一种基于混合星地网络协作的任务卸载及资源分配方法

本发明属于通信，具体涉及一种基于混合星地网络协作的任务卸载及资源分配方法。

背景技术：

1、随着物联网的不断发展，低轨卫星网络可以为地面网络提供良好的补充，已成为下一代网络的重要组成部分。混合星地网络中低轨卫星的高速时变性和地面基站覆盖的局限性，可能造成网络资源利用率低、卸载任务调度困难及用户服务体验差的问题，考虑低轨卫星网络与地面网络的相互协作，能够有效降低用户任务卸载时延。

2、现有关于混合星地网络的研究关于混合星地网络的研究主要利用卫星资源作为地面网络资源的补充，为地面用户提供卸载服务的问题，然而，在混合星地网络中，低轨卫星的高速时变性和地面基站覆盖的局限性，可能造成网络资源利用率低、卸载任务调度困难及用户服务体验差的问题。针对这一问题，提出一种基于混合星地网络协作的任务卸载及资源分配方法。该方法根据地面用户在星地网络中的实时位置和星地资源的动态分布，合理选择任务卸载模式，最优化任务调度和资源分配策略，从而有效提高星地网络的资源利用率，降低用户的平均任务卸载时延。

技术实现思路

1、本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于混合星地网络协作的任务卸载及资源分配方法。本发明的技术方案如下：

2、一种基于混合星地网络协作的任务卸载及资源分配方法，所述混合星地网络由多颗低轨卫星、一个地面基站及若干地面用户组成，卫星s的集合为s(s∈s)，地面基站为o，地面用户i的集合为i(i∈i)，每个用户i在系统周期t内持续产生任务卸载请求，混合星地网络为i中用户提供任务卸载服务，其包括以下步骤：

3、101、获取当前混合星地网络的资源分布及状态，根据每个地面用户i的任务请求获得任务量di和时延约束设t＝k·δt，其中δt为等长时隙，k为时隙总数，第k时隙内的可用卫星集合为s′，初始化时隙数k＝0；

4、102、令k＝k+1，如果k≤k，更新可用卫星集合s′，跳转到步骤103，否则，跳转到步骤105；

5、103、根据地面用户在混合星地网络中的实时位置，调用子算法1对集合i中的用户进行分类，更新每个用户i的分类标签gi，并更新每个用户i和地面基站o的可用候选卫星集合si和so；

6、104、根据gi，si，so和星地资源分布状态，调用子算法2为集合i中的用户选择最佳卸载模式，并获得最优任务调度和资源分配策略，跳转到步骤102；

7、105、算法结束。

8、进一步的，所述步骤103中子算法1包括以下步骤：

9、1)设临时集合i′＝i，令i′中每个用户i的分类标签gi＝0，候选卫星集合地面基站o的候选卫星集合

10、2)根据k时隙低轨卫星与地面用户及地面基站的位置关系，将可用卫星集合s′中满足通信条件的卫星分别加入集合si和集合so；

11、3)如果集合取出i′中的一个用户i，跳转到步骤4)，否则，跳转到步骤8)；

12、4)计算用户i与地面基站o的水平距离如果其中ro为地面基站的有效覆盖半径，跳转到步骤5)，否则，跳转到步骤6)；

13、5)如果集合令gi＝1表示用户i同时具备与低轨卫星和地面基站通信的条件，跳转到步骤3)，否则，令gi＝2表示用户i具备与地面基站通信的条件，跳转到步骤3)；

14、6)如果集合令gi＝3表示用户i不具备与低轨卫星和地面基站通信的条件，跳转到步骤3)，否则，跳转到步骤7)；

15、7)如果集合令gi＝1，跳转到步骤3)，否则，令gi＝4表示用户i仅具备与卫星通信的条件，跳转到步骤3)；

16、8)算法结束。

17、进一步的，所述步骤2)中将可用卫星集合s′中满足通信条件的卫星分别加入集合si和集合so的方法具体包括：

18、假设地面用户i或地面基站o均为系统中的一个地面节点u，令地面节点u对s′中卫星s的仰角为卫星s对地面节点u的剩余服务时间为将满足和的卫星s分别加入集合si和so，其中，εmin、δt分别表示最小仰角和时隙长度，和的计算方法如公式(1)-(5)所示：

19、在时隙k内，地面节点u与卫星s的仰角计算如公式(1)所示：

20、

21、其中，和分别表示地面节点u在k时隙的经度和纬度，和分别表示低轨卫星s在k时隙的经度和纬度，re表示等效地球半径，h表示卫星相对地面的轨道高度；

22、在时隙k内，地面节点u与卫星s的星下点角计算如公式(2)所示：

23、

24、在时隙k内，地面节点u与卫星s的地心角的计算如公式(3)所示：

25、

26、其中，

27、在时隙k内，地面节点u与卫星s的地心角对应的通信弧长的计算如公式(4)所示：

28、

29、在时隙k内，地面节点u与卫星s的剩余通信时间为的计算如公式(5)所示：

30、

31、其中，表示卫星s在时隙k的剩余通信时间，表示卫星s对地面目标区域的总服务时长。

32、进一步的，所述步骤4)中用户i与地面基站o的距离的计算如公式(6)所示：

33、

34、其中，(xi,yi)表示用户i的位置，(xo,yo)表示地面基站o的位置。

35、进一步的，所述步骤104中子算法2包括以下步骤：

36、11)设临时集合i″＝i，计算i″中每个用户i从时隙1至时隙k期间的平均单位任务卸载时延并根据的值对i″中的用户降序排列，初始化用户i在k时隙本地卸载任务量卸载到地面基站o的任务量卸载到卫星s的任务量

37、12)如果集合从i″中取出第一个用户i，跳转到步骤13)，否则，跳转到步骤20)；

38、13)如果gi＝1，调用子算法3为用户i选择通信卫星s，分别计算用户i卸载到本地、地面基站o和卫星s的任务量和跳转到步骤17)，否则，跳转到步骤14)；

39、14)如果gi＝2，分别计算用户i本地、地面基站o的任务量和跳转到步骤17)，否则，跳转到步骤15)；

40、15)如果gi＝3，令计算用户i在k时隙卸载到本地的任务量跳转到步骤17)，否则，跳转到步骤16)；

41、16)调用子算法3为用户i选择通信卫星s，分别计算用户i在k时隙卸载到本地、卫星s的任务量和跳转到步骤17)；

42、17)令如果令二进制变量将任务量卸载到本地处理，跳转到步骤12)，否则，跳转到步骤18)；

43、18)如果令二进制变量将任务量卸载到地面基站o处理，跳转到步骤12)，否则，跳转到步骤19)；

44、19)令二进制变量将任务量卸载到卫星s处理，跳转到步骤12)；20)算法结束。

45、进一步的，所述步骤11)中用户i的平均单位任务卸载时延的计算方法如公式(7)所示：

46、

47、其中，和分别表示用户i在时隙k的二进制卸载决策变量，如果用户i在时隙k将任务卸载至本地处理，否则，如果用户i在时隙k将任务卸载至地面基站o处理，否则，如果用户i在时隙k将任务卸载至卫星s处理，否则，且

48、进一步的，所述步骤13)中子算法3为时隙k的用户i选择卫星的方法，具体包括：

49、21)如果跳转到步骤22)，否则，跳转到步骤25)；

50、22)计算在时隙k用户i与集合si中每颗卫星的距离根据用户i所需的计算资源和任务属性计算卫星s的最大剩余可用计算资源和对用户i的可分配计算资源量

51、23)令建立临时集合对si中的每颗卫星，将的卫星s放入如果跳转到步骤24)，否则，选择的卫星s为用户i提供服务，跳转到步骤29)；

52、24)令建立临时集合对中的每颗卫星，将的卫星s放入如果令选择的卫星s为用户i提供服务，跳转到步骤29)，否则，选择的卫星s为用户i提供服务，跳转到步骤29)；

53、25)如果跳转到步骤23)，否则，跳转到步骤26)；

54、26)计算在时隙k地面用户i与集合(si∩so)中每颗卫星的距离和卫星s的最大剩余可用计算资源和对用户i的可分配计算资源量

55、27)令建立临时集合对(si∩so)中的每颗卫星，如果将卫星s放入跳转到步骤28)，否则，选择的卫星s为用户i提供服务，跳转到步骤29)；

56、28)令建立临时集合对中的每颗卫星，将的卫星s放入如果令选择的卫星s为用户i提供服务，跳转到步骤29)，否则，选择的卫星s为用户i提供服务，跳转到步骤29)；

57、29)算法结束。

58、进一步的，所述步骤22)中时隙k卫星s的最大剩余可用计算资源的计算方法如公式(8)所示，对用户i的可分配计算资源量的计算方法如公式(9)所示：

59、

60、

61、公式(8)中，fs表示卫星s总的计算资源，i′表示除用户i的集合{i-i}中任一用户；公式(9)中，ci表示用户i的计算复杂度，u表示任务单元数据量，c表示光速，表示用户i在时隙k的待处理任务单元个数，如公式(10)所示，表示用户i与卫星s在时隙k的传输速率，如公式(11)所示：

62、

63、

64、公式(10)中，τi表示用户i的单位任务容忍时延，表示用户i在时隙k卸载的任务数；公式(11)中，bi,s表示用户i与卫星s的通信带宽，pi表示用户i的发射功率，表示用户i的发射天线增益，表示卫星s的接收天线增益，表示雨量衰减，表示时隙k用户i与卫星s间链路的自由空间损耗，σi,s2为加性高斯白噪声的噪声方差。

65、进一步的，所述步骤23)、24)、25)、26)中，用户i在时隙k本地卸载任务量如公式(12)所示，用户i在时隙k卸载到基站o的任务量的计算方法如公式(13)所示，用户i在时隙k卸载到卫星s的任务量如公式(14)所示：

66、

67、

68、

69、其中，公式(12)中fi,l表示用户i本地卸载任务的可用计算资源；公式(13)中，分别表示k时隙用户i与卫星s间的传输距离、卫星s与地面基站o间的传输距离，表示k时隙用户i与地面基站o间的传输速率，如公式(15)所示，表示k时隙基站o为用户i分配的计算资源量，如公式(16)所示，表示k时隙卫星s与地面基站o间的传输速率，如公式(17)所示，表示k时隙用户i与地面基站o间的传输速率，如公式(18)所示：

70、

71、

72、

73、

74、

75、公式(15)中，bi,o表示用户i与地面基站o通信的信道带宽，表示k时隙用户i与地面基站o通信的信道增益，σi,o2表示加性高斯白噪声的噪声方差；公式(16)中，fo表示地面基站o的总计算资源，表示用户i在时隙k对地面基站o的计算资源需求，如公式(19)所示；公式(17)中bs,o表示卫星s与地面基站o通信的信道带宽，ps表示卫星s的发射功率，表示卫星s的发射天线增益，表示地面基站o的接收天线增益，表示k时隙低轨卫星s与地面基站o间的链路自由空间损耗，σs,o2为加性高斯白噪声的噪声方差。

76、本发明的优点及有益效果如下：

77、本发明提出一种基于混合星地网络协作的任务卸载及资源分配方法。现有关于混合星地网络任务卸载的研究主要利用卫星资源作为地面网络资源的补充，较少考虑地面基站与低轨卫星间的协作。然而，在混合星地网络中，低轨卫星的高速时变性和地面基站覆盖的局限性，可能造成网络资源利用率低、卸载任务调度困难及用户服务体验差的问题。针对这一问题，提出一种基于混合星地网络协作的任务卸载及资源分配方法。该方法根据地面用户在星地网络中的实时位置和星地资源的动态分布，通过星地协作选择合理的任务卸载模式，最优化任务调度和资源分配策略，从而有效提高星地网络的资源利用率，降低用户的平均任务卸载时延。