Joint Data Caching and Computation Offloading in UAV-Assisted Internet of Vehicles via Federated Deep Reinforcement Learning

强化学习 计算机科学 计算卸载 接头(建筑物) 互联网 计算 计算机网络 人工智能 物联网 嵌入式系统 工程类 万维网 边缘计算 算法 建筑工程
作者
Jiwei Huang,Man Zhang,Jiangyuan Wan,Ying Chen,Ning Zhang
出处
期刊:IEEE Transactions on Vehicular Technology [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:73 (11): 17644-17656 被引量:56
标识
DOI:10.1109/tvt.2024.3429507
摘要

Due to the dense buildings around the macro base stations (MBSes) and the hotspot requests within particular area (e.g., traffic intersections), it is a challenging task for Quality of Service (QoS) guarantee in Internet of Vehicle (IoV). To address these challenges, unmanned aerial vehicles (UAVs) can be integrated into mobile edge computing (MEC) for IoV by leveraging their advantages of mobile flexibility, low price, and line-of-sight (LoS) communication links. In this paper, we establish a joint UAV-assisted IoV scenario, where both UAVs and MBSes can provide computation and data caching services for smart vehicles. Then, we formulate a joint optimization problem for dynamic data caching and computation offloading, aiming to minimize the average task processing delay and maximize the UAV cache hit ratio. By applying deep reinforcement learning (DRL) techniques, we design an intelligent data caching and computation offloading (IDCCO) algorithm to deal with large-scale and continuous state and action spaces. Furthermore, in order to accelerate the convergence speed of DRL model training while protecting the privacy of original user data in IoV, we propose a distributed training mechanism based on Federated Learning (FL), where the DRL model training is performed locally on UAV and global parameter aggregation is performed on MBS. Finally, extensive experiments are conducted, and the experimental results demonstrate the superiority of our approach over several comparative algorithms in shortening the training time, reducing the task processing delay, and maximizing the cache hit ratio.
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