车联网场景下的基于边缘计算的4G和5G混合卸载方法与流程

车联网场景下的基于边缘计算的4g和5g混合卸载方法
技术领域
1.本发明涉及车联网技术领域，尤其是车联网场景下的基于边缘计算的4g和5g混合卸载方法。


背景技术：

2.车联网技术是基于移动通信网络，配合车载终端、路侧单元(road side unit，rsu)及交通设施，组成的一个广义的互联互通的网络，其目的是通过车与车、车与公共设施之间的通信来保证驾驶员的安全性，保证道路的安全以及顺畅。如今车联网的发展重点已经逐渐从核心网转向边缘网，在车辆终端的附近部署各式各样的网络计算资源，例如基站，尽可能地将云计算中心的任务迁移到基站进行响应处理。移动车辆终端有很多要求低时延、高带宽的任务，便能由附近的网络计算资源去实现，即移动车辆终端会将一些任务卸载到路边基站上进行处理，由路边基站对车辆所卸载的任务进行计算。
3.目前，基站包括5g基站和4g基站，4g基站虽然覆盖范围大，但4g基站传输速率较低，针对处于高密度交通流的路段，4g基站不能满足任务的低时延、高带宽的要求。5g基站虽然传输速率高，车辆利用5g网络可以实现更高的数据消费需求，但5g基站存在覆盖范围小的缺点，任务卸载的成功率不能完全保证。
4.另外，5g基站还存在能耗高的缺点，5g基站虽然可以保证任务成功率，但是5g基站代价较高，长期使用会产生巨大的能量成本，增加大量碳排放，破坏环境。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供车联网场景下的基于边缘计算的4g和5g混合卸载方法，既能够保证任务卸载的成功率，又能够满足任务的低时延、高带宽的要求。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：车联网场景下的基于边缘计算的4g和5g混合卸载方法，对一个路段进行划分，划分为若干个细分路段；每个细分路段均对应的由一个5g基站覆盖；整个路段由一个4g基站覆盖；每个细分路段上的车辆向该细分路段所对应的4g基站或5g基站卸载任务；若某细分路段所对应的5g基站为开启即处于活跃状态，则该细分路段上的车辆向该细分路段所对应的5g基站卸载任务；若该细分路段所对应的5g基站为关闭即处于睡眠状态，则该细分路段上的车辆向该细分路段所在路段的4g基站卸载任务。
7.优选的，根据路段上所有车辆所产生的路段卸载任务总数量，实时对路段上的5g基站进行状态切换。
8.优选的，5g基站的状态切换方法如下所示：针对一个路段，在第t个时隙中该路段上处于睡眠状态的5g基站的数量为s(t)，在第t个时隙中该路段上处于活跃状态的5g基站的数量为a(t)，在第t个时隙中该路段上所有
车辆所产生的路段卸载任务总数量为k(t)；若s(t)》0，且[s(t)/n]
×
k(t)》kmax，则在第t个时隙中，从该路段上处于睡眠状态的5g基站中选择一个5g基站进行开启即切换为活跃状态；若a(t)》0，且[(n-a(t)+1)/n]
×
k(t)《kmax，则在第t个时隙中，从该路段上处于活跃状态的5g基站中选择一个5g基站进行关闭即切换为睡眠状态；其余情况下，第t个时隙中该路段上的各个5g基站的状态保持不变；其中，n为该路段上所对应的5g基站总数量，即n=a(t)+s(t)；kmax为4g基站在一个时隙中可以接受的最大任务数量；t=1,2,3...，一个时隙所对应的时长为
∆
t，第t个时隙所对应的时间段为(t-1)
×∆
t～t
×∆
t。
[0009]
优选的，若s(t)》0，且[s(t)/n]
×
k(t)》kmax，则在第t个时隙中，从该路段上处于睡眠状态的5g基站中随机选择一个5g基站进行开启。
[0010]
优选的，若a(t)》0，且[(n-a(t)+1)/n]
×
k(t)《kmax的持续时间达到5g基站的最短被休眠时间tmin，则在第t个时隙中，从该路段上处于活跃状态的5g基站中随机选择一个5g基站进行关闭；否则，在第t个时隙中，不从该路段上处于活跃状态的5g基站中选择一个5g基站进行关闭。
[0011]
tmin=(eon+eoff)/(ea-eua)；其中，tmin为5g基站的最短被休眠时间；eon和eoff分别为开启和关闭5g基站所需要消耗的能耗；ea和eua分别为活跃状态和睡眠状态下的5g基站在一个时隙中所需要消耗的固定静态能耗。
[0012]
优选的，先对整条道路进行划分，划分为若干个路段；再对每一个路段进行划分，划分为若干个细分路段；每个细分路段均对应的由一个5g基站覆盖；每一个路段均对应的由一个4g基站覆盖。
[0013]
本发明的优点在于：（1）本方法结合4g基站覆盖范围大、能耗低和5g基站传输速率快的优点，在道路上设计了一种4g基站和5g基站混合卸载任务的框架，既能够保证任务卸载的成功率，又能够满足任务的低时延、高带宽的要求。
[0014]
（2）在本发明的4g和5g混合卸载任务的车联网场景下，虽然车辆可以利用5g网络实现更高的数据消费需求，但是由于目前的5g基站还存在能耗大的缺点，长期使用会造成巨大的成本资源投入。为此，本发明还提出根据路段上所有车辆所产生的路段卸载任务总数量，实时对路段上的5g基站进行状态切换。
[0015]
（3）本发明设计了5g基站的状态切换方法，提出在车辆稀疏和数据消费要求较小的情况下将5g基站切换到休眠状态，而让4g基站进行任务处理工作，以降低车联网场景中路边5g基站能耗，在车辆密集和数据消费要求较高的情况下将5g基站切换到活跃状态，增加5g基站协同进行任务处理工作，以保证任务卸载的成功率，满足任务的低时延、高带宽要求。
[0016]
（4）本发明根据道路车辆的实时变化情况，设计了一种5g基站的状态切换方案，考虑一个时隙内的车流量和路段卸载任务总数量，在车流量的小范围波动及偶然性波动下不进行切换操作，以避免频繁的切换反而增加基站能耗的产生，方案设计合理，达到了基站节能的需求。
[0017]
（5）本发明在5g基站的状态切换方案中，还考虑了5g基站的切换成本，设置了5g基站的最短被休眠时间tmin，以避免频繁的切换反而增加基站能耗的产生，方案设计合理，进一步达到了基站节能的需求。
[0018]
（6）本发明利用4g基站和5g基站混合卸载任务的框架，保证了任务卸载的成功率，满足任务的低时延、高带宽要求，同时还设计了5g基站的状态切换方案，显著降低了4g和5g混合卸载任务的车联网场景中5g基站能耗。
[0019]
（7）本发明通过对道路的划分，划分为若干个路段，再对每一个路段进行划分，划分为若干个细分路段，使得每个细分路段均对应的由一个5g基站覆盖；每一个路段均对应的由一个4g基站覆盖，在后续的5g基站状态切换中，设置时隙时长，在每一个时隙中以每一个路段作为判断对象，并直接假设车辆在一个路段上的分布均匀，路段卸载任务总数量在每个5g基站所覆盖的细分路段上分布均匀，简化算法的同时还能够保证判断的准确性。
附图说明
[0020]
图1为本发明的4g基站和5g基站混合卸载任务的示意图。
[0021]
图2为5g基站的状态切换方法流程图。
具体实施方式
[0022]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0023]
本发明根据4g基站覆盖范围大、能耗低和5g基站传输速率快的优点，在道路上设计了一种4g基站和5g基站混合卸载任务的框架，具体如下所示：由图1所示，先对整条道路进行划分，划分为若干个路段；再对每一个路段进行划分，划分为若干个细分路段；每个细分路段均对应的由一个5g基站覆盖；每一个路段均对应的由一个4g基站覆盖。
[0024]
道路上的车辆会将一些对时延敏感的计算密集型任务卸载到路边基站上进行处理，每个细分路段上的车辆向该细分路段所对应的4g基站或5g基站卸载任务：若某细分路段所对应的5g基站为开启即处于活跃状态，则该细分路段上的车辆向该细分路段所对应的5g基站卸载任务；若该细分路段所对应的5g基站为关闭即处于睡眠状态，则该细分路段上的车辆向该细分路段所在路段的4g基站卸载任务。
[0025]
由于整条道路上的车辆数是时变的，即整条道路上所有车辆需要卸载的总任务数是时变的。为了满足任务的时延要求，同时优化5g基站的能耗。本发明根据路段上所有车辆所产生的路段卸载任务总数量，实时对路段上的5g基站进行状态切换。根据道路车辆的实时变化情况，设计了一种5g基站的状态切换方案，即：在某路段为低密度交通流时，当活跃的5g基站数多于当前所需的数量，则关闭一个活跃的5g基站，且所关闭5g基站覆盖范围内的细分路段上的车辆向4g基站卸载任务；在某路段为高密度交通流时，当活跃的5g基站数少于当前所需的数量，则开启一个休眠中的5g基站，且所开启5g基站覆盖的细分路段上的车辆向该5g基站卸载任务。
[0026]
由图2所示，5g基站的状态切换方法，具体如下所示：s1，针对某个路段，在第t个时隙中该路段上处于睡眠状态的5g基站的数量为s(t)，在第t个时隙中该路段上处于活跃状态的5g基站的数量为a(t)，在第t个时隙中该路段上的所有车辆所产生的路段卸载任务总数量为k(t)；若s(t)》0，且[s(t)/n]
×
k(t)》kmax，则在第t个时隙中，从该路段上处于睡眠状态的5g基站中随机选择一个5g基站进行开启即切换为活跃状态；其中，n为该路段上所对应的5g基站总数量，即n=a(t)+s(t)；kmax为4g基站在一个时隙中可以接受的最大任务数量；t=1,2,3...，一个时隙所对应的时长为
∆
t，第t个时隙所对应的时间段为(t-1)
×∆
t～t
×∆
t。
[0027]
本发明中，假设车辆在一个路段上的分布均匀，即每个细分路段上的车辆数量相同，路段卸载任务总数量为k(t)在每个5g基站所覆盖的细分路段上分布均匀，即每个细分路段上的车辆在一个时隙中产生的卸载任务数量相同。
[0028]
若a(t)》0，且[(n-a(t)+1)/n]
×
k(t)《kmax，则在第t个时隙中，从该路段上处于活跃状态的5g基站中选择一个5g基站进行关闭即切换为睡眠状态，具体选择方式如下所示：若a(t)》0，且[(n-a(t)+1)/n]
×
k(t)《kmax的持续时间达到5g基站的最短被休眠时间tmin，则在第t个时隙中，从该路段上处于活跃状态的5g基站中随机选择一个5g基站进行关闭；否则，即[(n-a(t)+1)/n]
×
k(t)《kmax的持续时间未达到5g基站的最短被休眠时间tmin，则在第t个时隙中，不从该路段上处于活跃状态的5g基站中选择一个5g基站进行关闭。
[0029]
tmin=(eon+eoff)/(ea-eua)；其中，tmin为5g基站的最短被休眠时间；eon和eoff分别为开启和关闭5g基站所需要消耗的能耗；ea和eua分别为活跃状态和睡眠状态下的5g基站在一个时隙中所需要消耗的固定静态能耗。
[0030]
其余情况下，第t个时隙中该路段上的各个5g基站的状态保持不变。
[0031]
s2，按照步骤s1的方式，在第t个时隙下，分别对道路的各个路段上的各个5g基站的状态进行选择切换。
[0032]
s3，按照步骤s1～s2的方式在下一个时隙即第t+1时隙下，分别对道路的各个路段上的各个5g基站的状态进行选择切换。
[0033]
本发明在实际应用中，假设在某个初始时刻，路段上的车辆很少，路段上的所有的5g基站都处于睡眠状态，路段上的车辆均与4g基站建立连接并向其传输任务数据。此时路段上的车辆在平均的分配到通信资源后，任务的总时延小于最大可忍受时延。
[0034]
当路段上的车流量增多进入高密度交通流时间段后，若当前时隙中路段卸载任务总数量满足5g基站的开启条件，则开启一个处于睡眠状态的5g基站。如果车流量继续增加，并在下一个时隙又满足了5g基站的开启条件，则继续开启一个处于睡眠状态的5g基站。如果车流量持续增加，所有的5g基站都已经被开启，则保持当前状态不变。
[0035]
当路段上的车流量减少进入低密度交通流时间段后，若当前时隙中路段卸载任务总数量满足5g基站的睡眠条件，则关闭一个处于活跃状态的5g基站。如果车流量继续减少，并在下一个时隙中又满足了5g基站的睡眠条件，则继续关闭一个处于活跃状态的5g基站。如果车流量持续减少，所有的5g基站都已经被关闭，则保持当前状态不变。
[0036]
除了上述情况之外，车流量的小范围波动及偶然性波动不进行切换操作，否则频繁的切换反而会增加能耗的产生。
[0037]
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。