車(chē)聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特性模型下卸載反饋策略的設(shè)計(jì)與評(píng)估

中圖分類號(hào)：TN915.01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000-582X（2025）08-086-13

Design and evaluation of an offload feedback strategy framework based on a service characteristic model in the internet of vehicles

WANG Shi， CAO Dayanab， ZHU Xiaoyingab， WANG Mingyua， WANG Haoyinga （a.SchoolofElectronic and Information Engineering; b.Institute of Graduate，Liaoning Technical University， Huludao，Liaoning，P.R. China）

Abstract： With the proliferation of diverse service characteristics in the internet of vehicles （IoV）under the mobile edge computing （MEC） paradigm，evaluating server-to-end transmission performance presents a significant challenge，particularly due to the complex modeling requirements that must account for service-specific traits in offload feedback strategies.To address this，acache scheduling evaluation framework is proposed，incorporating time-varying and multi-type services based on queuing theory and a Markov-modulated service procesThe proposed framework supports flexible adjustments to service characteristics，bidirectional procesing rates，and offload feedback strategies，enabling itto adapt to various communication environments.Within this framework， an offload feedback strategy based onstatistical prediction is proposed.Numerical simulationsshow that the the proposed strategy improves transmission performance by approximately 50% compared with traditional approaches. These findings indicate that the proposed framework provides a valuable reference for designing adaptive strategies under diverse network conditions and hardware configurations.

Keywords： internet of vehicles; mobile edge computing; sevice modeling; Markov-modulated services; resource allocation

近年來(lái)，隨著無(wú)線通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，車(chē)聯(lián)網(wǎng)（internet ofvehicles，IoV）已成為5G的重要應(yīng)用場(chǎng)景。在移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)背景（mobile edge computing，MEC）下，車(chē)聯(lián)網(wǎng)中路邊單元攜帶的MEC服務(wù)器和智能車(chē)輛配備的車(chē)載單元（onboard unite，OBU）都具備計(jì)算和存儲(chǔ)能力l?；贛EC系統(tǒng)計(jì)算和緩存的功能，學(xué)者提出服務(wù)緩存和邊緣緩存技術(shù)并衍生了任務(wù)卸載、資源分配等研究。在網(wǎng)絡(luò)層上，任務(wù)卸載和資源分配問(wèn)題被建模為最優(yōu)化問(wèn)題。針對(duì)最優(yōu)化模型，張建軍等4提出一種多MEC聯(lián)合卸載的方案，李方偉等[5提出了V2X（vehicle-to-everything）協(xié)同緩存與資源分配機(jī)制。由于引人多樣化業(yè)務(wù)模型會(huì)使最優(yōu)化模型出現(xiàn)計(jì)算成本高的問(wèn)題，上述研究在完成資源分配時(shí)未考慮到業(yè)務(wù)相關(guān)性和優(yōu)先級(jí)等多樣化特征。然而，不同類型業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)需求和處理方式并不相同。例如業(yè)務(wù)為時(shí)延敏感和上下文敏感的應(yīng)用程序，則應(yīng)卸載到MEC服務(wù)器，其他為安全性服務(wù)的重要業(yè)務(wù)應(yīng)該在本地進(jìn)行服務(wù)和保存。

目前車(chē)聯(lián)網(wǎng)的典型業(yè)務(wù)包括：駕駛安全、交通效率、信息服務(wù)和管理綜合4類業(yè)務(wù)。這些業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)端可定義為流量特性、可靠實(shí)時(shí)特性、忙時(shí)特性、移動(dòng)性、觸發(fā)特性和附著特性的量化組合]。但相關(guān)研究.]尚缺少針對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)中車(chē)輛業(yè)務(wù)通信的系統(tǒng)建模，都是在網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)多要素預(yù)測(cè)單一業(yè)務(wù)特性的變化。因此，對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)卸載策略而言，建立業(yè)務(wù)模型呈現(xiàn)車(chē)聯(lián)網(wǎng)中多種業(yè)務(wù)特性對(duì)邊緣計(jì)算效率的影響有重要意義。目前Zhu等[12將具備間歇傳輸特性的衛(wèi)星業(yè)務(wù)傳輸過(guò)程建模為基于馬爾可夫鏈蒙特卡羅的馬爾可夫調(diào)制服務(wù)過(guò)程（markov chain monte carlo based markov modulated service process，MMSP）模型，證明了MMSP模型可用于鏈路層業(yè)務(wù)建模，并呈現(xiàn)到達(dá)業(yè)務(wù)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移過(guò)程。

除業(yè)務(wù)類型外，邊緣計(jì)算中業(yè)務(wù)卸載與MEC、OBU2端的CPU計(jì)算周期速率也息息相關(guān)13]。相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，Peng等[4在設(shè)計(jì)聯(lián)合緩存和卸載策略時(shí)考慮了應(yīng)用程序服務(wù)提供商的租賃成本和不同車(chē)輛計(jì)算能力的差異，戚艾林等[15]在設(shè)計(jì)卸載策略時(shí)考慮了車(chē)輛快速移動(dòng)導(dǎo)致的回傳時(shí)延問(wèn)題。由于CPU計(jì)算周期和分配策略分屬物理層和網(wǎng)絡(luò)層，難以在最優(yōu)化模型中考慮CPU計(jì)算周期對(duì)數(shù)據(jù)量的變化影響，上述研究都假設(shè)業(yè)務(wù)卸載量不會(huì)導(dǎo)致OBU緩存溢出，不考慮雙端計(jì)算速率的差異而進(jìn)行業(yè)務(wù)卸載，卸載業(yè)務(wù)的計(jì)算數(shù)據(jù)容易導(dǎo)致OBU緩存溢出或欠載。OBU卸載任務(wù)時(shí)往往依據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的OBU緩存容量進(jìn)行分配，但當(dāng)MEC處理并回傳任務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)、OBU的緩存容量已發(fā)生變化。由于MEC計(jì)算任務(wù)和數(shù)據(jù)回傳都存在時(shí)延且MEC的CPU計(jì)算周期數(shù)比OBU大。在MEC計(jì)算任務(wù)和進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳時(shí)，OBU由于并行處理本地業(yè)務(wù)會(huì)導(dǎo)致緩存量較分配任務(wù)時(shí)增多或減少。在接收MEC數(shù)據(jù)時(shí)，OBU容易因業(yè)務(wù)卸載量分配有誤出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出或欠載。為了設(shè)計(jì)跨層優(yōu)化策略，鏈路層評(píng)估框架已證實(shí)是有效的。耿珂等將車(chē)輛高速移動(dòng)的影響抽象為信道相關(guān)系數(shù)，采用蒙特卡羅方法進(jìn)行鏈路層仿真。Zhang等為在考慮異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的同時(shí)分析網(wǎng)絡(luò)性能，將各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸建模為排隊(duì)模型，基于馬爾可夫分析方法建立了鏈路層策略評(píng)估框架。

考慮到業(yè)務(wù)常規(guī)的流量特性、可靠實(shí)時(shí)特性、觸發(fā)特性和忙時(shí)特性，研究利用馬爾可夫模型對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)建模，通過(guò)離散排隊(duì)分析完成業(yè)務(wù)時(shí)變性的量化業(yè)務(wù)模型。此外，借助MMSP模型，在對(duì)OBU和服務(wù)器的數(shù)據(jù)流排隊(duì)分析時(shí)，考慮雙端傳輸速率提出一種通用化評(píng)估框架。該框架完成了業(yè)務(wù)類型的模塊化標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)傳輸環(huán)境的可配置性，提供諸如吞吐量、拒絕率和排隊(duì)時(shí)延等系統(tǒng)指標(biāo)。借助該框架，基于概率分布提出一種跨層的卸載反饋策略。

1系統(tǒng)模型

1.1 基礎(chǔ)模型

考慮移動(dòng)的單個(gè)車(chē)輛和MEC服務(wù)器之間計(jì)算任務(wù)的數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程，如圖1所示。車(chē)輛在移動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生娛樂(lè)業(yè)務(wù)、安全性業(yè)務(wù)等需求，這些業(yè)務(wù)需求被車(chē)載單元根據(jù)業(yè)務(wù)類型和流行度等因素卸載到本地或者M(jìn)EC服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果最終回傳到車(chē)載單元進(jìn)行處理顯示。

假設(shè)在業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，所有數(shù)據(jù)都以離散數(shù)據(jù)包的形式傳輸，且數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程都是如圖2所示的固定時(shí)隙結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)竭_(dá)業(yè)務(wù)量過(guò)多出現(xiàn)溢出時(shí)，溢出部分在服務(wù)器處理，其他業(yè)務(wù)在本地處理，否則將業(yè)務(wù)依據(jù)業(yè)務(wù)特性卸載到服務(wù)器或者OBU。每個(gè)時(shí)隙由3個(gè)弱關(guān)聯(lián)的流程組成：業(yè)務(wù)的產(chǎn)生到達(dá)流程、車(chē)輛對(duì)業(yè)務(wù)的處理流程及云端業(yè)務(wù)的處理反饋流程。假定車(chē)輛本地的業(yè)務(wù)處理和傳輸速率為時(shí)不變，且車(chē)輛本地接收到達(dá)業(yè)務(wù)和處理業(yè)務(wù)時(shí)不會(huì)發(fā)生業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)包遺漏。此外，假設(shè)MEC服務(wù)器的任務(wù)處理過(guò)程不存在業(yè)務(wù)請(qǐng)求和數(shù)據(jù)包丟失。

圖1系統(tǒng)模型

Fig.1 Systemmodel

圖2業(yè)務(wù)處理時(shí)隙圖

考慮車(chē)輛和服務(wù)器處理傳輸速率差距的系統(tǒng)讀寫(xiě)流程如圖3所示。根據(jù)時(shí)隙的主要特征，或者占用時(shí)隙主要時(shí)長(zhǎng)的階段不同，可以把時(shí)隙分為寫(xiě)入業(yè)務(wù)、繁忙和溢出3種。寫(xiě)入時(shí)隙代表大量業(yè)務(wù)寫(xiě)人的時(shí)隙，繁忙時(shí)隙代表算力主要用來(lái)處理業(yè)務(wù)計(jì)算和處理的時(shí)隙，溢出時(shí)隙代表服務(wù)器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量過(guò)大導(dǎo)致OBU緩存區(qū)溢出。溢出時(shí)隙數(shù)據(jù)包會(huì)被丟棄，因此，下一時(shí)隙仍需要重新計(jì)算和回傳數(shù)據(jù)包。

Fig.2 Time slot diagramofbusinessprocessing

圖3處理速率下系統(tǒng)的讀寫(xiě)示意圖

Fig.3Schematicdiagramof system r/w atprocessingrates

1.2馬爾可夫調(diào)制業(yè)務(wù)模型

為了能在評(píng)估服務(wù)器到端傳輸性能時(shí)靈活調(diào)控到達(dá)業(yè)務(wù)的特性，從業(yè)務(wù)流量特性、觸發(fā)特性、可靠實(shí)時(shí)特性和忙時(shí)特性4個(gè)業(yè)務(wù)特征對(duì)所有業(yè)務(wù)進(jìn)行重新定義。

假設(shè)OBU的容量為 L_b ，云端車(chē)載的容量為 L_?m=L_?b+L_α，L_α 為輸入單元可以發(fā)送數(shù)據(jù)包的最大數(shù)量。業(yè)務(wù)流量特性的狀態(tài)總數(shù)為 S_n ，第 i_n 種業(yè)務(wù)流量特性到達(dá)狀態(tài)下業(yè)務(wù)包量 n_i 服從分布 （20 ，其中， 表示傳輸 j_n 個(gè)數(shù)據(jù)包的概率， i_n∈D={1，2，…，S_n}，j_n∈{0，1 2，…，L_a–1} 。業(yè)務(wù)流量特性到達(dá)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移服從狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣 I

式中 表示當(dāng)前時(shí)隙為第 i 種流量特性到達(dá)狀態(tài)，下一時(shí)隙為第 j 種流量特性到達(dá)狀態(tài)的概率。當(dāng)前時(shí)隙業(yè)務(wù)可靠實(shí)時(shí)特性的到達(dá)狀態(tài)是 i_l∈K={1，2，…，S_l} 時(shí)， S_? 是可靠實(shí)時(shí)特性到達(dá)狀態(tài)的總數(shù)，可靠實(shí)時(shí)特性 l_i 服從分布 L_? 表示該狀態(tài)總數(shù)。業(yè)務(wù)可靠實(shí)時(shí)特性到達(dá)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移服從狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣 T

當(dāng)前時(shí)隙業(yè)務(wù)觸發(fā)特性的到達(dá)狀態(tài)是i ∈E={1，2，…S_z} 時(shí)，觸發(fā)特性 z_i 服從分布 ，其中， L_z 表示該狀態(tài)總數(shù)， S_z 是觸發(fā)特性到達(dá)狀態(tài)總數(shù)。業(yè)務(wù)觸發(fā)特性到達(dá)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移服從狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣 G （24

業(yè)務(wù)特性的忙時(shí)特性 w∈O={1，2，…，8} 是指某一特性業(yè)務(wù)在一天中一段時(shí)間內(nèi)集中爆發(fā)的性質(zhì)[18]。依據(jù)業(yè)務(wù)特性，存在 w_n∈{0，1}，w_l∈{0，1} 和 w_z∈{0，1} 分別表示業(yè)務(wù)流量特性、可靠實(shí)時(shí)特性和觸發(fā)特性的忙時(shí)特性。為方便表示，令 w=w_n+2w_l+4w_z 。各特性業(yè)務(wù)的爆發(fā)密度由忙時(shí)集中系數(shù) 0?u?1 呈現(xiàn)，爆發(fā)時(shí)長(zhǎng)由忙時(shí)時(shí)長(zhǎng) 0?r?24 呈現(xiàn)。假設(shè)所有特性業(yè)務(wù)的忙時(shí)集中系數(shù)閾值為 u₀ 、忙時(shí)時(shí)長(zhǎng)的閾值為 r₀ ，則依據(jù)實(shí)際忙時(shí)集中系數(shù)和忙時(shí)時(shí)長(zhǎng)，可表示一段時(shí)間內(nèi)流量特性業(yè)務(wù)是否存在集中爆發(fā)的特征。當(dāng)忙時(shí)集中系數(shù)大于 u₀ ，爆發(fā)時(shí)長(zhǎng)短于 r₀ 時(shí)， w_n=1 表示流量特性業(yè)務(wù)在短時(shí)間內(nèi)存在集中爆發(fā)的特性，反之為不存在集中爆發(fā)的特性

此外，當(dāng) w_n=1 時(shí)，到達(dá)業(yè)務(wù)的流量特性根據(jù)馬爾可夫調(diào)制得到。當(dāng) w_n=0 時(shí)，到達(dá)業(yè)務(wù)的流量特性狀態(tài)依據(jù)流量特性到達(dá)的穩(wěn)態(tài)分布 π_n 采樣獲得。

1.3 緩存模型

為方便計(jì)算性能評(píng)估指標(biāo)，將OBU和MEC服務(wù)器實(shí)體建模為數(shù)據(jù)包緩存隊(duì)列。MEC服務(wù)器內(nèi)存儲(chǔ)的業(yè)務(wù)類型 l 服從分布

式中： i_ψ=w+8i_z+8S_zi_l+8S_zS_li_n 表示流量特性狀態(tài)為 i_n ，可靠實(shí)時(shí)特性狀態(tài)為 i_ι， ，觸發(fā)特性狀態(tài)為 i_z ，忙時(shí)特性為 w 的業(yè)務(wù)； 表示業(yè)務(wù)類型為 i_ψ 產(chǎn)生的概率。 S_n=8S_nS_lS_z 為到達(dá)業(yè)務(wù)特征狀態(tài)的總數(shù)， S_n 為流量特性到達(dá)狀態(tài)總數(shù) ?_?S_ι 為可靠實(shí)時(shí)特性到達(dá)狀態(tài)總數(shù) ??S_z 為觸發(fā)特性到達(dá)狀態(tài)總數(shù)。相似的，OBU端內(nèi)存儲(chǔ)的業(yè)務(wù)類型L 服從分布

因此，根據(jù)業(yè)務(wù)類型的狀態(tài)可得雙端存儲(chǔ)業(yè)務(wù)的4個(gè)特征的狀態(tài)。當(dāng)前時(shí)隙數(shù)據(jù)包在卸載前，OBU中數(shù)據(jù)包的數(shù)量被表示為 b∈P={0，1，…，L_b} ，且 b 服從如下概率分布

式中： 表示卸載前OBU中存在 b 個(gè)數(shù)據(jù)包的概率； 。OBU的 L_b+1 種緩存狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率可以用 B 表示為

式中： 表示上一時(shí)隙OBU緩存內(nèi)存在 i 個(gè)數(shù)據(jù)包，且本時(shí)隙存在 j 個(gè)數(shù)據(jù)包的概率。分配后車(chē)載端存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包數(shù)量滿足的概率分布被 φ₁ⁿ 表示，MEC服務(wù)器向車(chē)載端傳輸后車(chē)載端內(nèi)數(shù)據(jù)包數(shù)量服從的概率分布為 φ₂ⁿ，φ₃ⁿ ，是OBU處理數(shù)據(jù)包后其內(nèi)部數(shù)據(jù)包數(shù)量滿足的概率分布。當(dāng)前時(shí)隙數(shù)據(jù)包分配前MEC服務(wù)器內(nèi)包含的數(shù)據(jù)包數(shù)量描述為 u∈U={0，1，…，L_m} ，且被規(guī)定服從概率分布

ψ₀ⁿ=[ψ₀ⁿ（0），…，ψ₀ⁿ（i），…，ψ₀ⁿ（L_m）]

MEC服務(wù)器的 L_m+1 種緩存狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率則可以用 _J 表示

式中： 表示上一時(shí)隙MEC服務(wù)器緩存內(nèi)存在 i 個(gè)數(shù)據(jù)包，且本時(shí)隙存在 j 個(gè)數(shù)據(jù)包的概率。

1.4馬爾可夫調(diào)制通信模型

車(chē)輛和服務(wù)器之間的通信采用取自HIPERLAN/2和IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)的AMC調(diào)制方式。單車(chē)輛模型考慮噪聲信道，將傳輸信道的信噪比劃分為 N_sNR 個(gè)SNR狀態(tài)?？紤]到傳輸信道的時(shí)變性，將 N_sNR 個(gè)SNR信道條件狀態(tài)的演化建模為馬爾可夫鏈[-20]。該模型由 N_sNR×N_sNR 的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣 F 描述

式中： 表示信道的信道條件狀態(tài)由上一時(shí)隙狀態(tài) i 轉(zhuǎn)移為本時(shí)隙狀態(tài) j 的概率。若當(dāng)前時(shí)隙信道條件狀態(tài)為 c∈Q={1，2，…，N_sNR} ，根據(jù)調(diào)制方案可以獲得信道條件狀態(tài)為 c 的傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)包傳輸概率分布 ξ_c^channel

ξ_c^channel=[p_c^channel（0），…，p_c^channel（j），…，p_c^channel（L_b）]，

式中： p_c^channel（j） 信道條件狀態(tài)為 Ψ_c 時(shí)，當(dāng)前時(shí)隙內(nèi)傳輸 j 個(gè)數(shù)據(jù)包的概率。

2 隊(duì)列服務(wù)分析框架

2.1 隊(duì)列分析

為推導(dǎo)出系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，筆者用排隊(duì)理論分析數(shù)據(jù)包的傳遞過(guò)程。

1）業(yè)務(wù)到達(dá)過(guò)程

在給定流量特性的忙時(shí)特性 w_n 基礎(chǔ)上，依據(jù)馬爾可夫調(diào)制過(guò)程獲取當(dāng)前時(shí)隙到達(dá)業(yè)務(wù)流量 n 服從的概率分布為

式中： 表示數(shù)據(jù)到達(dá)過(guò)程可能到達(dá)的最大數(shù)量； 表示在 i_n 狀態(tài)下到達(dá) j_n 個(gè)數(shù)據(jù)包的概率。

2）業(yè)務(wù)卸載過(guò)程

當(dāng)前時(shí)隙到達(dá)業(yè)務(wù)的可靠實(shí)時(shí)特征為 l_i， ，服從分布為 ξ_i^l（ 2 a_b 和 a_s 分別表示到達(dá)業(yè)務(wù)分配給OBU和MEC服務(wù)器的待處理數(shù)據(jù)包數(shù)量。分配過(guò)程可以用2者服從的概率分布向量 τ 和 描述。OBU當(dāng)前階段的業(yè)務(wù)類型為 L_o ，其代表的業(yè)務(wù)流量類型 L₀ⁿ 服從分布

φ₀ⁿ=[φ₀ⁿ（0），…，φ₀ⁿ（b），…，φ₀ⁿ（L_b）]°

當(dāng)下業(yè)務(wù)的卸載主要依賴于業(yè)務(wù)的流量特征和可靠實(shí)時(shí)特性特征。當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量過(guò)大會(huì)溢出OBU緩存時(shí)，溢出部分卸載到服務(wù)器處理。當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量較小時(shí)，可靠實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)在本地處理，其他業(yè)務(wù)在云端處理。當(dāng)?shù)竭_(dá)業(yè)務(wù)流量使OBU溢出時(shí)，卸載到服務(wù)器的業(yè)務(wù)流量 a_s 服從分布 ，該分布滿足如下關(guān)系

式中： 表示在當(dāng)前到達(dá)狀態(tài)下業(yè)務(wù)到達(dá) j_n 個(gè)數(shù)據(jù)包的概率。保留OBU端的業(yè)務(wù)流量 a_b 服從的分布 τ^′= Conv ）。因此考慮保存在OBU端的業(yè)務(wù)流量服從分布為

式中： λ_ι 為可靠實(shí)時(shí)特性閾值，對(duì)應(yīng)的保存在服務(wù)器端的業(yè)務(wù)流量 a_s 服從的分布 y=Conv（r，τ^-1） ，其中 τ^-1 表示 τ 的轉(zhuǎn)秩分布?？紤]到車(chē)載端和服務(wù)器端處理速率的差距[2]， u_H 和 u_?L 分別表示單次業(yè)務(wù)處理過(guò)程中OBU端和服務(wù)器端處理業(yè)務(wù)所需要的時(shí)隙數(shù)。OBU的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量在業(yè)務(wù)卸載后服從分布 φ₁ⁿ=T（φ₀ⁿ，τ，ν_?H） ，服務(wù)器端的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量服從分布 ψ₁ⁿ=T（ψ₀ⁿ，τ，ν_?L） 。其中， T（x，y，z） 為

3）結(jié)果反饋過(guò)程

服務(wù)器向OBU回傳的數(shù)據(jù)量由任務(wù)卸載后的數(shù)據(jù)流量、信道條件和卸載反饋策略決定。依據(jù)卸載反饋策略，服務(wù)器向OBU回傳的數(shù)據(jù)量分布為

P_m=[p_m（0），…，p_m（i_m），…，p_m（L_m）]

考慮信道條件限制，當(dāng)信道條件已知時(shí)，前時(shí)隙服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)包的調(diào)制方案為 ξ_c=[p_c（0），… （204號(hào) 服務(wù)器可向OBU傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量服從分布 ω=[p_ω（0），…，p_ω（i_ω），…，p_ω（L_m）] 該分布滿足如下關(guān)系

因此，在服務(wù)器向OBU傳輸數(shù)據(jù)后，服務(wù)器端的數(shù)據(jù)包數(shù)量服從概率分布為 ψ₂ⁿ=T（ψ₁ⁿ，ω^-1，ν_L）₀ 考慮服務(wù)器和OBU處理速率的差異，每時(shí)隙服務(wù)器完成結(jié)果反饋后，OBU的數(shù)據(jù)包概率分布為 φ₂ⁿ=T（φ₁ⁿ，ω，ν_H）

4）數(shù)據(jù)處理過(guò)程

服務(wù)器端的觸發(fā)業(yè)務(wù)會(huì)被保存一段時(shí)間。車(chē)載端部分可靠實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)也需要保存，如地圖等較為重要的數(shù)據(jù)。假設(shè)可靠實(shí)時(shí)特性 大于 σ_ι 的業(yè)務(wù)流需要被車(chē)載端保存，觸發(fā)特性 z_i² 大于 ρ_z 的業(yè)務(wù)流會(huì)被服務(wù)器保存。則在完成數(shù)據(jù)處理后，本地端和服務(wù)器端的數(shù)據(jù)包數(shù)量服從的分布為

2.2 狀態(tài)空間

基于馬爾可夫模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，設(shè)置到達(dá)狀態(tài)、OBU緩存狀態(tài)、服務(wù)器緩存狀態(tài)和信道狀態(tài)作為主狀態(tài)，構(gòu)成系統(tǒng)狀態(tài)空間

由于到達(dá)狀態(tài)由業(yè)務(wù)流量特征狀態(tài)、可靠實(shí)時(shí)特征狀態(tài)、觸發(fā)特征狀態(tài)和忙時(shí)特性狀態(tài)4個(gè)子狀態(tài)構(gòu)成，到達(dá)狀態(tài)空間為

到達(dá)狀態(tài)空間大小為 S_h=8S_nS_lS_z ，系統(tǒng)狀態(tài)空間大小即為 。到達(dá)空間下各狀態(tài) 之間的轉(zhuǎn)移服從到達(dá)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣

式中：I是到達(dá)業(yè)務(wù)的流量特性狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣； ^T 是到達(dá)業(yè)務(wù)的可靠實(shí)時(shí)特性狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣； G 是到達(dá)業(yè)務(wù)的觸發(fā)特效狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。該空間下各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移服從系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣 T

式中： A 是到達(dá)過(guò)程狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣； B 是OBU緩存狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣； _J 是MEC服務(wù)器緩存狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣； F 是信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣； ? 是克羅內(nèi)克積; T_ij 表示系統(tǒng)狀態(tài)編號(hào)上一時(shí)隙為i，本時(shí)隙變?yōu)?j 的概率。

2.3 基于蒙特卡羅的隊(duì)列仿真

由于系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣過(guò)大，為獲取穩(wěn)態(tài)分布，使用蒙特卡羅方法對(duì)服務(wù)器到端的數(shù)據(jù)包排隊(duì)演化過(guò)程進(jìn)行仿真，如圖4所示。

5.本地計(jì) 6.依據(jù)信道狀態(tài) 單次排隊(duì)過(guò)程產(chǎn)生 成載 算業(yè)務(wù) 獲取調(diào)制方式 務(wù)器 10.各自完成業(yè)務(wù)請(qǐng)求 務(wù)卸載 業(yè)器務(wù) 據(jù)信道式 傳 務(wù)數(shù)據(jù)的處理單時(shí)隙單次仿真 記錄相關(guān)指標(biāo)2.仿真指標(biāo) No 判斷系統(tǒng) Yes開(kāi)始 1.參數(shù)設(shè)置 的初始化 是否穩(wěn)態(tài) 結(jié)束

通過(guò)對(duì)隊(duì)列模型的仿真，可得到系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分布為 π=[π（1），…，π（S_π）]. 其中 。穩(wěn)態(tài)分布和狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的關(guān)系滿足下式

π（T-E）=0，

其中， E 是單位矩陣。

為了推導(dǎo)評(píng)價(jià)指標(biāo)，規(guī)定編號(hào)為 i 的系統(tǒng)狀態(tài)為 ?_i（a_i，b_i，u_i，c_i） ，系統(tǒng)狀態(tài)編號(hào)與到達(dá)狀態(tài)、OBU緩存狀態(tài)、服務(wù)器緩存狀態(tài)、信道狀態(tài)滿足如下關(guān)系

2.4性能指標(biāo)推導(dǎo)

評(píng)估框架采用平均隊(duì)長(zhǎng)、平均吞吐、平均拒絕和平均時(shí)延作為性能評(píng)估指標(biāo)。

1）平均隊(duì)長(zhǎng)指標(biāo)

平均隊(duì)長(zhǎng)指標(biāo)定義為單位時(shí)隙內(nèi)OBU緩存與服務(wù)器緩存的隊(duì)長(zhǎng)之和。結(jié)合穩(wěn)態(tài)分布，平均隊(duì)長(zhǎng)指標(biāo)為

式中： π（i） 表示穩(wěn)定狀態(tài)下系統(tǒng)狀態(tài)為第 i 種狀態(tài)的概率； b_i 表示第 i 種系統(tǒng)狀態(tài)下的OBU隊(duì)長(zhǎng)； u_i 表示第 i 種系統(tǒng)狀態(tài)下的服務(wù)器隊(duì)長(zhǎng)。

2）平均吞吐指標(biāo)

平均吞吐指標(biāo)定義為單位時(shí)隙內(nèi)MEC向OBU傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量。在編號(hào)為 i 的狀態(tài)下，吞吐 k 個(gè)數(shù)據(jù)包的概率 為

式中：在給定系統(tǒng)狀態(tài) i 下，信道條件狀態(tài)為 c 時(shí) p_c（k） 表示信道傳輸 k 個(gè)數(shù)據(jù)包的概率； φ₂ⁿ（k） 表示MEC服務(wù)器向OBU傳輸后OBU內(nèi)數(shù)據(jù)包數(shù)量為 k 個(gè)數(shù)據(jù)包的概率。考慮穩(wěn)態(tài)下部分系統(tǒng)狀態(tài)會(huì)吞吐相同數(shù)量的數(shù)據(jù)包，吞吐 k 個(gè)數(shù)據(jù)包的概率 為

平均吞吐為

3）平均拒絕指標(biāo)

平均拒絕指標(biāo)定義為單位時(shí)隙內(nèi)MEC服務(wù)器向OBU傳輸卻因OBU溢出而被丟棄的數(shù)據(jù)包數(shù)量。在編號(hào)為 i 的狀態(tài)下拒絕 k 個(gè)數(shù)據(jù)包的概率 P_rejection（i，k） 為

式中： b_i 是在狀態(tài)編號(hào)為 i 的情況下OBU的初始隊(duì)長(zhǎng)； p_m（j） 是MEC向OBU回傳時(shí)傳輸 j 個(gè)數(shù)據(jù)包的概率?？紤]狀態(tài)空間的所有狀態(tài)，有穩(wěn)態(tài)下拒絕 k 個(gè)數(shù)據(jù)包的概率為 P_rejection（k）

則傳輸系統(tǒng)的平均拒絕表示為

4）平均時(shí)延指標(biāo)

高觸發(fā)特性業(yè)務(wù)在數(shù)據(jù)處理時(shí)存在復(fù)用情況，因此，計(jì)算時(shí)延不考慮觸發(fā)特性數(shù)據(jù)包情況，定義時(shí)延指標(biāo)為單個(gè)數(shù)據(jù)包從到達(dá)傳輸系統(tǒng)到傳輸所用時(shí)隙數(shù)

式中： n 是當(dāng)前時(shí)隙到達(dá)業(yè)務(wù)的流量特性； i_z 表示第 i 種系統(tǒng)狀態(tài)下到達(dá)業(yè)務(wù)的觸發(fā)特性狀態(tài)； ρ_z 為數(shù)據(jù)處理時(shí)會(huì)被服務(wù)器保存的觸發(fā)特性狀態(tài)閾值。

3反饋策略的數(shù)學(xué)模型

3.1 策略的原理

研究將所有時(shí)隙分為如圖5所示的直傳時(shí)隙和調(diào)整時(shí)隙。目前MEC服務(wù)器在直傳時(shí)隙完成對(duì)傳輸過(guò)程的評(píng)估，并進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸。在調(diào)整時(shí)隙，MEC服務(wù)器需要根據(jù)觀測(cè)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果調(diào)整預(yù)測(cè)的OBU緩存分布。

圖5預(yù)測(cè)時(shí)隙圖

Fig.5Predictiontimeslotplot

假設(shè)傳輸性能穩(wěn)定所需的時(shí)間為 t_observe ，則 t_?0 到 t_observe-1 為直傳時(shí)隙，數(shù)據(jù)傳輸性能優(yōu)于預(yù)設(shè)指標(biāo)值，MEC服務(wù)器直接將數(shù)據(jù)包傳輸至OBU。 t_observe 時(shí)隙為調(diào)整時(shí)隙，數(shù)據(jù)傳輸性能劣于預(yù)設(shè)指標(biāo)值，MEC服務(wù)器根據(jù)觀測(cè)時(shí)隙統(tǒng)計(jì)的排隊(duì)情況對(duì)預(yù)測(cè)隊(duì)長(zhǎng)分布進(jìn)行調(diào)整，依據(jù)該分布發(fā)送數(shù)據(jù)包到OBU。

3.2兩種反饋策略的數(shù)學(xué)模型

基于以上預(yù)測(cè)模型，在每個(gè)觀測(cè)時(shí)隙，MEC服務(wù)器預(yù)測(cè)的車(chē)載端空余隊(duì)長(zhǎng)分布可表示為

式中： 表示預(yù)測(cè)車(chē)載端可存人 i 個(gè)數(shù)據(jù)包的概率。結(jié)合反饋策略對(duì)預(yù)測(cè)空余隊(duì)長(zhǎng)分布進(jìn)行修正，可獲取MEC服務(wù)器向OBU傳輸數(shù)據(jù)包數(shù)量遵循的概率分布向量

式中： P_m（i） 表示MEC服務(wù)器向OBU傳輸 i 個(gè)數(shù)據(jù)包的概率。根據(jù)空余隊(duì)長(zhǎng)期望 ，可以建立傳統(tǒng)的本地計(jì)算機(jī)制（allocal computing mechanism，ALCM）、基于邊緣緩存的全卸載計(jì)算機(jī)制（alloffoadingcomputing mechanism with caching，AOCM）、基于邊緣緩存的V2I卸載機(jī)制（V2I collborative caching and re-source allocation，V2I-CCRA）[5和提出的概率傳輸策略（probability transport strategy，PTS）數(shù)學(xué)模型。ALCM策略需要將所有任務(wù)在車(chē)載端進(jìn)行計(jì)算處理，AOCM策略需要將所有任務(wù)都卸載到OBU進(jìn)行計(jì)算。ALCM、AOCM、V2I-CCRA和PTS策略可分別用 P_m¹，P_m²，P_m³ 和 P_m⁴ 表示

4數(shù)值分析

研究提出的評(píng)估框架最顯著優(yōu)點(diǎn)是可以靈活控制評(píng)估框架中的到達(dá)業(yè)務(wù)類型、信道環(huán)境、反饋策略、OBU和MEC服務(wù)器的硬件設(shè)置。為了簡(jiǎn)化計(jì)算量，對(duì)信道狀態(tài)和所有業(yè)務(wù)特征都僅考慮2種到達(dá)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)狀態(tài)矩陣也僅考慮2種 和 設(shè)定OBU處理時(shí)隙間隔為 u_?H=1 （時(shí)隙/業(yè)務(wù)），服務(wù)器端處理時(shí)隙間隔為 u_/L=2 （時(shí)隙/業(yè)務(wù)），到達(dá)業(yè)務(wù)流量特性、可靠實(shí)時(shí)特性和觸發(fā)特性的忙時(shí)特性狀態(tài)為w_n=w_l=w_z=0 ，其他默認(rèn)參數(shù)如表1所示。

表1默認(rèn)參數(shù)

Table1 Defaultparameters

為了評(píng)估當(dāng)前提出策略的性能，將其與ALCM，AOCM和V2I-CCRA ^[s]3 種策略進(jìn)行性能比較。圖6清晰地展示了反饋策略對(duì)傳輸性能的影響。設(shè)置參數(shù)如表2所示，考察大量、高可靠實(shí)時(shí)特性的不流行業(yè)務(wù)。設(shè) ， p=0，0.1，…，1 。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，V2I-CCRA策略和提出的PTS策略的各項(xiàng)性能都比傳統(tǒng)的ALCM和AOCM策略優(yōu)越 50% 以上，而PTS策略和V2I-CCRA策略下的吞吐、拒絕指標(biāo)則近似相當(dāng)，PTS策略下的時(shí)延指標(biāo)比V2I-CCRA策略下優(yōu)越 5%～30% 。由于到達(dá)的重要不流行業(yè)務(wù)會(huì)在OBU端進(jìn)行處理和傳輸，隨著信道通信環(huán)境變差，傳輸系統(tǒng)的吞吐量變小，拒絕包數(shù)變多、系統(tǒng)時(shí)延變大。仿真結(jié)果證實(shí)了PTS策略的有效性，證明了本系統(tǒng)可以較明確地評(píng)估采用不同策略的傳輸系統(tǒng)在不同類型到達(dá)業(yè)務(wù)下的性能。

表2仿真2到達(dá)狀態(tài)對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)特性

Table2 Characteristics of thearrival statein simulation2

為了驗(yàn)證到達(dá)模型的合理性和系統(tǒng)對(duì)到達(dá)模型的兼容性，設(shè)置參數(shù)如表3所示，圖7展示了當(dāng)不同類型業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)，隨著OBU容量變大，傳輸系統(tǒng)在給定反饋策略和卸載策略下的性能。當(dāng)OBU容量逐漸變大時(shí)，由于不重要業(yè)務(wù)會(huì)優(yōu)先存儲(chǔ)在MEC服務(wù)器，OBU吞吐量不變。由于反饋策略和OBU容量的限制，MEC服務(wù)器反饋數(shù)據(jù)包的數(shù)量存在上限。當(dāng)不重要業(yè)務(wù)到達(dá)量逐漸增多時(shí)，OBU終端拒絕的數(shù)據(jù)包也會(huì)變多。時(shí)延指標(biāo)則體現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)不重要業(yè)務(wù)的存儲(chǔ)量存在最大限度。此外，到達(dá)狀態(tài)2～5在所有性能上波動(dòng)都不超過(guò)自身的 1%～2.5% ，說(shuō)明傳輸系統(tǒng)中可靠實(shí)時(shí)特性和流量特性變化對(duì)系統(tǒng)性能影響較小、在設(shè)計(jì)卸載策略和反饋策略時(shí)可以較少考慮。但相較到達(dá)狀態(tài)6和7下的傳輸性能，差距達(dá)到自身的 25%～33% ，可以認(rèn)定流行特性的忙時(shí)特性對(duì)策略和傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較為重要。

為了探究服務(wù)器和OBU處理器速率對(duì)系統(tǒng)性能的影響，在圖8中逐漸降低OBU傳輸速率，并控制服務(wù)器的處理速率比OBU處理速率低一個(gè)時(shí)隙，考慮到達(dá)業(yè)務(wù)到達(dá)狀態(tài)如表3所示。如圖8所示，隨著OBU和服務(wù)器的處理速率降低，系統(tǒng)的傳輸性能普遍降低為初始性能的 80% 左右。但在到達(dá)狀態(tài)7下系統(tǒng)的性能一直保持較好的水平且波動(dòng)不超過(guò)最好狀態(tài)的 15% ，說(shuō)明當(dāng)?shù)竭_(dá)業(yè)務(wù)具備量少、觸發(fā)特性和忙時(shí)特性時(shí)，可以采用處理性能較差的傳輸系統(tǒng)。

表3仿真3業(yè)務(wù)到達(dá)狀態(tài)對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)特性

Table3 Characteristicsofthearrival stateinsimulation3

綜上所述，所提的框架可以在評(píng)估服務(wù)器到端的傳輸性能時(shí)靈活調(diào)控卸載反饋策略、傳輸環(huán)境等多種參數(shù)，對(duì)到達(dá)業(yè)務(wù)的各項(xiàng)特性量化效果良好，為設(shè)計(jì)卸載反饋策略、評(píng)估傳輸性能提供參考。

5結(jié)論

針對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)中業(yè)務(wù)類型的爆發(fā)式增長(zhǎng)和時(shí)變特性、在一定成本限制下使卸載反饋策略的設(shè)計(jì)更能滿足傳輸需求，筆者提出了時(shí)變多類型業(yè)務(wù)下的通用緩存調(diào)度分析框架。該框架是基于馬爾可夫鏈蒙特卡羅的馬爾可夫調(diào)制服務(wù)過(guò)程模型，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)類型在量和時(shí)變程度上的極大可配置性，針對(duì)不同的卸載反饋策略提供傳輸性能指標(biāo)，為更好設(shè)計(jì)卸載反饋策略提供參考?；谠摽蚣埽芯刻岢鲆环N卸載反饋策略，并探究了不同卸載反饋策略、不同處理器硬件配置和到達(dá)不同類型業(yè)務(wù)在傳輸性能上的相關(guān)性，指出卸載反饋策略以及不同的處理器配置適合處理業(yè)務(wù)的類型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該框架可以在考慮多類型時(shí)變業(yè)務(wù)情況下，適應(yīng)不同的卸載反饋策略并量化處理器速率以呈現(xiàn)卸載反饋策略和處理器速率對(duì)傳輸系統(tǒng)的影響，為選取處理器和設(shè)計(jì)卸載反饋策略提供參考。研究可以為建立車(chē)聯(lián)行為的綜合分析模型提供參考，為6G多傳感器通感一體化前景提供仿真模型。但目前由于計(jì)算復(fù)雜度，框架僅能考慮一對(duì)邊緣服務(wù)器和車(chē)輛，后續(xù)研究以降低框架復(fù)雜度、建立車(chē)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型作為研究目標(biāo)。

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（編輯 侯湘）