1.本发明涉及空天地一体化网络技术领域，特别是一种基于空天地一体化网络的海洋边缘计算任务卸载系统。
背景技术：
2.近年来，无人舰艇，海洋环境监测、目标跟踪和应急响应等各种海上应用高速发展，这些应用往往具有复杂的计算任务需求。然而，船舶端的资源有限，极大地限制了海上以计算为中心的应用的发展。因此，提高数据传输的质量，减少传输延迟，设计一个合理的网络架构应用于的海上任务的计算卸载是非常必要的。
3.边缘计算是指在靠近物或者数据源头的一侧，采用具有网络、计算、存储等能力集合为一体的开放平台，就近提供服务。其应用程序在边缘侧发起，能够产生更快的响应，节省计算时间，满足用户需求。海洋通信系统主要包括海上无线通信、海洋卫星通信和岸基移动通信。移动边缘计算(mec)具有功耗低、响应速度快和计算力强等特点，能很好地满足海洋用户计算密集型的应用需求。由于空间和能量的限制，基于地(海)面的边缘计算设备部署无法满足日益增长的计算任务需求，而空天地一体网络(sagins)能够提供无处不在的连接和全球覆盖，可以借助空天地一体化网络将部分边缘计算转向空中/轨道计算网络，实现空天地一体化网络的协同计算任务卸载，从而大大减轻地(海)面的计算压力。
4.现有技术的基于边缘计算的空天地一体化网络体系构架由五个部分组成：卫星网络，空中网络，海面网络，水下网络，地面网络。卫星网络由低轨道卫星，中轨道卫星和地球同步轨道卫星组成。空中网络由无人机和高空平台组成。海面网络由移动的无人船组成。水下网络由无人潜艇组成。地面网络由岸基基站组成。海洋环境中，风力强劲，无人机的运动，悬停无疑会耗费巨大的能量。无人机的能量有限，巨大的能量消耗将会大大减少其续航时间。而移动的无人船，将会导致成本和能耗的增加，此外，海中大量的无人船会增加船只行驶的危险。而水下潜艇与空中网络的通信是一个很大的问题，导致该网路的连通性不足。岸基基站更是只能够覆盖近海的一小部分地区。总的来说，该网络系统并没有很好的考虑到海洋的实际情况，增加了成本与能量消耗，并不能很好的组成一个异构网络为海上用户提供边缘计算服务。
技术实现要素：
5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于空天地一体化网络的海洋边缘计算任务卸载系统，实现降低整体网络复杂度的降低，更加实用及节能。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于空天地一体化网络的海洋边缘计算任务卸载系统,包括海面层、空中层和卫星层；所述海面层包括多个海面基站，所述海面基站包括能量回收基站、卫星地面站和第一边缘计算服务器；所述空中层包括高空气球，所述高空气球通过钢索固定于海底；所述卫星层包括部署于空间相应的轨道上的低轨卫星、中轨卫星及地球同步轨道卫星，其数量关系满足：n
leo
＞n
meo
＞n
geo
，其中n
leo
表示低
轨卫星的数量，n
meo
表示中轨卫星的数量，n
geo
表示地球同步轨道卫星的数量；所述低轨卫星上搭载有第二边缘计算服务器；
7.所述海面基站的位置为其中即海面基站bs的水平坐标和海面基站bs的天线高度；每个海面基站bs的通信范围为r
bs
；每个海面基站bs的第一边缘计算服务器能够同时处理任务数量有限，为ω；
8.所述高空气球的位置为其中即高空气球ta的水平坐标和高空气球ta的高度；每个高空气球ta的通信范围为r
ta
；高空气球ta的位置与海面基站bs的位置相关；采用k-means聚类算法对海面基站bs进行分类；分类过程如下：
9.(1)输入分类数k，最大迭代次数m；
10.(2)从l
bs
中随机选择k个位置作为初始的k个聚类中心e：{e1,e2,...,ek}；
11.(3)进入迭代
12.(4)初始分类
13.(5)计算各海面基站到各初始聚类中心ek的距离：
14.将最小距离的标记为对应类别λi，此时更新分类
[0015][0016]
(6)对cn中的所有样本重新计算新的聚类中心en：
[0017]
(7)如果所有聚类中心不再变化或者到达最大迭代次数m，则退出迭代，输出分类c＝{c1,c2,...,ck}；
[0018]
(8)其对应的聚类中心{e1,e2,...,ek}为高空系留气球的部署位置。
[0019]
在一较佳的实施例中，包括任务的卸载计算过程，包括以下步骤：
[0020]
步骤1：根据任务产生的距离远近，即附近有无基站的分布，将任务划分为近海任务与远洋任务；
[0021]
步骤2：近海任务的计算卸载：首先用户船搜索周边，是否处在海面基站的覆盖范围内，若处在海面基站的覆盖范围内，则直接将任务卸载到相应的信道质量最好的海面基站；海面基站直接将计算结果返回用户船；若用户船不处于海面基站的覆盖范围内，则将任务卸载至高空气球，由高空气球卸载至其通信范围内的海面基站；海面基站计算完毕后将结果回传至高空气球，高空气球返回至用户船；
[0022]
步骤3：远洋任务的计算卸载：远洋任务即是处在海面基站及高空气球覆盖范围以外的用户产生的任务，采用低轨卫星leo进行卸载；任务产生后卸载至经过此地的低轨卫星leo；低轨卫星leo根据任务的特性选择本地计算或者上传至卫星地面站计算，计算结果由中轨卫星meo或者地球同步轨道卫星geo返回至用户。
[0023]
在一较佳的实施例中，所述任务的特性具体包括任务的大小或者任务的时延性要
求；若任务的特性大，则卸载至卫星地面站计算后计算结果返回至中轨卫星meo或者地球同步轨道卫星geo后再返回至用户；若任务特性小，则由低轨卫星leo本地计算后结果返回至中轨卫星meo或者地球同步轨道卫星geo后再返回至用户。
[0024]
在一较佳的实施例中，所述海面基站设置于近海海域的小岛或礁石上。
[0025]
在一较佳的实施例中，所述能量收集装置用于收集风能、潮汐能或太阳能。
[0026]
在一较佳的实施例中，所述高空气球上设置有风力发电机，利用高空中的风力提供能量。
[0027]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0028]
(1)本发明的网络架构大大减小了网络的复杂度，本发明仅由海面层、空中层和卫星层三部分的网络构成，异构简单。在实际应用中，根据任务的性质，计算一个任务时最多仅需要两个网络的联合执行。在节省网络部署成本的同时又降低网络复杂度。
[0029]
(2)本提案的空中层更符合实际情况而且能耗更少。现有技术的空中层由无人机组成，无人机的悬停，运动等动作均会耗费大量的能量。而本提案采用系留型的高空气球，并将其部署在合适的位置。气球本身的性质让其得以在空中悬停，并且能够借助此平台部署能量收集设备提供能量。
附图说明
[0030]
图1为本发明优选实施例的一种基于空天地一体化网络的海洋边缘计算任务卸载系统的系统概要图；
[0031]
图2为本发明优选实施例的一种基于空天地一体化网络的海洋边缘计算任务卸载系统的任务卸载流程图；
[0032]
图3为本发明优选实施例的一种基于空天地一体化网络的海洋边缘计算任务卸载系统的能量收集装置的工作系统概要图。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0034]
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0035]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式；如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0036]
一种基于空天地一体化网络的海洋边缘计算任务卸载系统,包括海面层、空中层和卫星层；所述海面层包括多个海面基站，所述海面基站包括能量回收基站、卫星地面站和第一边缘计算服务器；所述空中层包括高空气球，所述高空气球通过钢索固定于海底；所述卫星层包括部署于空间相应的轨道上的低轨卫星、中轨卫星及地球同步轨道卫星，其数量关系满足：n
leo
＞n
meo
＞n
geo
，其中n
leo
表示低轨卫星的数量，n
meo
表示中轨卫星的数量，n
geo
表示地球同步轨道卫星的数量；所述低轨卫星上搭载有第二边缘计算服务器；
[0037]
所述海面基站的位置为其中即海面基站bs的水平坐标和海面基站bs的天线高度；每个海面基站bs的通信范围为r
bs
。每个海面基站bs的第一边缘计算服务器能够同时处理任务数量有限，为ω；
[0038]
所述高空气球的位置为其中即高空气球ta的水平坐标和高空气球ta的高度；每个高空气球ta的通信范围为r
ta
；高空气球ta的位置与海面基站bs的位置相关；采用k-means聚类算法对海面基站bs进行分类；分类过程如下：
[0039]
(1)输入分类数k，最大迭代次数m；
[0040]
(2)从l
bs
中随机选择k个位置作为初始的k个聚类中心e：{e1,e2,...,ek}；
[0041]
(3)进入迭代
[0042]
(4)初始分类
[0043]
(5)计算各海面基站到各初始聚类中心ek的距离：
[0044]
将最小距离的标记为对应类别λi，此时更新分类
[0045][0046]
(6)对cn中的所有样本重新计算新的聚类中心：en指对应的第n个分类的聚类中心，也就是前面e数组的第n个；
[0047]
(7)如果所有聚类中心不再变化或者到达最大迭代次数m，则退出迭代，输出分类c＝{c1,c2,...,ck}；
[0048]
(8)其对应的聚类中心{e1,e2,...,ek}为高空系留气球的部署位置。
[0049]
包括任务的卸载计算过程，包括以下步骤：
[0050]
步骤1：根据任务产生的距离远近，即附近有无基站的分布，将任务划分为近海任务与远洋任务；
[0051]
步骤2：近海任务的计算卸载：首先用户船搜索周边，是否处在海面基站的覆盖范围内，若处在海面基站的覆盖范围内，则直接将任务卸载到相应的信道质量最好的海面基站；海面基站直接将计算结果返回用户船；若用户船不处于海面基站的覆盖范围内，则将任务卸载至高空气球，由高空气球卸载至其通信范围内的海面基站；海面基站计算完毕后将结果回传至高空气球，高空气球返回至用户船。
[0052]
步骤3：远洋任务的计算卸载：远洋任务即是处在海面基站及高空气球覆盖范围以外的用户产生的任务，采用低轨卫星leo进行卸载；任务产生后卸载至经过此地的低轨卫星leo；低轨卫星leo根据任务的特性选择本地计算或者上传至卫星地面站计算，计算结果由中轨卫星meo或者地球同步轨道卫星geo返回至用户。
[0053]
所述任务的特性具体包括任务的大小或者任务的时延性要求；若任务的特性大，则卸载至卫星地面站计算后计算结果返回至中轨卫星meo或者地球同步轨道卫星geo后再
返回至用户；若任务特性小，则由低轨卫星leo本地计算后结果返回至中轨卫星meo或者地球同步轨道卫星geo后再返回至用户。
[0054]
具体来说，所述海面基站设置于近海海域的小岛或礁石上。所述能量收集装置用于收集风能、潮汐能或太阳能。所述高空气球上设置有风力发电机，利用高空中的风力提供能量。参考图3,所述能量收集装置通过设置储能电池及太阳能板来收集太阳能，通过太阳能供电；所述能量收集装置通过设置发电机和螺旋桨来收集潮汐能，通过潮汐发电；所述能量收集装置通过设置发电机和风车收集风能，通过风能发电。风车部署于海面基站上收集风能，螺旋桨部署于水下收集潮汐能，风与潮汐分别带动风车与螺旋桨，再带动发电机，产生电能。太阳能板部署于空旷处，直接收集太阳能产生电能。再将这些电能储存于储能电池供电。
[0055]
本发明的网络架构大大减小了网络的复杂度，本发明仅由海面层、空中层和卫星层三部分的网络构成，异构简单。在实际应用中，根据任务的性质，计算一个任务时最多仅需要两个网络的联合执行。在节省网络部署成本的同时又降低网络复杂度。本提案的空中层更符合实际情况而且能耗更少。现有技术的空中层由无人机组成，无人机的悬停，运动等动作均会耗费大量的能量。而本提案采用系留型的高空气球，并将其部署在合适的位置。气球本身的性质让其得以在空中悬停，并且能够借助此平台部署能量收集设备提供能量。