基于移動(dòng)邊緣計(jì)算的車載網(wǎng)絡(luò)研究

邵華，牛建華，權(quán)玉龍，蔣中天

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730060）

0 引 言

近年來，隨著5G技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)駕駛技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Internet of Vehicles, IoV）的研究也越來越深入，車聯(lián)網(wǎng)的研究成為國(guó)內(nèi)外科技競(jìng)爭(zhēng)和創(chuàng)新發(fā)展的重要組成。作為智能交通的一部分，車聯(lián)網(wǎng)不僅可以解決城市交通問題，而且在車輛之間信息交互的問題上，也做出了很大貢獻(xiàn)。IoV利用無(wú)線通信技術(shù)，不斷改進(jìn)交通安全問題，實(shí)現(xiàn)了車與車（V2V）之間通信、車與路邊信息單元（V2I）之間通信，為萬(wàn)物互聯(lián)的5G時(shí)代奠定了基礎(chǔ)，提供了技術(shù)支持。

1 MEC與車載網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究

車載網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)是云計(jì)算，云計(jì)算因?yàn)槠鋸?qiáng)大的計(jì)算能力，成為大數(shù)據(jù)分析和處理的平臺(tái)，因此，車載網(wǎng)絡(luò)也會(huì)運(yùn)用它強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力以及海量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，為IoV的發(fā)展提供技術(shù)支持。但是，云計(jì)算服務(wù)器的部署一般都遠(yuǎn)離用戶端，這就造成了移動(dòng)設(shè)備與云中心服務(wù)器之間的傳輸距離過長(zhǎng)，進(jìn)而影響延遲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，從而影響了任?wù)的傳輸效率。因此，引入了移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing, MEC），它將具有計(jì)算與存儲(chǔ)功能的服務(wù)器放在了移動(dòng)用戶的附近，這樣移動(dòng)終端就可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在靠近終端的MEC服務(wù)器上，使得數(shù)據(jù)傳輸速率大大加快，并且降低了任務(wù)卸載的傳輸延遲。然而，與強(qiáng)大的傳統(tǒng)云服務(wù)器相比，MEC服務(wù)器通常會(huì)受到計(jì)算資源的限制，另一方面，計(jì)算卸載會(huì)帶來一些通信開銷，例如帶寬和功率的開銷。因此，如何有效的為基于MEC的車載網(wǎng)絡(luò)分配通信和計(jì)算資源，以保證用戶的良好體驗(yàn)至關(guān)重要。

移動(dòng)邊緣計(jì)算的提出，大大提高了車載網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)性的高要求，車載網(wǎng)絡(luò)尤其是車輛與車輛之間的通信方式（V2V）對(duì)延遲要求較高，而邊緣計(jì)算的提出，較好地解決了車聯(lián)網(wǎng)中通信連接以及數(shù)據(jù)處理及時(shí)性的問題。由于在移動(dòng)邊緣計(jì)算中，邊緣服務(wù)器放置位置的特殊性，車載網(wǎng)絡(luò)在通信過程中可以將通信數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在靠近車輛的邊緣服務(wù)器側(cè)，相當(dāng)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在車輛的附近位置，這就減少了數(shù)據(jù)傳輸對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的無(wú)效占用，降低了服務(wù)交付的時(shí)延，在一些對(duì)延遲較高的業(yè)務(wù)類型，例如事故警告、無(wú)人駕駛防碰撞等業(yè)務(wù)類型上大大提高了安全性。中國(guó)移動(dòng)科學(xué)院從2015年底就從IoV領(lǐng)域開展了移動(dòng)邊緣計(jì)算研究，在北京舉辦的2017年邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)峰會(huì)上，邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ECC）與車載信息服務(wù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用聯(lián)盟（TIAA）簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，在邊緣計(jì)算的基礎(chǔ)上，發(fā)展車載網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用上的創(chuàng)新、共同致力于推動(dòng)新的標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新，促進(jìn)邊緣計(jì)算技術(shù)與車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的共同發(fā)展。

隨著道路上車輛的增加，廣大學(xué)者對(duì)車聯(lián)網(wǎng)的研究越來越多，可以連接到互聯(lián)網(wǎng)的車輛已經(jīng)占據(jù)了相當(dāng)一部分比例。在車聯(lián)網(wǎng)中，智能設(shè)備可以通過配備相關(guān)計(jì)算單元與通信技術(shù)，提供車輛控制、交通管理與一些交互式應(yīng)用。這些應(yīng)用都需要大量的計(jì)算資源與較低的系統(tǒng)延遲。然而，通常情況下，汽車終端的計(jì)算資源是有限的，在汽車終端進(jìn)行各類計(jì)算任務(wù)對(duì)于車載網(wǎng)絡(luò)來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也針對(duì)MEC在車載網(wǎng)絡(luò)的問題，做了大量研究。文獻(xiàn)[6]針對(duì)在車載網(wǎng)絡(luò)中，由于車輛收集信息的不準(zhǔn)確、不完整和不精確以及障礙物產(chǎn)生的中斷影響，提出了將認(rèn)知無(wú)線電和軟數(shù)據(jù)融合技術(shù)應(yīng)用于車輛接入網(wǎng)，通過將車輛云與固定中央云相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種車輛網(wǎng)絡(luò)分布式車流量卸載方案。文獻(xiàn)[7]中，作者設(shè)計(jì)了一種車輛霧計(jì)算架構(gòu)，該架構(gòu)利用車輛和鄰近用戶邊緣設(shè)備的協(xié)作來進(jìn)行通信和計(jì)算。文獻(xiàn)[8]中提出了一種優(yōu)化的計(jì)算資源管理機(jī)制，以使車輛云計(jì)算（VCC）系統(tǒng)的總長(zhǎng)期預(yù)期回報(bào)最大化。然而，將計(jì)算任務(wù)卸載到移動(dòng)云服務(wù)器必須消耗返回鏈路資源，這將產(chǎn)生額外的時(shí)間消耗，無(wú)法滿足5G場(chǎng)景下低延遲、高可靠性服務(wù)的要求。

2 MEC技術(shù)在車載網(wǎng)絡(luò)中面臨的問題

將移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)引入到車載網(wǎng)絡(luò)中，主要是為了滿足車載網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)性的業(yè)務(wù)上以及5G場(chǎng)景下的海量數(shù)據(jù)連接下，移動(dòng)終端的運(yùn)維管理、網(wǎng)絡(luò)管理以及安全與隱私保護(hù)等的關(guān)鍵需求。但是，MEC仍處于發(fā)展階段，相關(guān)技術(shù)不夠成熟，將其應(yīng)用到IoV中的研究尚在起步階段。由于IoV應(yīng)用場(chǎng)景的多樣化，MEC技術(shù)和IoV技術(shù)的結(jié)合將面臨諸多挑戰(zhàn)。邊緣計(jì)算中亟待解決的問題主要集中在以下幾個(gè)方面：

（1）隨著車聯(lián)網(wǎng)用戶的激增和日益多元化的智能應(yīng)用不斷出現(xiàn)，車載終端數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)出爆炸式增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，IoV系統(tǒng)部署的規(guī)模不斷擴(kuò)大，這些大量的數(shù)據(jù)使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心和移動(dòng)終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸速率大大下降，造成嚴(yán)重的時(shí)延問題。將MEC技術(shù)應(yīng)用到IoV中可以有效解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸時(shí)延帶來的問題，如何構(gòu)建基于MEC的IoV體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)模型成為研究的首要問題。

（2）萬(wàn)物互聯(lián)的5G時(shí)代，對(duì)于車載網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算密集型任務(wù)，車輛上有限的計(jì)算和存儲(chǔ)資源難以進(jìn)行處理，通過引入移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)，可以在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)邊緣部署邊緣服務(wù)器，用來處理移動(dòng)車輛終端部分甚至全部用戶的任務(wù)請(qǐng)求，從而可以緩解網(wǎng)絡(luò)云中心的計(jì)算壓力。而在移動(dòng)邊緣計(jì)算中，如何建立計(jì)算卸載模型，如何對(duì)計(jì)算卸載到邊緣服務(wù)器的決策算法進(jìn)行優(yōu)化，提高任務(wù)卸載效率是邊緣計(jì)算中研究任務(wù)卸載技術(shù)的重中之重。在車載網(wǎng)絡(luò)中，車輛的移動(dòng)性是影響任務(wù)卸載的主要因素，如何解決車輛在快速移動(dòng)過程中的MEC服務(wù)器選擇問題，提高車輛的任務(wù)卸載效率，是不可忽視的問題之一。

（3）IoV數(shù)據(jù)信息的信任管理問題研究。IoV的持續(xù)發(fā)展建立在IoV高可靠性、高安全性的基礎(chǔ)上，IoV信息安全需求與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)安全的核心不同，由于IoV對(duì)安全性要求極高，對(duì)于通信的實(shí)時(shí)性要求也更高，需要更低的延遲。因此，對(duì)于IoV的數(shù)據(jù)信息的管理，以及車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中安全防護(hù)的研究顯得極為重要。

3 車載網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算與通信

為了解決汽車終端大量的計(jì)算需求，一種基于云中心的車載網(wǎng)絡(luò)被廣泛認(rèn)為是提高車載網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的有效方式。根據(jù)計(jì)算任務(wù)的形式，基于云中心的網(wǎng)絡(luò)可以選擇將應(yīng)用程序在汽車終端本地執(zhí)行或卸載到遠(yuǎn)程云中心進(jìn)行執(zhí)行，移動(dòng)云計(jì)算的提出大大提高了資源的利用率與計(jì)算性能。然而，考慮到計(jì)算資源容量的限制以及傳輸信息間的延遲波動(dòng)，以及云中心在距離上遠(yuǎn)離汽車終端，因此在任務(wù)卸載效率及任務(wù)傳輸速率上都有較大的缺陷，嚴(yán)重影響了任務(wù)卸載效率。移動(dòng)邊緣計(jì)算的提出有效地解決了這類問題，MEC將云中心提供的服務(wù)，放到了無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的邊緣，即在靠近移動(dòng)終端的附近提供云服務(wù)，使得傳輸數(shù)據(jù)的距離大大減少，從而降低任務(wù)卸載的延遲，提高任務(wù)傳輸效率。

在邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中，每一種任務(wù)都具有不同的資源需求，例如用于任務(wù)執(zhí)行的計(jì)算資源，還有用于任務(wù)傳輸?shù)耐ㄐ刨Y源。由于MEC服務(wù)器接入在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的邊緣，并在所連接的路邊單元（RSU）的幫助下進(jìn)行任務(wù)的傳輸。因此，MEC服務(wù)器的范圍會(huì)受到RSU的限制。由于車輛具有快速移動(dòng)的特點(diǎn)，因此在任務(wù)傳輸過程中，車輛肯定會(huì)經(jīng)過多個(gè)RSU以及MEC服務(wù)器。這時(shí)候，在任務(wù)卸載的過程中，車輛選擇哪個(gè)MEC服務(wù)器，以及什么時(shí)候進(jìn)行卸載任務(wù)，都會(huì)影響卸載效率。在車載網(wǎng)絡(luò)中，車輛可以通過各種方式連接到與MEC服務(wù)器相連接的RSU，比如車到路邊通信單元（V2I）的連接、車到車（V2V）之間的連接方式。但是在實(shí)際情況下，車輛會(huì)頻繁移動(dòng)，就會(huì)使得卸載過程變得更加復(fù)雜。為了提高任務(wù)完成效率，設(shè)計(jì)一種基于MEC的車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并能夠使MEC服務(wù)器和車輛終端之間快速地進(jìn)行任務(wù)傳輸?shù)姆桨甘呛苡斜匾摹?/p>

盡管現(xiàn)在有許多基于云中心的車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)研究，或者是關(guān)于邊緣計(jì)算技術(shù)的研究，但是基于邊緣計(jì)算的車載網(wǎng)絡(luò)研究并不多。此外，還有一些研究雖然結(jié)合了邊緣計(jì)算與車載網(wǎng)絡(luò)，但是未考慮車輛的移動(dòng)性帶來的影響。本文研究了基于移動(dòng)邊緣計(jì)算的車載網(wǎng)絡(luò)中車輛任務(wù)卸載的傳輸方式，并且針對(duì)不同類型的計(jì)算任務(wù)提出了不同優(yōu)化方式，考慮了在不同異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的任務(wù)需求以及車輛的移動(dòng)性，在分析各種卸載策略特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合V2I、V2V的傳輸特性，提出了一種預(yù)測(cè)模式傳輸方案，這種傳輸方式可以在一定延遲范圍內(nèi)，大大提高傳輸效率和任務(wù)卸載效率。

4 系統(tǒng)模型

基于邊緣計(jì)算的車載網(wǎng)絡(luò)中主要涉及的通信方式有以下幾種：

車輛到車輛（V2V）通信：車輛與車輛之間直接進(jìn)行通信，車輛充當(dāng)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的中繼設(shè)備。V2V多跳中繼通信是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，但如果跳數(shù)大于三，則可靠性會(huì)顯著降低，延遲無(wú)法保證，在實(shí)際應(yīng)用中，如果跳數(shù)小于三，則在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)。

車輛到RSU通信（V2I）：車輛通過與RSU之間通信的方式從RSU收集道路狀況數(shù)據(jù)，例如交通堵塞程度和路邊交通燈變化的數(shù)據(jù)。在所提出的架構(gòu)中，RSU不負(fù)責(zé)分組轉(zhuǎn)發(fā)，并且數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能被轉(zhuǎn)移到MEC服務(wù)器。

RSU到MEC服務(wù)器：RSU收集實(shí)時(shí)路況并將其發(fā)送到MEC服務(wù)器，MEC服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)信息決定將其在本地服務(wù)器處理還是轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)程云中心進(jìn)行處理。

MEC到遠(yuǎn)程云服務(wù)器：所有流量數(shù)據(jù)都應(yīng)該由MEC服務(wù)器進(jìn)行預(yù)處理，然后通過數(shù)據(jù)同步的方式傳遞到遠(yuǎn)程云服務(wù)器，MEC服務(wù)器通常存儲(chǔ)最近的交通數(shù)據(jù)，而遠(yuǎn)程云服務(wù)器永久存儲(chǔ)交通數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行交通預(yù)測(cè)。

本文所考慮的MEC的車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)系統(tǒng)模型如圖1所示，考慮單向的通道并存在不間斷的車流量。MEC服務(wù)器按照一定的距離部署在車輛用戶的鄰近位置，并通過有線方式連接到RSU。沿路都有RSU，設(shè)定每?jī)蓚€(gè)RSU之間的距離為L(zhǎng)，每個(gè)RSU在其傳輸范圍內(nèi)提供無(wú)線接入服務(wù)，我們?cè)O(shè)定傳輸范圍為L(zhǎng)/2。這條路可以按長(zhǎng)度分成幾段，通過V2I通信模式，在給定區(qū)段內(nèi)運(yùn)行的車輛只能訪問相應(yīng)區(qū)段內(nèi)的RSU。RSU之間通過無(wú)線回程相互通信，每個(gè)RSU都會(huì)配備一臺(tái)MEC服務(wù)器。對(duì)于一些應(yīng)用，例如語(yǔ)音識(shí)別，它的計(jì)算任務(wù)輸入數(shù)據(jù)的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)輸出的大小。為了提高無(wú)線回程的傳輸效率，任務(wù)輸入文件不能在RSU之間傳輸，也就是說，每個(gè)MEC服務(wù)器只能執(zhí)行與其連接的RSU接收的計(jì)算任務(wù)。然而，由于輸出數(shù)據(jù)較小，計(jì)算任務(wù)輸出可以通過無(wú)線回程在RSU之間傳輸。相應(yīng)的計(jì)算任務(wù)可通過V2V或者V2I兩種通信方式進(jìn)行傳輸，將傳輸數(shù)據(jù)傳遞到距離車輛最近的RSU，RSU收集這些數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打包后經(jīng)過有線通信的方式傳遞與其相連的MEC服務(wù)器。而所有MEC服務(wù)器又可以將資源信息有選擇的傳遞至云中心進(jìn)行處理或自行在本地服務(wù)器處理。

圖1 基于MEC的車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5 帶預(yù)測(cè)傳輸?shù)挠?jì)算卸載方式

車載網(wǎng)絡(luò)中車輛的頻繁移動(dòng)，使得承擔(dān)任務(wù)卸載的邊緣服務(wù)器頻繁切換，當(dāng)切換到下一個(gè)承擔(dān)任務(wù)的邊緣服務(wù)器時(shí)，切換所需傳輸?shù)拇罅繑?shù)據(jù)以及資源的重新獲取將導(dǎo)致時(shí)延增加，并加重MEC服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。通過預(yù)測(cè)車載網(wǎng)絡(luò)中車輛的運(yùn)行軌跡，提前實(shí)現(xiàn)邊緣服務(wù)器對(duì)計(jì)算資源的預(yù)分配，當(dāng)車輛到達(dá)新的RSU覆蓋區(qū)域時(shí)，就能立刻得到所需要的計(jì)算任務(wù)數(shù)據(jù)，從而提高傳輸效率，減少不必要的時(shí)延。

如圖2所示，車輛通過V2I模式，將傳輸數(shù)據(jù)卸載到MEC服務(wù)器?？紤]車輛在高速公路上行駛，如果其計(jì)算任務(wù)的完成需要較長(zhǎng)時(shí)間，則在任務(wù)執(zhí)行期間，車輛可以通過多個(gè)RSU服務(wù)區(qū)。在這種情況下，需要將MEC服務(wù)器1完成的任務(wù)發(fā)送到車輛新接入的RSU，RSU之間通過無(wú)線回程進(jìn)行通信，雖然無(wú)線回程部署簡(jiǎn)單，成本低，但是無(wú)線鏈路之間的干擾使得無(wú)線回程以低速率和不可預(yù)知的延遲傳輸，使得多跳中繼的時(shí)間開銷和傳輸成本嚴(yán)重影響了任務(wù)傳輸效率。因此，車輛采用直接到RSU的通信技術(shù)仍有很多不足。

圖2 通過V2I傳輸模式進(jìn)行任務(wù)卸載

由于道路上有大量車輛，車輛可以通過多跳V2V這種通信方式相互連接。將這些未充分利用的V2V通信資源投入使用，為車載通信網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡和延遲減少提供了很大的幫助。此外，與一些運(yùn)營(yíng)商提供的RSU接入服務(wù)不同，V2V通信總是由運(yùn)行車輛自行組織，成本遠(yuǎn)低于車輛到RSU的V2I通信。鑒于車輛到RSU的V2I技術(shù)存在的不足，提出一種具有預(yù)測(cè)模式傳輸?shù)挠?jì)算卸載方案。如圖3所示，在這種方案中，車輛將其任務(wù)輸入文件在運(yùn)行方向之前發(fā)送到MEC服務(wù)器，基于對(duì)文件傳輸時(shí)間和任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，車輛可以在完成任務(wù)的準(zhǔn)確時(shí)間到達(dá)RSU的通信區(qū)域。具體的，在車輛選擇預(yù)測(cè)模式卸載任務(wù)的情況下，首先通過多跳V2V中繼傳輸來遞送計(jì)算文件，然后在傳輸中繼的最后一跳，車輛通過V2I將文件傳輸?shù)絉SU。通過這種方式，計(jì)算任務(wù)被提前卸載到位于車輛前一路段的MEC服務(wù)器上。在計(jì)算結(jié)果輸出后，MEC服務(wù)器將計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在與其相連的RSU上，當(dāng)該車輛到達(dá)RSU傳輸范圍時(shí)，便可以直接從RSU路邊單元側(cè)獲得計(jì)算數(shù)據(jù)。采用這種方式，充分利用了車載網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力，同時(shí)大大節(jié)省了無(wú)線回程的資源。

6 結(jié) 論

本文提出了一種基于移動(dòng)邊緣計(jì)算的車載網(wǎng)絡(luò)研究方案，針對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)中車輛的頻繁移動(dòng)造成數(shù)據(jù)傳輸延遲較高以及任務(wù)卸載效率較低等問題，提出了一種預(yù)測(cè)車輛軌跡的數(shù)據(jù)傳輸方案，該方案結(jié)合了車載網(wǎng)絡(luò)中的V2I與V2V通信方式，計(jì)算任務(wù)將會(huì)預(yù)先卸載到位于該車輛前一路段的MEC服務(wù)器上，從而在保證提高任務(wù)傳輸效率的同時(shí)降低任務(wù)卸載的延遲。

圖3 通過預(yù)測(cè)傳輸方式進(jìn)行計(jì)算卸載