:男,副教授,研究方向为区块链应用技术、边缘计算、能源互联网等

    吴双:男,高级工程师,研究方向为物联网、智能电网、电力信息通信技术等

    王智立:男,副教授,研究方向为网络管理、通信软件和接口测试等

    邱雪松:男,教授,研究方向为网络管理与通信软件

    通讯作者:

    邵苏杰 buptssj@bupt.edu.cn

  • 中图分类号: TN915; TP393

A Collaborative Mechanism for Smart Highway Edge Tasks Based on Location Prediction

Funds: The National Natural Science Foundation of China (62071070), The Key Project Plan of Blockchain in Ministry of Education of the People’s Republic of China (KJ010802)
  • 摘要: 近年来智慧公路为用户提供了道路监测、辅助驾驶等新型服务,但随之而来的是数据流量爆炸式的增长,这对网络的承载能力带来了极大的考验。随着5G和移动边缘计算技术的成熟,海量任务不必集中在云端处理,边缘侧的协同处理成为一种较好的选择。为了在车辆高速移动场景下为用户提供高效可靠的服务,该文提出一种基于位置预测的智慧公路边缘任务协同(CETLP)机制。首先,结合智慧公路场景下车辆运动特点,建立面向时延和负载均衡的边缘任务协同模型。进而,针对任务时延最小化以及网络负载均衡等目标,提出一种基于深度强化学习的边缘任务协同算法,对海量任务的协同策略进行求解。仿真结果表明,所提机制能够在保证网络负载均衡的情况下降低服务时延。
  • 图  1  智慧公路场景图

    图  2  网络架构

    图  3  协同模型

    图  4  GRU结构图

    图  5  基于GRU的轨迹预测

    图  6  算法执行流程

    图  7  系统时延

    图  8  系统负载均衡

    图  9  不同算法的时延随任务数量的变化

    图  10  车速对时延的影响

    图  11  协同MECS数量对实验的影响

    图  12  随任务数量增加不同任务协同比例的变化

    算法1 基于位置预测的边缘任务协同算法
     输入:迭代轮数$ T $,状态特征维度$ n $,动作集$ A $,学习速率$ \alpha $,衰
        减因子$ \gamma $,探索率$ \varepsilon $,当前$ Q $网络,目标$ Q $网络,批量梯度
        下降样本数$ m $, 目标$ Q $网络更新频率$ C $
     输出:协同策略
     初始化车辆和MECS,随机初始化系统状态,清空经验回放集合
     FOR $i = 1,2, \cdots ,T$ DO
      输入$ {S_i} $,得到网络中所有动作对应的$ Q $值输出,使用$ \varepsilon - $贪婪
      法选择对应的动作$ {A_i} $;
      在状态$ {S_i} $执行当前动作$ {A_i} $,得到新状态$ {S_{i + 1}} $和对应奖励$ {R_i} $以
      及是否是终止状态$ {\text{is\_end}} $;
      将集合$ \{ {S_i},{A_i},{R_i},{S_{i + 1}},{\text{is\_end}}\} $存入经验集合$ D $并更新车辆
      位置以及车辆接入的服务器;
       $ {S_i} = {S_{i + 1}} $;
      从经验回放集合$ D $中采样$ m $个样本
      $ \{ {S_i},{A_i},{R_i},{S_{i + 1}},{\text{is\_end}}\} $;
      FOR $j = 1,2, \cdots ,m$ DO
       根据式(25)计算当前目标$ Q $值$ {Y_t} $;
       使用均方差损失函数式(26),更新$ Q $网络参数;
      END FOR
      IF $ i\% C = 1 $ THEN
       更新目标$ Q $网络参数;
      END IF
      IF $ {\text{is\_end}} = {\text{true}} $ THEN
       BREAK
      END IF
     END FOR
     RETURN 卸载策略
    下载: 导出CSV

    表  1  网络参数

    网络参数取值
    MECS计算能力(GHz)10
    RSU计算能力(GHz)1
    有线传输带宽(Gbit/s)1
    无限传输带宽(Mbit/s)300
    任务数据量(kbit)[50,100,150,200]
    任务计算周期数[3×106, 6×106, 9×106, 1.1×107]
    任务比例[0.3,0.3,0.2,0.2]
    下载: 导出CSV
  • [1] 崔雪薇. 车路协同创未来——智慧公路技术在车路协同中的应用探讨[J]. 中国交通信息化, 2018(12): 22–26. doi: 10.13439/j.cnki.itsc.2018.12.002

    CUI Xuewei. The future of vehicle-road collaboration: Application of intelligent highway technology in vehicle-road collaboration[J]. China ITS Journal, 2018(12): 22–26. doi: 10.13439/j.cnki.itsc.2018.12.002
    [2] 田辉, 范绍帅, 吕昕晨, 等. 面向5G需求的移动边缘计算[J]. 北京邮电大学学报, 2017, 40(2): 1–10. doi: 10.13190/j.jbupt.2017.02.001

    TIAN Hui, FAN Shaoshuai, LÜ Xinchen, et al. Mobile edge computing for 5G requirements[J]. Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications, 2017, 40(2): 1–10. doi: 10.13190/j.jbupt.2017.02.001
    [3] 王寒松. 车联网中基于MEC的计算任务卸载策略研究[D]. [硕士论文], 北京邮电大学, 2019.

    WANG Hansong. Research of computing offloading scheme for MEC-enabled vehicular networks[D]. [Master dissertation], Beijing University of Posts and Telecommunications, 2019.
    [4] 尉志青, 马昊, 张奇勋, 等. 感知-通信-计算融合的智能车联网挑战与趋势[J]. 中兴通讯技术, 2020, 26(1): 45–49. doi: 10.12142/ZTETJ.202001010

    WEI Zhiqing, MA Hao, ZHANG Qixun, et al. Challenge and trend of sensing, communication and computing integrated intelligent internet of vehicles[J]. ZTE Technology Journal, 2020, 26(1): 45–49. doi: 10.12142/ZTETJ.202001010
    [5] YANG Xiaolong, FEI Zesong, ZHENG Jianchao, et al. Joint multi-user computation offloading and data caching for hybrid mobile cloud/edge computing[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2019, 68(11): 11018–11030. doi: 10.1109/TVT.2019.2942334
    [6] ZHANG Ke, MAO Yuming, LENG Supeng, et al. Mobile-edge computing for vehicular networks: A promising network paradigm with predictive off-Loading[J]. IEEE Vehicular Technology Magazine, 2017, 12(2): 36–44. doi: 10.1109/MVT.2017.2668838
    [7] ZHANG Ke, LENG Supeng, XIN Peng, et al. Artificial intelligence inspired transmission scheduling in cognitive vehicular communications and networks[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2019, 6(2): 1987–1997. doi: 10.1109/JIOT.2018.2872013
    [8] LI Mushu, GAO Jie, ZHAO Lian, et al. Deep reinforcement learning for collaborative edge computing in vehicular networks[J]. IEEE Transactions on Cognitive Communications and Networking, 2020, 6(4): 1122–1135. doi: 10.1109/TCCN.2020.3003036
    [9] ZENG Feng, CHEN Qiao, MENG Lin, et al. Volunteer assisted collaborative offloading and resource allocation in vehicular edge computing[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2021, 22(6): 3247–3257. doi: 10.1109/TITS.2020.2980422
    [10] LIU Jun, WANG Shoubin, WANG Jintao, et al. A task oriented computation offloading algorithm for intelligent vehicle network with mobile edge computing[J]. IEEE Access, 2019, 7: 180491–180502. doi: 10.1109/ACCESS.2019.2958883
    [11] 张凤荔, 赵佳君, 刘东, 等. 基于深度强化学习的边云协同串行任务卸载算法[J]. 电子科技大学学报, 2021, 50(3): 398–404. doi: 10.12178/1001-0548.2021015

    ZHANG Fengli, ZHAO Jiajun, LIU Dong, et al. Edge cloud collaboration serial task offloading algorithm based on deep reinforcement learning[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2021, 50(3): 398–404. doi: 10.12178/1001-0548.2021015
    [12] 詹文翰, 王瑾, 朱清新, 等. 移动边缘计算中基于深度强化学习的计算卸载调度方法[J]. 计算机应用研究, 2021, 38(1): 241–245,263. doi: 10.19734/j.issn.1001-3695.2019.10.0594

    ZHAN Wenhan, WANG Jin, ZHU Qingxin, et al. Deep reinforcement learning based offloading scheduling in mobile edge computing[J]. Application Research of Computers, 2021, 38(1): 241–245,263. doi: 10.19734/j.issn.1001-3695.2019.10.0594
    [13] ZHANG Jie, GUO Hongzhi, and LIU Jiajia. Adaptive task offloading in vehicular edge computing networks: A reinforcement learning based scheme[J]. Mobile Networks and Applications, 2020, 25(5): 1736–1745. doi: 10.1007/s11036-020-01584-6
    [14] QI Qi, WANG Jingyu, MA Zhanyu, et al. Knowledge-driven service offloading decision for vehicular edge computing: A deep reinforcement learning approach[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2019, 68(5): 4192–4203. doi: 10.1109/TVT.2019.2894437
  • 加载中
图(12) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  561
  • HTML全文浏览量:  278
  • PDF下载量:  104
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-03-14
  • 修回日期:  2022-06-16
  • 网络出版日期:  2022-06-21
  • 刊出日期:  2023-04-10

目录

    /

    返回文章
    返回