引用本文

代亮, 张亚楠, 钱超, 孟芸, 黄鹤. 基于车辆载带中继的路边单元突发业务分组调度最优策略. 自动化学报, 2021, 47(5): 1098−1110 doi: 10.16383/j.aas.c190054

Dai Liang, Zhang Ya-Nan, Qian Chao, Meng Yun, Huang He. Optimal packet scheduling strategy for roadside units＇  bursty traffic based on relaying vehicles. Acta Automatica Sinica, 2021, 47(5): 1098−1110 doi: 10.16383/j.aas.c190054

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c190054

关键词

车联网，路边单元，突发业务，分组调度，存储−载带−转发 

摘要

高速公路车联网场景中, 路边单元(Roadside units, RSUs)可作为多种周边监测数据的汇入网关, 其业务具有突发特性, 且可通过移动车辆以“存储−载带−转发”方式传输到与骨干网络互联的RSU. 针对RSU间业务传输问题, 源RSU可根据实时业务到达率按需匹配资源, 以应对业务突发性对分组端到端时延的影响. 本文首先针对RSU突发业务传输过程建立突发业务到达模型、车辆到达模型和离散车速状态模型; 进而利用受限马尔科夫决策过程对系统状态转移过程进行分析, 并建立非线性平均端到端时延最小化问题; 最后通过分析最优解的形式得出最优分组调度策略具有门限结构. 仿真结果验证了RSU间业务传输过程中排队时延和传播时延之间存在折中, 且该分组调度策略能降低业务传输过程的平均端到端时延.

文章导读

车联网作为协同车 − 路 − 环境的开放融合网络系统, 可为智能交通系统管理和控制提供新思路和手段[1], 还可作为物联网实体为道路及周边的事件监测作传输载体[2].

高速公路沿线部署多个RSU给行驶车辆提供信息服务是车联网的重要应用场景. RSU不仅可作为经过其无线覆盖范围内过往车辆的互联网接入设备; 部分RSU还承担着其周边交通状况、环境监测、自然灾害及动物活动信息的收集和转发功能. 为了降低高速公路车联网中通信基础设施的部署开销, 部分RSU与骨干网络处于隔离状态[3]. 孤立RSU可通过移动车辆以“存储 − 载带 − 转发”的方式将所收集到的周边交通状况、环境监测、动物活动等信息转发到与骨干网络相连的RSU[4-6]. 由于源RSU业务源的动态变化性和不可预测性使得自适应的分组调度面临挑战, 如森林火灾监控、各种静止或移动的被监测保护动物等, 业务状态在短时间内表现出高度的突发性[7-8], 需要以自适应和鲁棒的方法解决突发业务调度问题, 以提高网络资源利用率.

在上述应用背景下, 应设计有效的源RSU节点分组调度策略, 在其无线覆盖范围内有车辆经过时, 决定是否将收集的数据发送给过往车辆进行载带中继传输. 分组端到端时延由源RSU缓存中的排队时延与车辆载带分组至目的RSU过程中的传播时延两部分组成. 若源RSU给到达车辆均发送分组, 能使平均排队时延最小, 但会导致较大的平均传播时延; 若为了等待速度较快的车辆而导致分组在缓存中过多积压, 则平均排队时延增加. 因此, 平均排队时延和平均传播时延之间存在最佳折中能使平均端到端时延最小化. 当源RSU的突发业务到达其缓存队列时, 如果能根据突发业务到达率动态调整载带车辆的速度选择范围, 就能缓解由于分组队列阻塞带来的排队时延增长.

图 1  路边单元突发业务分组传输调度示意图

图 2  RSU−车辆分组随机调度系统

图 3  离散车速状态模型

本文研究了高速公路车联网场景下基于车辆载带中继的RSU突发业务分组调度问题, 提出一种能使分组端到端时延最小的随机优化策略, 该策略根据源RSU缓存中的分组累积数量和移动车辆的速度状态做分组调度决策. 本文通过受限马尔科夫决策框架对分组传输过程中的状态转移过程进行分析, 建立一个非线性平均端到端时延最小化问题并求解. 该方法可使得源路边单元根据突发业务到达率的实时变化, 动态、弹性地调整分组调度策略, 即动态调整车速选择范围, 当突发业务量到达时, 及时增加载带车辆资源; 突发业务量过后, 再次调整车速选择范围, 从而保证系统服务质量, 实现分组传输过程中的平均端到端延时最小化.

作者简介

代亮

长安大学电子与控制工程学院副教授. 2011年获得西安电子科技大学通信工程学院通信与信息系统专业博士学位. 主要研究方向为车联网理论与应用. 本文通信作者. E-mail: ldai@chd.edu.cn

张亚楠

长安大学电子与控制工程学院硕士研究生. 2015年获得长安大学电子与控制工程学院自动化专业学士学位. 主要研究方向为车联网理论与应用. E-mail: 2016132053@chd.edu.cn

钱超

长安大学电子与控制工程学院讲师. 2013年获得长安大学电子与控制工程学院博士学位. 主要研究方向为智能交通系统. E-mail: qianchao@chd.edu.cn

孟芸

长安大学电子与控制工程学院讲师. 2015年获得西安电子科技大学通信工程学院博士学位. 主要研究方向为无线通信系统. E-mail: mengyun@chd.edu.cn

黄鹤

长安大学电子与控制工程学院副教授. 2009年获得西北工业大学电子信息工程学院博士学位. 主要研究方向为无线通信系统. E-mail: huanghe@chd.edu.cn