一种基站关联和模块休眠的优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基站关联和模块休眠的优化方法，以最大化传输速率同时最小化能耗开销为基准，在机会网络环境中首先动态构建节点初始信息，节点包括集中控制器、基站和车辆三类；车辆通过传感器收集车内外信息，并将该信息上传给基站；基站将收集到的车辆信息通过前端链路上传给集中控制器；集中控制器基于全局信息执行算法得到基站模块休眠决策和基站与车辆的关联决策，然后下发给基站；基站根据决策执行模块休眠或启动操作，完成与车辆的关联并给车辆分配传输功率。车辆可将计算任务通过基站上行链路卸载到边缘服务器进行计算，边缘服务器再将计算结果通过基站下行链路发送给车辆。本发明专利技术使得车辆通信中获得最大的传输速率并且消耗最少能耗。

【技术实现步骤摘要】
一种基站关联和模块休眠的优化方法
本专利技术属于数据传输
，更具体的说是涉及一种基站关联和模块休眠的优化方法。
技术介绍
随着物联网技术的蓬勃发展，车联网作为物联网的典型应用，利用车载传感装置获取车辆运行参数和道路等交通基础设施的使用状态，实时感知交通路况，并且通过网络完成信息的互联互通，为用户提供更加丰富、智能和安全的出行服务。其中，车辆需迅速将通过传感器采集到的车内、外海量信息进行分析和处理，然后根据计算结果辅助用户驾驶，比如规避行人、减速慢行等。以上应用都是计算密集和延迟敏感的，由于车辆本身有限的计算能力和电量能源，其不能很好地满足这些应用的计算资源和延时需求。移动边缘计算的出现旨在使得移动计算更加高效和环保。移动边缘计算在网络边缘提供了计算资源，提供低延迟、可靠的、高效的计算服务。车辆可以将传感器采集到的信息和计算密集型任务通过无线接入网络上行链路卸载到边缘服务器上，利用边缘服务器强大的计算能力完成海量信息的整合和处理，并通过下行链路将计算结果发送给车辆。基于边缘计算，大多数计算负荷从车辆转换到边缘服务器，显著降低车辆的能量消耗和计算延迟。然而，车辆每次卸载计算任务的同时，需要将大量的状态信息数据上传，这样不仅浪费大量的移动带宽，同时增大了计算延迟。数字孪生是终端用户或终端设备的数字表示，位于边缘云的虚拟网络中。车辆通过无线接入网络将车辆当前状态信息上传到边缘服务器，边缘服务器根据接收到的数据创建一个车辆的虚拟对象；接下来，边缘服务器根据该对象拥有的信息进行融合、分析和处理；最后，边缘服务器将计算结果通过基无线接入网发送回车辆。基于数字孪生技术，车辆只需将当前时刻发生变化的状态信息进行上传，从而降低了数据传输的带宽需求。尽管如此，由于车辆的移动性和复杂的行驶环境，现有无线接入网络架构为延迟敏感性服务提供可靠的卸载服务仍然具有挑战性。同时，如果太多的车辆选择同时将任务卸载，则有可能产生严重的计算延迟，从而降低服务质量。5G移动通信时代的到来，无线接入网络正逐步步入密集化时代，各种基站密集部署为移动用户提供高带宽、低延迟服务。其中，全双工通信和协调多点联合传输是5G实现方案中的关键技术。全双工通信已经成为无线通信数据传输系统的解决方法方案之一，相比与半双工通信，全双工通信技术使得通信节点能够在相同的频率资源上同时发送和接收信号，具有更大的系统吞吐量。协调多点联合传输是超密集网络中一种很有前景的方法，它可以充分利用一组附近的基站来联合向移动用户传输数据，以功率放大的方式显著提高用户数据速率。由于实时数据传输量是动态的，以上两种技术的关键问题在于如何进行合理的无线资源分配以提供高带宽、低延迟服务，以及进行能耗优化——密集部署的基站所有功能模块都处于活跃状态是耗费能源的。因此，提供一种基站关联和模块休眠的优化方法是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术针对上述研究现状和存在的问题，提供了一种基站关联和模块休眠的优化方法，最大化传输速率以便于提供可靠、低延迟通信，同时最小化基站能耗开销，节省能源。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基站关联和模块休眠的优化方法，包括如下步骤：(1)任务卸载通信过程：a)由车辆发起任务卸载请求，通过上行共享信道将车辆信息和上行控制信息发送给基站；b)基站接收到车辆的上传数据请求和车辆信息、上行控制信息后，将该信息和基站本身的信息通过前端链路发送给部署在边缘服务器中的集中控制器；c)集中控制器基于当前的全局信息执行单基站关联和模块休眠算法，得到基站上行链路功能模块休眠决策和基站与车辆关联的决策；d)集中控制器将决策下发给基站，基站对上行链路功能模块执行启动或休眠操作，完成与车辆的关联并分配传输功率；e)车辆将计算任务通过关联基站上行链路卸载到边缘服务器上，边缘服务器分配计算资源并执行计算任务，等运行结束即将计算结果通过基站下发给车辆；(2)发送计算结果通信过程：a)集中控制器基于当前的全局信息执行多基站关联和模块休眠算法，得到基站下行链路功能模块休眠决策和基站与车辆关联的决策；b)集中控制器将决策下发给基站，基站对下行链路功能模块执行启动或休眠操作，完成与目标车辆的关联并分配传输功率；c)边缘服务器的计算结果通过基站的下行链路发送给车辆。优选的，当车辆存在计算任务卸载请求时或者需要将计算任务结果下发给车辆时，集中控制器执行基站关联和模块休眠优化方法，具体步骤如下：①初始化所有基站的传输功能模块为休眠状态，即休眠集合S包含所有基站，活跃集合A为空集；②对于集合S中的每一个基站j，假设开启基站j并求得能分配给车辆的最大传输速率和对应的模块开销，由此得到一个序列L；③将序列L中的值从高到低进行排序，存在排序为第一的基站j，假设将j加入集合A中，通过求解单基站关联和模块休眠问题或者多基站关联和模块休眠问题计算得到能给车辆提供的传输速率及造成能源开销；如果开启基站j模块获得增益，则将基站j加入集合A，并重复步骤②③，否则，结束求解过程。优选的，在边缘云服务器集群中部署集中控制器，其维护基站和车辆的位置信息，基于这些信息执行优化方法得到基站模块休眠和基站关联决策，使得车辆能够得到最大传输速率的同时最小化基站能耗开销；根据集中控制器下发的决策，基站对相应功能模块执行启动或休眠操作，然后与车辆进行关联并分配传输功率。优选的，集中控制器维护所有基站和车辆的信息，包括基站的位置、链路带宽、能量供应功率、最大传输功率、需传输数据量大小、车辆的位置、车辆的速度。优选的，优化方法涉及任务卸载的基站上行链路资源分配和回送计算结果的基站下行链路资源分配两部分，对于上行链路，设计单基站关联和模块休眠算法，对于下行链路，设计多基站关联和模块休眠算法。优选的，基站和车辆配置全双工通信技术，同时基站配置协调多点联合传输技术，并且各个功能模块可以处于活跃和休眠两种状态：如果基站传输功能模块决策为休眠状态，则该模块进入轻度休眠状态，以节省能源；如果基站传输功能模块决策为活跃状态，则基站开启该模块，根据总关联车辆的个数，采用分时方法进行无线资源的分配。优选的，基站模块是否开启，用0-1变量y表示，和车辆与基站的关联，用0-1变量x表示，上行链路的单基站关联和模块休眠算法求解方法如下：(1)算法1：假设基站功能模块休眠状态已知，即变量y值已确定，则目标函数转换为整数线性问题，求解变量x的值；(2)算法2：基于算法1，设计一个贪心算法对变量x和y进行求解：a)初始所有基站模块都处于休眠状态，用集合S表示，则集合S包含所有基站；b)存在基站模块活跃集合A，则集合A为空集；c)根据单独开启集合S中每个基站模块，基于算法1求得x值，由此可得到目标函数值，形成序列L；选择对应最大值的基站j，将其与活跃集合A中的元素组成临时集合B，分别计算集合A和集合B的目标函数值a和b，如果a本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基站关联和模块休眠的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)任务卸载通信过程：/na)由车辆发起任务卸载请求，通过上行共享信道将车辆信息和上行控制信息发送给基站；/nb)基站接收到车辆的上传数据请求和车辆信息、上行控制信息后，将该信息和基站本身的信息通过前端链路发送给部署在边缘服务器中的集中控制器；/nc)集中控制器基于当前的全局信息执行单基站关联和模块休眠算法，得到基站上行链路功能模块休眠决策和基站与车辆关联的决策；/nd)集中控制器将决策下发给基站，基站对上行链路功能模块执行启动或休眠操作，完成与车辆的关联并分配传输功率；/ne)车辆将计算任务通过关联基站上行链路卸载到边缘服务器上，边缘服务器分配计算资源并执行计算任务，等运行结束即将计算结果通过基站下发给车辆；/n(2)发送计算结果通信过程：/na)集中控制器基于当前的全局信息执行多基站关联和模块休眠算法，得到基站下行链路功能模块休眠决策和基站与车辆关联的决策；/nb)集中控制器将决策下发给基站，基站对下行链路功能模块执行启动或休眠操作，完成与目标车辆的关联并分配传输功率；/nc)边缘服务器的计算结果通过基站的下行链路发送给车辆。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基站关联和模块休眠的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)任务卸载通信过程：
a)由车辆发起任务卸载请求，通过上行共享信道将车辆信息和上行控制信息发送给基站；
b)基站接收到车辆的上传数据请求和车辆信息、上行控制信息后，将该信息和基站本身的信息通过前端链路发送给部署在边缘服务器中的集中控制器；
c)集中控制器基于当前的全局信息执行单基站关联和模块休眠算法，得到基站上行链路功能模块休眠决策和基站与车辆关联的决策；
d)集中控制器将决策下发给基站，基站对上行链路功能模块执行启动或休眠操作，完成与车辆的关联并分配传输功率；
e)车辆将计算任务通过关联基站上行链路卸载到边缘服务器上，边缘服务器分配计算资源并执行计算任务，等运行结束即将计算结果通过基站下发给车辆；
(2)发送计算结果通信过程：
a)集中控制器基于当前的全局信息执行多基站关联和模块休眠算法，得到基站下行链路功能模块休眠决策和基站与车辆关联的决策；
b)集中控制器将决策下发给基站，基站对下行链路功能模块执行启动或休眠操作，完成与目标车辆的关联并分配传输功率；
c)边缘服务器的计算结果通过基站的下行链路发送给车辆。


2.根据权利要求1所述的一种基站关联和模块休眠的优化方法，其特征在于，当车辆存在计算任务卸载请求时或者需要将计算任务结果下发给车辆时，集中控制器执行基站关联和模块休眠优化方法，具体步骤如下：
①初始化所有基站的传输功能模块为休眠状态，即休眠集合S包含所有基站，活跃集合A为空集；
②对于集合S中的每一个基站j，假设开启基站j并求得能分配给车辆的最大传输速率和对应的模块开销，由此得到一个序列L；
③将序列L中的值从高到低进行排序，存在排序为第一的基站j，假设将j加入集合A中，通过求解单基站关联和模块休眠问题或者多基站关联和模块休眠问题计算得到能给车辆提供的传输速率及造成能源开销；如果开启基站j模块获得增益，则将基站j加入集合A，并重复步骤②③，否则，结束求解过程。


3.根据权利要求1所述的一种基站关联和模块休眠的优化方法，其特征在于，在边缘云服务器集群中部署集中控制器，其维护基站和车辆的位置信息，基于这些信息执行优化方法得到基站模块休眠和基站关联决策，使得车辆能够得到最大传输速率的同时最小化基站能耗开销；
根据集中控制器下发的决策，基站对相应功能模块执行启动或休眠操作，然后与车辆进行关联并分配传输功率。


4.根据权利要求3所述的一种基站关联和模块休眠的优化方法，其特征在于，集中控制器维护所有基站和车辆的信息，包括基站的位置、链路带宽、能量供应功率、最大传输功率、需传输数据量大小、车辆的位置、车辆的速度。


5.根据权利要求1所述的一种基站关联和模块休眠的优化方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲凌君，徐敬东，张建忠，云瑞琳，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津;12