基于跨区域MEC-MEC协作的可信任务卸载方案,用于车辆网络负载均衡

《Future Generation Computer Systems》:A Trusted Task Offloading Scheme Based on Cross-Area MEC-MEC Collaboration for Vehicular Network Load Balancing

【字体: 时间:2026年03月05日 来源:Future Generation Computer Systems 6.2

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  针对车辆网络中MEC服务器负载不均问题,提出基于信任模型与Stackelberg博弈的跨区域协作方案,动态评估节点可靠性并实现任务高效卸载,实验表明任务延迟降低6.02%-16.67%,完成率提升2.57%-16.9%。

  
黄明峰|刘安峰|宋浩兵|王天
长沙理工大学计算机学院,中国长沙410114

摘要

由于车辆分布不均和计算能力差异,车辆网络中存在严重的负载不平衡问题,导致热点区域的服务器过载,而冷点区域的服务器则处于空闲状态。解决这一问题的有效方法是利用车辆与移动边缘计算(MEC)以及MEC之间的协作进行任务卸载。然而,现有方法缺乏对协作和处理可靠性的评估,导致了一系列效率低下的问题,如任务堆积和资源抢占,从而引发不可接受的任务延迟和巨大的资源消耗。为此,本文提出了一种基于跨区域MEC协作的可信任务卸载方案。具体而言,我们首先设计了一个信任模型来评估车辆和MEC服务器的可靠性,该模型可以通过分析历史任务成功率以及协作节点提供的反馈来动态更新节点信任度。在交互密集的车辆网络中,这种动态关系具有较低的成本。接着,为了真实反映车辆与MEC服务器之间的资源竞争和计算协作,我们将任务卸载视为一个两阶段的斯塔克伯格博弈(Stackelberg game),使过载的MEC服务器能够动态地将任务转发给其他可信的冷点区域服务器,从而实现广域资源聚合和负载均衡。我们还设计了一种分布式算法来获得博弈的纳什均衡(Nash equilibrium)。最后,在真实世界数据集上的广泛实验表明,与五种基准方法相比,我们的方法能够识别出90%以上的恶意攻击者;在卸载成本方面,我们的方法将任务延迟降低了6.02%-16.67%,同时提高了任务完成率2.57%-16.9%。

引言

车辆网络,也称为车联网(Internet of Vehicles, IoV),利用蜂窝车对一切(cellular vehicle-to-everything)技术、边缘计算(edge computing)和移动通信(mobile communication)构建了一个分布式网络,实现了车辆、基础设施和行人之间的实时数据交换和决策制定[1,2]。然而,随着车载传感器数量的激增,它们支持的任务类型也变得更加多样化[3]。例如,在自动驾驶中,计算密集型任务(如3D点云语义分割)每秒需要数万亿次浮点运算[4],而对延迟敏感的任务(如碰撞预警)则需要毫秒级的延迟能力,这对本地车辆提出了严峻挑战。
任务卸载提供了一种解决方案,即将车辆难以完成的任务卸载到计算和存储能力更强的移动边缘计算(Mobile Edge Computing, MEC)服务器或云服务器[5]。与将任务卸载到云相比,将任务卸载到车辆网络中的MEC服务器更为可行[6]。因为MEC服务器不仅拥有远超车辆的计算能力,还能避免将数据传输到云所带来的长延迟。
目前,有许多研究专注于车辆-边缘计算协作背景下的任务卸载。例如,有一种VCEC任务卸载方案[7],它将任务卸载到其他空闲车辆[8];另一种方案利用附近的自动驾驶车辆和RSU(Radar Signal Unit)协作处理任务[9],为不同类型任务提供了灵活的卸载选项,包括本地计算、车辆对车辆计算(vehicle-to-vehicle computing)、移动边缘计算(mobile edge computing)和移动云计算(mobile cloud computing)。然而,尽管这些方法有助于弥补车辆的计算不足,但它们采用的是垂直协作模型,仅考虑了车辆与邻近MEC之间的协作,未能有效整合整个广域内的所有MEC服务器的计算资源。总体而言,现有研究的局限性体现在以下几个方面:
首先,现有研究没有考虑由于车辆分布不均导致的MEC服务器负载不均衡问题。 车辆网络中的车辆分布极其不均匀[6]。在主要交通干道上,车辆密集分布,任务请求激增,导致这些热点区域的MEC服务器过载。而在交通稀少的区域,MEC服务器资源利用率很低。此外,大量车辆的持续移动进一步加剧了这种动态分布,而大多数现有研究假设网络拓扑是静态的,这无法有效适应动态变化,导致资源浪费。
其次,大多数研究采用车辆-MEC协作模型,但缺乏对其协作和处理可靠性的评估。车辆与MEC服务器之间的交互非常频繁,涉及信号传输、数据交换和计算协作等多个环节。如果请求节点中有恶意节点,它们会抢占并消耗资源,导致任务积压和高执行失败率[10]。另一方面,如果任务被卸载到恶意服务器,会威胁数据隐私和安全性。此外,确保车辆与MEC服务器的协作效率、避免利益冲突和资源抢占也非常重要[10,11]。然而,现有研究往往关注能耗或延迟优化,忽视了协作和处理节点的可靠性,这在应用中存在安全风险。
为了解决这些问题,一些研究将信任机制与博弈论相结合,以确保任务卸载的安全性和效率[2,11]。其中,博弈论有效地描述了车辆与MEC服务器之间的资源竞争和计算协作。信任机制可以通过分析它们的历史行为和固有属性来有效评估车辆和MEC服务器的可靠性,并且实现成本低、更新简单。尽管一些研究在任务卸载中引入了信任机制,但它们使用的是被动式的直接信任评估模型,在交互稀少的场景下难以快速启动,并且容易受到恶意攻击,导致评估结果不准确[2,11]。
基于上述缺陷,我们提出了一种基于斯塔克伯格博弈(Stackelberg Game)的可信车辆-MEC和MEC-MEC协作任务卸载方案,称为GTOTC。与现有方法相比,我们的贡献如下:
  • 我们提出了一个信任模型来筛选恶意车辆和MEC服务器。首先,它从多个方面获取信任证据,如历史任务的成功率和协作节点提供的反馈。然后,结合时间衰减特性以及可信、不可信和摇摆行为的差异效应来计算信任度。与现有信任机制相比,我们的信任模型成本更高、更准确,并能有效抵抗善意/恶意攻击、共谋攻击和突然关闭攻击。
  • 我们提出了一种基于斯塔克伯格博弈的可信MEC-MEC协作任务卸载方案。首先,作为领导者的车辆根据任务延迟和资源需求做出初始卸载决策。然后,作为追随者的MEC服务器可以根据自身的负载将任务进一步转发给冷点区域的其他空闲服务器。在博弈过程中,所有车辆和MEC服务器都可以做出动态决策,并在过载时自动触发任务转发,从而实现跨区域MEC服务器的计算协作和资源共享,进而实现负载均衡。
  • 我们设计了一种分布式算法来获得博弈的纳什均衡。在真实世界数据集上的实验表明,与五种基准方法相比,GTOTC方法能够识别出90%以上的恶意攻击者。在任务卸载成本方面,它将延迟降低了6.02%-16.67%,同时将任务完成率提高了2.57%-16.9%。
  • 本文的其余部分安排如下:第2节介绍相关工作。第3节介绍系统模型。第4节详细阐述GTOTC方法。第5节提供实验结果。最后,第6节给出结论和未来工作方向。

    相关研究

    相关工作

    在本节中,我们分析了任务卸载方面的代表性工作,包括卸载模式、优化目标和解决方法。
    任务卸载可以分为二元卸载(binary offloading)和部分卸载(partial offloading)[8]。二元卸载将每个任务视为一个整体,只能完全在车辆或服务器上本地执行。例如,段等人[12]提出了一种二元计算卸载方案。部分卸载允许将任务划分为多个子模块或碎片:

    网络模型和问题陈述

    在介绍详细的网络模型和问题表述之前,我们在表2中总结了本文涉及的主要符号及其解释。

    我们提出的GTOTC方法

    在本节中,我们详细介绍了提出的GTOTC方法。其框架如图3所示,具体实施过程如下:首先,使用信任机制筛选恶意游戏参与者,确保任务计算节点的可靠性。然后,基于车辆与MEC服务器之间的两阶段斯塔克伯格博弈(two-stage Stackelberg game)获得最优任务卸载决策。最后,根据最终卸载决策执行任务。

    实验设置

    我们考虑了一个由200辆车和40个MEC服务器组成的车辆网络。为了全面模拟网络的高移动性和动态拓扑变化,我们使用了两个真实世界数据集。车辆的分布来自T-Drive出租车轨迹数据集[36],MEC服务器的分布来自北京停车地点数据集[37]。这两个数据集都部署在以(116.41667, 39.91667)为中心的25公里范围内。为了验证缓解任务处理负载不平衡的效果

    结论

    在本文中,我们提出了一种基于跨区域MEC协作的可信任务卸载方案。为了确保计算节点的可靠性,我们首先基于序列提取和逻辑推理方法对车辆和MEC服务器进行信任评估。然后,根据车辆与MEC服务器之间的斯塔克伯格博弈获得最优卸载策略,使冷点区域的空闲服务器协助过载的MEC服务器处理任务。最后,我们全面

    CRediT作者贡献声明

    黄明峰:方法论、撰写——原始稿件。刘安峰:监督、撰写——审阅与编辑。宋浩兵:监督、资源协调。王天:撰写审阅与编辑、监督。

    CRediT作者贡献声明

    黄明峰:撰写——原始稿件,方法论。刘安峰:撰写——审阅与编辑,监督。宋浩兵:监督,资源协调。王天:撰写审阅与编辑,监督。
    黄明峰于2023年获得中国中南大学的博士学位。她目前是中国长沙理工大学的助理教授。她曾在美国德克萨斯A&M大学-科珀斯克里斯蒂分校担任访问研究员。她发表了20多篇国际期刊论文,其中一些论文发表在《IEEE通信领域精选期刊》(IEEE Journal on Selected Areas in Communications)、《IEEE可靠与安全计算交易》(IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing)、《IEEE系统、人与
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