本文是这篇《移动边缘计算的分工协作》的译文，参杂着我自己的一些理解
文章背景
吞吐量最大化是认知车辆自组织网络(cvanet)中无线应用面临的一个关键挑战。协同通信作为一种潜在的解决方案，通过利用空间的多样性来提高链路容量，近年来受到了广泛的关注。但是，如果考虑链路调度，这种传输模式在端到端吞吐量方面可能比直接传输性能差。
开始正文
本文提出了一种协同通信感知链路调度方案，研究了C-VANETs中的吞吐量最大化问题。
针对协同通信的特点和授权频谱的可用性，我们将链路扩展为协同链路/通用链路，定义扩展的链路频带对，形成一个三维(3-D)协同冲突图来表征这些链路对之间的冲突关系。
考虑到图中所有的合作独立集，我们用数学方法建立了一个端到端的吞吐量最大化问题，并通过线性规划近似最优地解决了这个问题。
由于发现所有独立集的np完备性，我们还提出了一种用于合作通信感知链路调度的启发式剪枝算法。仿真结果表明，该方案是一种有效的增加端到端通入量的方法。随着道路基础设施的成熟和驾车者数量的增加，公路旅行已经成为美国和许多其他国家人们生活的一部分。
在车载自组网(VANETs)中，各种宽带车载通信应用将在不久的将来广泛应用，这些应用可以为乘客提供娱乐，使长途旅行更加愉快。
然而，汽车应用的扩散超出了安全需要额外的无线电资源来支持，这使得已经拥挤的许可频谱更加糟糕。
与此同时,对于这些passengeroriented应用[1][3]，无论vehicle-to-vehicle (V2V)基于通信的应用程序(例如,网络游戏在不同的汽车乘客,文件传输，同事之间虚拟会议,等等)或者vehicle-to-roadside (V2R)通信基础的(如网页浏览、合作下载,在线视频,等等),最关键和基本要求是高的数据传输端到端吞吐量。
在VANETs中，哪一项任务同样具有挑战性鉴于VANETs对无线电频谱的需求，联邦通信委员会(FCC)开放了未被充分利用的授权电视频谱。超高频电视频率跨越470- 806mhz)[4]，允许无牌用户的机会访问。
利用认知无线电(CR)技术,车辆/节点(话说车辆/节点将在本文中使用互换)以及路边单元(RSU) VANETs可以伺机空谱和使用这些许可乐队暂时/地理位置,何时/何地主要服务并不活跃。我们称这种具有CR能力的VANET为[3]，[5]为认知VANET (C-VANET)。另一方面，通过采用多天线，如多输入多输出(MIMO)，空间分集已被证明在降低误码率、提高功率效率和提高VANETs的吞吐量方面是有效的。然而，为无线节点配备多个天线并不总是可行的。
为了在不需要多台收发天线的情况下实现空间多样性，我们可以在[6]、[7]中引入所谓的协作通信。图1(a)中所示的[6]、[7]三节点示例可以很好地说明协作通信的思想。在这个子图中，节点i通过一跳的方式传递给节点j，节点r作为协同中继节点。从i到j的协同传输是在逐帧的基础上完成的。在每一帧中，有两个时间段[1]，[6]，[8]-[10]。在第一次槽(实线),我让一个传输到目的地j。由于无线传输的广播性质,我也听到了中继节点传输r。在第二时间段(虚线),r转发数据在第一次听到槽j。因此,在合作交流,每个节点只配备了一个天线和依赖邻国合作节点的天线实现空间的多样性。如果选择合适的合作中继节点，合作通信可以有效提高链路容量[8]、[11]。然而，如果我们考虑基于时间框架的链路调度，协作通信并不一定有助于提高端到端吞吐量。以图1(b)中的玩具拓扑为例。如果节点i直接向节点j发送数据包，那么链路(i,j)将不会与链路(u,v)产生干扰，因此可以安排它们同时发送。相反，如果(i,j) 采用r进行协作通信，(i,j)将与(u,v)产生冲突，因为协作中继r的传输对(u,v)的节点v造成干扰。Asaresult (i,j)和(u,v)不能同时发送，这可能会降低端到端吞吐量从sr到dt。在吞吐量方面，合作通信带来的好处可能会被抵消，甚至被同时调度更多链路的机会的损失所淹没。基于上述观察，C-VANETs中的吞吐量最大化问题出现了几个有趣的问题:当考虑链路调度时，是否存在一种最优方法来最大化协作通信在端到端吞吐量方面带来的好处?是否许可波段的可用性对传输模式的选择有任何影响(即，直接传输或合作通信)以及吞吐量?我们能否在实践中找到一个简单可行的方法来解决这个问题?
为了解决这些问题，本文提出了一种协同通信感知链路调度方案，其目标是在C-VANETs中最大限度地提高会话的吞吐量。我们让RSU通过发送小型控制消息来调度高速公路上车辆之间的多跳数据传输。综合考虑许可频谱的可用性、传输模式和链路调度等因素，建立了吞吐量最大化问题的数学模型，并通过线性规划近似最优地求解，给出了一种简单的启发式算法。我们的突出贡献概括如下。
•针对合作通信的特点，我们新奇地将使用合作通信的链路扩展为合作链路。为了保持符号的一致性，我们利用一个虚拟的合作中继，并使用直接传输将一个链路扩展为一个通用链路。
•受之前的工作[12]-[16]中链接冲突图的启发，我们提出了一个三维(3-D)合作冲突图来描述C-VANETs中扩展链接之间的干扰关系。与[14]-[16]中使用的方法类似，我们将图中的每个顶点解释为调度的基本资源点，并使用扩展的链路带对表示每个资源点。基于这些扩展的链路带对，我们建立了三维合作冲突图，重新定义了合作独立集和冲突簇。
•借助3-D协同冲突图，RSU可以在多个约束条件下(即、频带的可用性、传输方式的选择和链路调度)。给出C-VANETs中所有的合作独立集，RSU可以对公式中的整数变量进行松弛，通过线性规划求解优化问题，得到源节点和目标节点之间的最优端到端吞吐量。
•由于在C-VANETs[13] -[17]中找到所有的合作独立集是np完全的，所以我们使用了大量的最大合作冲突cliques，并开发了一种启发式剪枝算法来近似最优的端到端吞吐量。我们让RSU选择扩展链路对的带宽和传输方式，对未选择的链路对进行修剪并更新链路传输时间，直到不能进一步减少所有链路中最大的链路传输时间。吞吐量估计为最大集群传输时间的倒数。
•通过数值模拟，我们展示了可用频带数量和源节点与目标节点之间的距离对C-VANETs吞吐量性能的影响。
我们还表明
i) CR能力为使用合作通信创造了更多的机会;
ii) 协同通信感知链路调度的性能优於单纯依赖一种传输方式的调度;、
iii) 所提出的修剪算法在c - vanet端到端吞吐量方面接近最优。
论文的其余部分组织如下。我们在第二节中回顾了有关吞吐量最大化的相关工作。在第三节中，我们将介绍C-VANETs的设置和相关模型。第四部分描述了三维合作冲突图，提出了合作独立集和冲突团的概念。在第五节中，我们用数学方法描述了CVANETs中的吞吐量最大化问题，并用线性规划方法近似最优地求解。在第六章中，我们提出了一种合作通信感知链路调度的启发式剪枝算法。最后，我们对第七部分的性能结果进行了仿真分析，得出第八部分的结论。
第二部分：跨层约束(如流路由、链路调度等)下的相关工作吞吐量最大化问题在已有文献中得到了广泛的研究。Jain等人在[18]中基于np完全优化问题研究了干扰对多跳无线网络性能的影响。[13]中的翟和方研究了考虑链路调度的给定路径的路径容量，并利用干扰簇传输时间设计了用於单无线电单信道(SR-SC)网络中高吞吐量路径选择的路由度量。对于多无线电多信道(multi-radio multi-channel, MR-MC)网络，Li等人在[14]中提出了一个多维度(multi-dimensional，即并利用该算法求解最优路径容量问题。不同的移动设备与一个无线电SR-SC网络或在mc与多个无线电网络,CR设备只有一个无线电但无线电是软件定义一个[4],[19],[20],这应该是开关频率范围很广范围[21]- [23]。在CR研究界，也有人致力于跨层优化。Tang等人在[16]中研究了多跳C 出R网络中以吞吐量最大化和达到一定公平性为目标的联合频谱分配和链路调度问题。Hou等人在[24]中研究了以最小化网络范围频谱资源为目标的联合频率调度和路由问题，提出了集中式算法。
用于多跳CR网络中的频谱共享。考虑频谱供应的不确定性,锅等人在[25]提出模型的空置许可乐队为一系列的随机变量,是种CR网络与一对(α,β)参数和最小化的使用授权频谱支持CR率要求在一定的信心水平。遗憾的是，目前还缺乏跨层的吞吐量最大化设计，不能有效地统一无线设备的CR能力和设备之间的协作通信。在合作通信方面，研究主要集中在信息论和通信理论问题上。Liu等人在[26]和Laneman在[7]对相关主题的主要结果进行了很好的调查。这一领域的大多数研究的共同主题是优化物理层性能度量(即从一般系统的角度，不太关心协作通信对网络性能的影响。例如，[27]中的Host-Madsen和Zhang以及[28]中的Kramer等人研究了具有给定源和目标对的几种合作方案的可达速率和多样性增益。基于cascaded Nakagami衰落[29]，它提供了对车辆间信道的现实描述，Ilhan等人在[1]中研究了VANETs中的协作分集，并提出了一种中继辅助方案来优化车辆间通信的功率分配。在协作通信的组网和跨层设计方面的一些开创性工作包括利用协作[30]的媒体访问控制协议、协作路由[10]、[11]、[31]、全网范围内的最优协作中继选择[8]、网络编码协作通信[32]、[33]和VANETs[9]中使用协作通信的跨层路由。然而，在VANETs中联合考虑协作通信和机会频谱访问的链路调度是一个基本未开发的领域。Pagadarai等人在[34]中定量和定性地测量并表征了马萨诸塞州州际公路(I-90)沿线的空闲电视频谱(470806 MHz)，这进一步为C-VANETs的研究铺平了道路。在这项工作中，我们试图对C-VANETs端到端的吞吐量最大化进行全面的研究，其中传输模式的选择、频谱的可用性和链路调度都被考虑在内。
第三部：
A、C-VANETs的网络设置
B、传输模型
1、放大转发
2、解码转发
3、直接传输
我们考虑一种C-VANETs[3],[5]组成的多个车辆操作在不同的空授权频带和RSU(例如,一个基站(BS),网关,一个接入点(AP),等等)是这一组的节点N = {1, 2,···N···, N}(一)高速公路,如图2所示。让sr/dt表示c - vanet中会话的源/目标节点。我们的目标是最大化此会话的端到端吞吐量。通过与车辆交换小型控制消息，RSU1可以为多跳V2V通信或V2R通信[5]调度大型数据包的传输。考虑到车辆调度周期设置为τ合并进入/退出高速公路以及许可乐队的可用性。假设许可的频谱带sb ={1,2，···，b，···，b}具有相同的带宽，带宽大小为w。
为了区分c - vanet中的两种中继节点[11]，我们将用于协作通信的中继节点称为协作中继，将传统意义上用于多跳中继的中继节点称为多跳中继2。考虑到协作通信的概念以及CR设备固有的硬件限制，我们还假设每个节点只有一个无线电，但是无线电可以调到任何可用的频段进行分组传输。每个节点i∈N采用一定的频谱感知技术(如[35]、[36])来识别一组可用的、未被主要业务占用的许可频带。根据节点的地理位置，在C-VANETs中，一个节点的可用频带可能与另一个不同，如图2所示。用数学的方式,让Bi⊆我representthesetofavailablelicensedbandsatCRnode∈N。Bi可以不同于Bj，其中j不等于i，且j∈N，即,可能是Bi̸= Bj。对于使用协作继电器r的链路(i,j)，我们假设从i到j的传输和从r到j的传输使用相同的乐队。因此，我们有B(i,r,j) = B(i,j) = Bi Bj。此外，由thersul分配的分时段3将在时间框架内进行计算，如果采用合作通信，每个时间框架将被平均划分为从i到j的传输和从r到j的传输两个时间段。在本节中，我们给出了不同传输模式下的可达数据速率的表达式。
基于以上结果，我们有两个观察结果。首先，将CAF(或CDF)与CDTx相比较，很难说合作传播总是优于直接传播。事实上，较差的中继节点选择可以使协同通信下的可达数据速率低于直接传输[8]下的可达数据速率。第二，虽然AF和DF是不同的机制，但两者的能力具有相同的形式，即， SNRij、SNRir和SNRrj的函数。因此，一种基于AF的协同通信感知链路调度算法可以很好地推广到DF。
因此，只关注其中一个就足够了，我们在本文中选择AF。
C、传输和干扰等级
无线网络中的干扰可以根据协议模型或物理模型[37]来定义。在协议模型[13]、[37]中，存在固定的传输范围和固定的干扰范围，干扰范围一般为传输范围的1.5 ~ 3倍。这两个范围可能随频带的不同而不同。设T b i表示在授权频带b （接听频带）Bi上，节点i的传输范围内相邻节点的集合。对于使用r在b波段上进行协作通信的链路(i,j)，我们有r = j和r T b (i,j) = T b i T b j。另一方面，同一频段上的两个链路之间的冲突关系可以通过指定的干扰范围来确定。现有的工作大多采用协议模型[13]、[14]、[16]、[24]、[25]，将网络上的干扰抽象为冲突图。利用协议模型刻画了c - vanet中各链路之间的干扰关系，并根据协同通信的特点将冲突图扩展为三维协同冲突图。细节将在下一节中介绍。
第四节、c - vanet中的合作冲突图、冲突团和独立集
在本节中，我们首先将C-VANETs中的链接扩展为与(w.r.t.)合作通信的特殊特性相关的合作链接/通用链接。然后，我们建立了一个三维协同冲突图来描述这些扩展链接之间的干扰关系。此外，我们还重新定义了独立集和冲突团[12]、[13]，以说明当c - vanet中涉及到协作通信时，哪些链路可以同时激活，哪些链路不能。
A、 将链接扩展为合作/通用链接
对于一个链路(i,j)，如果节点r是它的最佳合作中继，我们计算合作通信的可达数据速率(即如果CAF(i,r,j) > CDTx(i,j)，则我们可以将link (i,j)扩展为(i,r,j)，并将(i,r,j)定义为一个协作链接。保持链接符号一致,我们利用(i，ϕ，j)来表示一个链接使用直接传输,ϕ是一个虚拟的合作继电器,并定义(iϕj)一般链接。可以对C-VANET中的每个链接执行相同的过程。定义Rb (i, j) ={ϕ}T b (i, j)。然后，我们可以将每个连杆(i,j)扩展成(i,r,j)在b波段上的形式，其中r Rb (i,j)请注意，当RSU考虑到不同链路之间的干扰关系并在这些链路上调度传输时，对于符合合作链路条件的链路，RSU可以选择将其用作合作链路或通用链路。
B.建立了基于许可频带可用性和协同通信特性的三维协同冲突图
引入了一个三维协同冲突图来表征C-VANETs中多个链路之间的干扰关系。具体来说，在三维协同冲突图G(V,E)中，每个顶点对应一个扩展的链路带对，其中扩展的链路带对定义为((i,r,j)，b)。linkband对表明扩展的链接(i，r, j)作用于操作的频带b。注意,它包括普通链接合作继电器r =ϕ时,当合作,包括合作联系继电器r =ϕ。它还包括作为特殊情况下的合作通信在单无线电单通道网络中可用的许可频带|B| = 1。如果下列条件之一为真，则定义两个扩展链路带对相互干扰:
条件1:两个不同的扩展链路带对具有相同的节点。
条件2:如果两个扩展的链路带对使用同一频段，则当接收节点或其中一方的合作中继节点与发射节点或另一方的合作中继节点发生干扰时，它们的传输将互相干扰。
根据这些条件，我们将V中的两个顶点与G(V,E)中的无向边连接，如果它们对应的链路带对相互干扰。为了便于说明，我们举了一个简单的例子来说明如何构造一个三维合作冲突图。如图3(a)所示的C-VANET玩具，我们假设有6辆装有CR收发器的车辆，即， A、B、C、D、E及F，以及两个持牌乐队，即， 1级和2级。有一个以节点a为源，节点E为目标的路径。对于链路(A,B)，我们假设CAF(A,F,B) > CDTx(A,B)。因此，RSU可以使用节点F作为合作中继，形成合作链路(a,F,B)。对于链路(B,C)，我们假设CAF(B,F,C) < CDTx(B,C)，这意味着(B,C)不能扩展到(B,F,C)。对于其他链接,他们可以扩展到一般的链接,例如,(C, D) (CϕD)。根据地理位置的不同，一个扩展链路上当前可用的频带可能与第三- a节中提到的另一个扩展链路上的频带不同。例如,可用的许可乐队组(ϕ,B) / (A、F B){1},乐队集(A，ϕ，B, C) {1,2}。此外，我们用d(·)来表示欧几里德距离。
因为任何节点只有一个无线电，并且一次只能在一个波段上工作。
顶点之间存在一条边((A,ϕ,B), 1)和((A，F, B), 1),因为它们与相同的发送节点和接收节点(也满足条件1)但具有不同传输模式。RSU时间表传输时,可以选择使用((A，ϕ,B), 1)或((A，F, B), 1)。
注意，协同通信可能会增加链路的可达数据速率，但也会带来额外的干扰。如图3所示(b),如果合作linkband一对((A，F, b), 1) RSU被选中,将冲突((A，ϕ，b, C), 1),((A，ϕ，b, C), 2), ((1 C,ϕ,D))和((DϕE), 1)。相比之下,如果一般link-band对((ϕ,B), 1)被采用,将冲突((ϕB, C), 1),((ϕB, C), 2)和((1 C,ϕ,D))。这是因为，当这个合作链路频带对计划进行传输时，我们必须同时考虑发射节点A的干扰范围内的节点和合作中继节点F的干扰范围内的节点。
C.合作的独立集和冲突派系
给出一个表示c - vanet的三维协同冲突图G = (V,E)，我们将顶点u V对顶点V V的影响描述如下
其中两个顶点对应两个链路带对。如果有一个顶点/扩展link-band setI V和延长link-band u我满足我,u = V wuv < 1,传输link-band双u会成功,即使其他link-band对属于集我是同时传输。如果任何u I满足上述条件，我们可以在I中所有这些扩展的链路带对上调度传输，使其同时处于活动状态。这样一个顶点/扩展的链路频带对集I称为合作独立集。如果在一个合作独立的setI中再增加一个扩展的链路频带对，就会产生一个非独立的setI, I被定义为一个最大的合作集
此外，如果在Z中存在一个顶点/扩展的链路带对V和任意两个扩展的链路带对u和V满足wuv = 0(即，顶点u和v不能同时发送)，Z称为合作冲突集团。如果Z在添加任何一个扩展的链路带对后不再是一个合作冲突集团，则Z被定义为一个最大的合作冲突集团。
五、实现高端到端吞吐量的协作通信感知链路优化调度
在构建了三维协同冲突图之后，本节首先讨论了C-VANETs中中继选择w.r.t.链路调度的可能冲突。然后，我们讨论如何计算路径容量和描述基於单无线电的节点的流路由约束。根据跨层约束条件，建立了c - vanet的吞吐量最大化问题的数学模型，并采用线性规划方法进行了近似最优解。
在讨论协同通信感知链路调度之前，我们需要澄清与中继选择wr.t链路调度冲突相关的两个问题。在[11]中引入了两种中继选择冲突，将协同通信引入多跳无线网络中。第一个是协同选择和多跳选择之间的冲突。（选择一个节点作为合作中继和多跳中继)，如图4中的情形1和情形2所示;二是协同选择中继的不同链路之间的冲突。（不同链路选择相同的节点作为协同中继)，如图4中的情形3所示。如果网络中只有一个频段可用，很容易证明中继选择冲突永远不会发生w.r.t.链路调度。
然而，如果有网络中可用的多个频段(例如C-VANETs)的话，两种碰撞都存在，如图4所示。幸运的是，三维协同冲突图可以很好的描述C-VANETs中所有的中继选择冲突(例如，图4中的三种情况都满足干扰条件1)，使得RSU可以利用它进行协同通信感知链路调度。
注意，C-VANETs中的一个节点可以在不同的时间共享情况下，在协作节点和多跳中继之间进行切换，这与[11]中节点的固定角色不同。
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其中(16)、(17)、(18)和(19)规定每个节点最多有一个非零流的传出链路，并且在源和目标之间有RSU选择的路径;(20)和(21)表明(i,r,j)上的流量流量不能超过该扩展链路的容量，该容量由V-B节中所示的协作通信感知链路调度获得。注意，我在C-VANETs中包含了所有独立的集合。Givenallindependentsets6 inthenetwork wefindthattheformulated优化是一个混合整数线性规划问题因为δij只有二进制值。它可以用一些典型的算法(如[24]、[25]、分支和约束[39]等)或软件(如CPLEX[13]、[40]、LINDO等)在多项式时间内近似最优地求解，只要所有的合作独立集都能在G(V,E)中找到。
六、合作通信感知调度的启发式剪枝算法
一个迭代的链路带对剪枝算法
1、 建立三维协同冲突图
2、 寻找最大的冲突派系
3、 计算冲突集团传输时间
4、 对最大的合作冲突派系进行排序
5、 为高吞吐量选择最佳带宽
6、 修剪合作/通用链路带对
7、 迭代过程并估计吞吐量
吞吐量计算公式
结束语：
本文研究了多约束条件下C-VANETs的吞吐量最大化问题。（CR设备固有的单无线电约束，许可频谱的可用性，传输模式的选择和链路调度)。考虑到协同通信的特殊性，首先对链路进行扩展，将其划分为协同链路/通用链路。然后，根据不同扩展链路上的可用频带，定义了扩展链路频带对，并构造了一个三维合作冲突图来描述这些扩展链路频带对之间的冲突关系。在此基础上，我们建立了端到端吞吐量最大化问题的数学模型。对于C-VANETs中所有的合作独立集，我们可以对所提出的优化问题进行松弛，并通过线性规划近似最优地求解。针对发现所有独立集的np完备性，提出了一种用于合作通信感知链路调度的启发式剪枝算法。通过数值模拟，我们证明
:i) CR能力为使用协同通信创造了更多的机会
ii)选择适当的传输模式的链路调度性能优於单纯依赖一种传输模式(合作通信或直接传输)的链路调度性能。