[发明专利]一种基于MEC单车单小区的联合带宽分配与数据流卸载方法、设备及存储介质

权利要求书

1.一种基于MEC单车单小区的联合带宽分配与数据流卸载方法，其特征在于，是指：车辆在离开小区时，该小区内完成总的数据流时，计算出车辆总数据流的最低时延t_s；车辆在离开小区时，该小区内未完成总的数据流时，边缘服务器通过分配最优带宽方法，解决边缘服务器缓冲区拥堵问题和车辆发生小区切换时边缘服务器缓冲区数据流未处理完问题，并使车辆数据上传量最大；

车辆i在该小区内完成总数据流，根据边缘服务器j分配车辆i最优带宽方法，计算出处理完车辆总数据流的最低总时延t_s，包括步骤如下：

A、根据式(1)，给定一个初始带宽b₀，在满足边缘服务器j缓冲区最大容量的条件下，采用PID算法计算出边缘服务器j为车辆i提供的最大带宽b_ij，b_ij＝b₁，在边缘服务器j提供车辆i的带宽b范围满足b＝[b₀,b₁]；

式(1)中，在城郊或者高速公路上有N个边缘服务器为车辆提供通信、存储、计算资源，边缘服务器j服务的小区内有M辆车行驶，j＝{1,...,N}，边缘服务器j服务的小区内某辆车i匀速直线行驶，i＝{1,...,M}，在小区内某个位置向边缘服务器发送任务卸载请求；

车辆i在边缘服务器j服务的小区内以速度v_ij匀速直线行驶，在某个初始位置a_ij开始向边缘服务器j发送数据流直到离开该小区，车辆i在小区内行驶所需要的时间为t₄：车辆在离开小区时该小区内完成总的数据流，是指：车辆在0≤t≤t₄时间段内完成了数据流卸载计算；

P_ij是车辆i在边缘服务器j的上行传输功率，h_ij是车辆i在边缘服务器j的小尺度衰落路径损耗，N₀是边缘服务器j接收段的噪声功率谱密度；边缘服务器j服务的高度为H_j米，到路面的水平距离为D_j米，辐射的范围直径为L_C米，k是每比特需要CPU的转数，ε是指缓冲区最大存储量；

t₁是第一次上传速率等于边缘服务器计算速率的时刻，t₂是第二次上传速率等于边缘服务器计算速率的时刻，t₃是处理完边缘服务器缓冲区数据流的时刻，t_s是在该小区内完成车辆数据流的总时延，ξ是上传速率随时间积分的积分参数，f_j是边缘服务器j CPU每秒的转数，R_ij(0)是t＝0时的车辆i上传速率；

B、根据步骤A计算出的带宽b范围，b∈[b₀,b₁]，在满足车辆i离开小区时计算完缓冲区数据流的条件下，b_ij采用PID算法对公式(2)计算出边缘服务器j为车辆i提供的最大带宽b_ij，b_ij＝b₂；在边缘服务器j提供车辆i的带宽b范围满足b∈[b₀,b₂],b₂∈[b₀,b₁]；

C、根据步骤A及步骤B计算出的满足约束条件的带宽b范围b∈[b₀,b₂]，如果车辆i数据流S_i满足S_i≤S时，通过PID算法调整带宽方法，在没有边缘服务器j缓冲区存储数据流情况下求解出最大带宽b_ij，使得目标函数总时延t_s最低，即t_s＝t₁，计算总时延如式(3)所示；如果车辆i数据流S_i满足S_iS时，通过PID算法调整带宽，在缓冲区存储数据流不大于缓冲区最大容量情况下求解出最大带宽b_ij，在已知的带宽范围内，通过PID算法调整带宽方法，求解出最优带宽b_ij，使得目标函数总时延t_s最低，并且满足总时延t_s在t₂t₃≤t_s≤t₄范围内，式(3)如下所示：

式(3)中，R(ξ)是ξ在0～t_s时间内任意时刻的上传速率，S_i是车辆i需要计算的数据流的大小，单位是比特；

车辆在离开小区时，该小区内未完成总的数据流时，边缘服务器通过分配最优带宽方法，解决边缘服务器缓冲区拥堵问题和车辆发生小区切换时边缘服务器缓冲区数据流未处理完问题，并使车辆数据上传量最大，包括步骤如下：

D、根据式(1)，给定一个初始带宽b₀，在满足边缘服务器j缓冲区最大容量的条件下，采用PID算法计算出边缘服务器j为车辆i提供的最大带宽b_ij，b_ij＝b₁，在边缘服务器j提供车辆i的带宽范围满足b＝[b₀,b₁]；

E、根据步骤D计算出的带宽b范围，b∈[b₀,b₁]，在满足车辆i离开小区时计算完缓冲区数据流的条件下，b_ij采用PID算法对公式(2)计算出边缘服务器j为车辆i提供的最大带宽b_ij，b_ij＝b₂；在边缘服务器j提供车辆i的带宽b范围满足b∈[b₀,b₂],b₂∈[b₀,b₁]；

F、根据步骤D及步骤E计算出的满足约束条件的带宽b范围，b∈[b₀,b₂]，在已知的带宽范围内，通过带宽调整的方法，求解出最优带宽b_ij，b_ij＝b₂，根据车辆i在边缘服务器j小区内行驶的时间t，t＝t₄，求解出目标函数最大的数据量S_ij，如式(4)所示：

式(4)中，R(ξ)是ξ在0～t_s时间内任意时刻的上传速率S_ij是车辆i在边缘服务器j小区内上传的数据量，单位是比特；

步骤A、步骤D之前均执行以下步骤，包括：

a、计算初始带宽b₀：当和t＝0时，

求解出初始带宽b₀，b₀≤B_j；

a₀是指边缘服务器j通信范围的半径，即其中L_C是边缘服务器通信直径；当和t＝0时，R_ij(0)是t＝0时的车辆i在边缘服务器j最近的位置的上传速率；

b、判断初始位置a_ij与的关系，当时，计算R_ij(0)：

即在时，该时间点上传并计算的数据流加上车载终端计算的数据流总和S如式(5)所示：

c、将数据流总和S与车辆i的总数据流S_i进行比对，如果S_i≤S，采用PID算法将初始带宽b₀带入公式(6)计算出差值e：

当差值e大于等于设定阈值时，增加初始带宽b₀，增加的系数为c；带宽b_ij＝b₀+ce，b_ij≤B_j，计算得出时间点t₁，t₁为第一次上传速率等于边缘服务器计算速率的时间点；

再将新的带宽b_ij带入公式(6)，计算出新的差值e，多次迭代，直到差值e小于设定的阈值跳出循环，即求出满足车辆总数据量计算最低总时延的带宽b_ij；数据流没有存储缓冲区，不需要在t₂时间点之后释放计算能力处理缓冲区数据流，t₂为第二次上传速率等于边缘服务器计算速率的时间点因此最低总时延为t_s＝t₁；

如果S_iS，进入步骤A或步骤D；

步骤A或步骤D中，给定一个初始带宽b₀，采用PID算法计算出边缘服务器j为车辆i提供的最优带宽：当时，进入步骤d，当时，进入步骤e；

步骤d是指：

采用PID算法，计算在时间t₁和t₂之间的数据流上传缓冲区存储量小于等于最大缓冲区存储量ε：

首先，将初始带宽b₀带入公式得出时间点t₁和t₂；

然后，将初始带宽b₀带入公式(7)计算出目标值ε与在时间t₁和t₂之间的缓冲区的数据流差值e：

当差值e大于等于设定值c，调整带宽b_ij＝b₀+ce，b_ij≤B_j；

再将新的带宽b_ij带入公式(7)重新计算差值e，多次迭代，直到差值e小于设定的阈值跳出循环，计算出满足条件的最优带宽b_ij；

步骤e是指：

满足条件时，首先，将初始带宽b₀带入公式得出时间点t₁和t₂，此时求解的时间点t₁是负数，取t₁＝0；然后，将初始带宽b₀带入公式(8)计算出目标值ε与在时间t₁和t₂之间的缓冲区的数据流差值e；

当差值e大于等于设定值c，调整带宽b_ij＝b₀+ce，b_ij≤B_j；再将新的带宽b_ij带入公式(8)重新计算差值e，多次迭代，直到差值e小于设定的阈值跳出循环，计算出满足条件的最优带宽b_ij；

步骤B或E中，采用PID算法对公式(2)计算出最优带宽满足时间t₃在t₂≤t₃≤t₄范围内计算出边缘服务器j为车辆i提供的最优带宽；当时，进入步骤f，当时，进入步骤g；

步骤f是指：

采用PID算法调整带宽，解决车辆离开小区时处理完缓冲区的数据流问题：

首先，将初始带宽b₀带入公式(9)计算出处理完缓冲区的时间t₃：

然后，判断目标值t₄与时间t₃差值e，当差值e大于等于设定值d，调整带宽b_ij≤B_j，再将新的带宽带入公式(9)计算出新的时间t₃；

重新计算差值e，多次迭代，直到差值e小于设定的阈值跳出循环，计算出时间t₃的带宽为满足要求的最优带宽，当时间t₃＝t₄时，车辆在刚离开小区时处理完缓冲区，此时的带宽为满足要求的最大值带宽；

步骤g是指：

首先，将初始带宽b₀带入公式(10)计算出处理完缓冲区的时间t₃；

然后，判断目标值t₄与时间t₃差值e，当差值e大于等于设定值d，调整带宽b_ij≤B_j，再将新的带宽带入公式(10)计算出新的时间t₃；

重新计算差值e，多次迭代，直到差值e小于设定的阈值跳出循环，计算出时间t₃的带宽为满足要求的最优带宽，当时间t₃＝t₄时，车辆在刚离开小区时处理完缓冲区，此时的带宽为满足要求的最大值带宽。