CN109151027B - 星空地协同物联网通信方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种星空地协同物联网通信方法及装置，所述方法包括：在动态中继运行的一个周期内，基于获取到的每一物联网终端的空间位置信息、动态中继的空间位置信息和动态中继的运行参数，构建优化问题模型；计算优化问题模型的最优解，并根据最优解实现每一物联网终端与动态中继之间的通信。本发明实施例提供的星空地协同物联网通信方法及装置，通过构建优化问题模型，然后计算优化问题模型的最优解，获取每一物联网终端的发射功率，动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，实现每一物联网终端与动态中继之间的通信，提高了物联网终端的吞吐量，降低了网络的通信时延和开销，缩减了网络操作成本。

Description

星空地协同物联网通信方法及装置
技术领域
本发明实施例涉及物联网通信技术领域，尤其涉及一种星空地协同物联网通信方法及装置。
背景技术
星空地协同物联网通信系统是指由卫星、动态中继和物联网终端构成的物联网通信系统，其中，动态中继处于空中，其空间位置和运行轨迹将对星空地协同物联网通信系统的通信效率产生重大影响。
现有技术中，星空地协同物联网通信系统中仍面临很多重要挑战，尤其是以无人机作为动态中继的星空地协同物联网通信系统，一方面，部分物联网终端(比如雨伞、书、手表等)由于其自身大小的限制，其能量也有限，因此，如何保证物联网终端向动态中继传输数据时消耗的能量最小是重要挑战。另一方面，由于无人机的高可移动性，如何设计无人机在空间的飞行高度，以使无人机与物联网终端之间的通信链路最佳，从而保证物联网终端向无人机传输的速率最大，降低网络的通信时延和开销，缩减网络操作的成本是也是重要挑战。在偏远地区，由于缺乏网络盲区，很难实现对无人机乱飞现象的监控和管理；现有的雷达系统虽然能很好地监测无人机的位置等信息，但是成本高，难适用于民用，因此，如何对无人机的动态信息进行管控也极其重要。最关键的是，现有技术中由于无人机的运行高度固定，不能最大化满足物联网终端对通信服务的需求，物联网终端的吞吐量较低，网络的通信时延和开销都较大。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的星空地协同物联网通信方法及装置。
为了解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供一种星空地协同物联网通信方法，包括：
在动态中继运行的一个周期内，基于获取到的每一物联网终端的空间位置信息、所述动态中继的空间位置信息和所述动态中继的运行参数，构建优化问题模型，所述周期包含若干个时隙；
计算所述优化问题模型的最优解，所述最优解包括每一物联网终端的发射功率，所述动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，并根据所述最优解实现每一物联网终端与所述动态中继之间的通信。
另一方面，本发明实施例提供一种星空地协同物联网通信装置，包括：
构建模块，用于在动态中继运行的一个周期内，基于获取到的每一物联网终端的空间位置信息、所述动态中继的空间位置信息和所述动态中继的运行参数，构建优化问题模型，所述周期包含若干个时隙；
计算模块，用于计算所述优化问题模型的最优解，所述最优解包括每一物联网终端的发射功率，所述动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，并根据所述最优解实现每一物联网终端与所述动态中继之间的通信。
再一方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：
存储器和处理器，所述处理器和所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行上述的方法。
又一方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法。
本发明实施例提供的星空地协同物联网通信方法及装置，通过构建优化问题模型，然后计算优化问题模型的最优解，获取每一物联网终端的发射功率，动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，实现每一物联网终端与动态中继之间的通信，提高了物联网终端的吞吐量，降低了网络的通信时延和开销，缩减了网络操作成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的星空地协同物联网通信方法示意图；
图2为本发明实施例提供的星空地协同物联网通信系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的利用块坐标下降法计算优化问题模型的最优解的逻辑流程示意图；
图4为本发明实施例提供的星空地协同物联网通信装置示意图；
图5为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的星空地协同物联网通信方法示意图，如图1所示，本发明实施例提供一种星空地协同物联网通信方法，其执行主体为星空地协同物联网通信装置，该方法包括：
步骤S101、在动态中继运行的一个周期内，基于获取到的每一物联网终端的空间位置信息、所述动态中继的空间位置信息和所述动态中继的运行参数，构建优化问题模型，所述周期包含若干个时隙；
步骤S102、计算所述优化问题模型的最优解，所述最优解包括每一物联网终端的发射功率，所述动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，并根据所述最优解实现每一物联网终端与所述动态中继之间的通信。
具体来说，图2为本发明实施例提供的星空地协同物联网通信系统的结构示意图，如图2所示，星空地协同物联网通信系统由一个单天线的卫星，一个单天线的动态中继，K个单天线的物联网终端，一个数据处理中心组成。其中，为了提高通信速率，优选的，采用无人机作为动态中继，为所有物联网终端提供服务，以满足物联网终端的通信需求。该无人机将采集来的数据通过卫星转发给数据处理中心进行处理，数据处理中心则将处理后的信息进一步反馈给卫星并指导卫星对无人机的动态信息进行实时管控。
在星空地协同物联网通信系统中，K个单天线的物联网终端与同一个无人机进行通信，可视为该无人机管辖这个K个物联网终端，而这K个物联网终端所分布的一个圆形区域可视为一个小区。
在物联网终端与无人机进行通信的过程中，并且为了避免物联网终端之间的干扰，使用时分多址(TDMA)模式进行通信。无人机飞行在该小区的正上方，优选的，其飞行轨迹遵循圆形的飞行轨迹，飞行半径为rU，速度为v，运行周期为T，在空间飞行的初始相位角为
Figure BDA0001774922460000041
将无人机的飞行周期T等分为N个单位长度的子时隙，并且在每个子时隙内，无人机与物联网终端之间的大尺度衰落保持恒定，从而实现TDMA模式的通信方式。
首先，在动态中继运行的一个周期内，需要获取每一物联网终端的空间位置信息、动态中继的空间位置信息和动态中继的运行参数。
在该星空地协同物联网通信系统中，物联网终端i的空间位置信息用其空间位置坐标来表示，表示为(ricosθi,risinθi,0)，其中，ri为物联网终端i与小区中心的水平距离，θi为相应的水平角度。
由于物联网终端和动态中继之间使用TDMA模式进行通信，动态中继的轨迹遵循圆形的运行轨迹，运行半径为rU，速度为v，运行周期为T，在空间运行的初始相位角为
Figure BDA0001774922460000042
将动态中继的运行周期T等分为N个单位长度的子时隙，并且在每个子时隙内，动态中继与物联网终端之间的大尺度衰落保持恒定，则在第n个子时隙内，动态中继的空间位置信息用其空间位置坐标可表示为：
Figure BDA0001774922460000043
由于动态中继的运行高度h对星空地协同物联网通信系统的通信效率和质量影响较大，为了便于计算，动态中继的运行半径为rU，速度为v，运行周期为T，在空间运行的初始相位角为
Figure BDA0001774922460000044
均为预设值，直接获取这些运行参数。而动态中继的运行高度h，需要进行优化计算，获得最佳值。
然后，基于每一物联网终端的空间位置信息、动态中继的空间位置信息和动态中继的运行参数，构建优化问题模型，构建该优化问题模型的目的是在保证所有物联网终端与动态中继通信的和速率最大的前提下，获取每一物联网终端的最佳发射功率，获取动态中继的最佳运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的最佳调度信息。物联网终端与动态中继通信的和速率指的是在动态中继运行的一个周期内，所有物联网终端与动态中继进行通信的速率之和。
其中，在第n个子时隙内，动态中继与物联网终端i之间的空间距离为di[n]，di[n]的表达式如下：
Figure BDA0001774922460000051
在第n个子时隙内，动态中继相对于物联网终端i之间的仰角为ρi[n]，ρi[n]的表达式如下：
Figure BDA0001774922460000052
在第n个子时隙内，动态中继与物联网终端i之间的路径损耗为PLi[n]，PLi[n]的表达式如下：
Figure BDA0001774922460000053
其中，A＝ηLoS-ηNLoS，a、b、ηLoS和ηNLoS是与通信环境有关的常量，f是载波频率，c表示光速。
因此，在第n个子时隙内，动态中继与物联网终端i之间的绝对路径损耗为Qi[n]，Qi[n]的表达式如下：
Figure BDA0001774922460000054
基于上述实际的通信信道模型，即可构建出优化问题模型。
最后，计算优化问题模型的最优解，最优解包括每一物联网终端的发射功率，动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，并根据最优解实现每一物联网终端与动态中继之间的通信。
本发明实施例提供的星空地协同物联网通信方法，通过构建优化问题模型，然后计算优化问题模型的最优解，获取每一物联网终端的发射功率，动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，实现每一物联网终端与动态中继之间的通信，提高了物联网终端的吞吐量，降低了网络的通信时延和开销，更好地满足物联网终端对通信服务的需求，缩减了网络操作成本。
在上述实施例的基础上，进一步地，所述动态中继的运行参数包括：运行的圆形轨迹的半径、运行速率和运行周期。
具体来说，动态中继的运行高度h对星空地协同物联网通信系统的通信效率和质量影响较大，为了便于计算，动态中继的运行参数，例如，运行半径为rU，速度为v，运行周期为T，在空间运行的初始相位角为
Figure BDA0001774922460000061
均为预设值，直接获取这些运行参数。而动态中继的运行高度h，需要进行优化计算，获得最佳值。
本发明实施例提供的星空地协同物联网通信方法，通过构建优化问题模型，然后计算优化问题模型的最优解，获取每一物联网终端的发射功率，动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，实现每一物联网终端与动态中继之间的通信，提高了物联网终端的吞吐量，降低了网络的通信时延和开销，更好地满足物联网终端对通信服务的需求，缩减了网络操作成本。
在以上各实施例的基础上，进一步地，所述优化问题模型的目标为：最大化所有物联网终端与所述动态中继通信的和速率；
所述优化问题模型的约束条件为：
a、每一物联网终端在每一时隙内的调度信息只能为第一调度值或者第二调度值；所述第一调度值用于指示某一物联网终端在某一时隙内被调度，与所述动态中继进行通信；所述第二调度值用于指示某一物联网终端在某一时隙内未被调度，不与所述动态中继进行通信；
b、在每一时隙内最多只能有一个物联网终端被调度；
c、每一物联网终端的发射功率均大于零，且小于等于预设功率阈值；
d、所述动态中继的运行高度大于零。
具体来说，构建该优化问题模型的目的是在保证所有物联网终端与动态中继通信的和速率最大的前提下，获取每一物联网终端的最佳发射功率，获取动态中继的最佳运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的最佳调度信息。
优化问题模型的目标为：最大化所有物联网终端与所述动态中继通信的和速率；
优化问题模型的约束条件为：
a、每一物联网终端在每一时隙内的调度信息只能为第一调度值或者第二调度值；第一调度值用于指示某一物联网终端在某一时隙内被调度，与动态中继进行通信；第二调度值用于指示某一物联网终端在某一时隙内未被调度，不与动态中继进行通信；
b、在每一时隙内最多只能有一个物联网终端被调度；
c、每一物联网终端的发射功率均大于零，且小于等于预设功率阈值；
d、所述动态中继的运行高度大于零。
基于上述实施例中获取到的实际的通信信道模型，构建出优化问题模型如下：
Figure BDA0001774922460000071
Figure BDA0001774922460000072
Figure BDA0001774922460000073
Figure BDA0001774922460000074
h＞0
其中，pi表示物联网终端i的发射功率，gi表示动态中继与物联网终端i之间的小尺度衰落系数，δ2表示动态中继端的噪声方差值。
此外，在第n个子时隙内，ai[n]为物联网终端i的调度信息，当ai[n]为第一调度值时，即ai[n]＝1，表示物联网终端i在第n个子时隙内被调度，与动态中继进行通信；当ai[n]为第二调度值时，即ai[n]＝0，表示物联网终端i在第n个子时隙内未被调度，不与动态中继进行通信。
本发明实施例提供的星空地协同物联网通信方法，通过构建优化问题模型，然后计算优化问题模型的最优解，获取每一物联网终端的发射功率，动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，实现每一物联网终端与动态中继之间的通信，提高了物联网终端的吞吐量，降低了网络的通信时延和开销，更好地满足物联网终端对通信服务的需求，缩减了网络操作成本。
在以上各实施例的基础上，进一步地，所述计算所述优化问题模型的最优解，具体包括：
对所述优化问题模型的约束条件进行简化松弛；
利用块坐标下降法计算所述优化问题模型的最优解。
具体来说，上述实施例中构建的优化问题模型是非凸优化问题，本发明实施例中采用块坐标下降法计算优化问题模型的最优解。
由于，优化问题模型中对物联网终端i的调度信息的约束条件是个0-1规划问题，在使用块坐标下降法之前，首先对该约束条件进行简化松弛，使其由仅含有0和1两个数的离散约束形式
Figure BDA0001774922460000081
松弛为从0到1的连续形式
Figure BDA0001774922460000082
进而采用块坐标下降法计算优化问题模型的最优解。
本发明实施例提供的星空地协同物联网通信方法，通过构建优化问题模型，然后计算优化问题模型的最优解，获取每一物联网终端的发射功率，动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，实现每一物联网终端与动态中继之间的通信，提高了物联网终端的吞吐量，降低了网络的通信时延和开销，更好地满足物联网终端对通信服务的需求，缩减了网络操作成本。
在以上各实施例的基础上，进一步地，所述利用块坐标下降法计算所述优化问题模型的最优解，具体包括：
对参数变量进行交互迭代，获取当前迭代周期的最优的参数变量，所述参数变量为每一物联网终端的发射功率，所述动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息；
根据当前迭代周期的最优的参数变量，计算所述优化问题模型的目标函数的增量；
若判断获知所述优化问题模型的目标函数的增量小于预设迭代终止阈值，则终止迭代，以当前迭代周期的最优的参数变量作为所述优化问题模型的最优解。
具体来说，利用块坐标下降法计算优化问题模型的最优解的过程主要包含两大步：一是交互迭代，二是计算所有物联网终端与动态中继进行通信的最大和速率，并判断是否结束迭代。
图3为本发明实施例提供的利用块坐标下降法计算优化问题模型的最优解的逻辑流程示意图，下面以上行通信为例并结合图3进行详细说明，步骤如下：
a、初始化参数
初始化物联网终端的上行传输功率
Figure BDA0001774922460000091
和无人机的飞行高度h，并给定算法迭代终止的门限值ε，即，在一次迭代过程中，若优化问题模型的目标函数的增量小于迭代终止的门限值ε，则迭代终止。
b、在初始化参数基础上，采用块坐标下降法，对优化参数变量A、P和h进行交互迭代，直到目标函数的增量小于迭代终止的门限值ε，最后所得的A、P和h就是其最优解。其中，A表示每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，
Figure BDA0001774922460000092
P表示每一物联网终端的发射功率，
Figure BDA0001774922460000093
h为动态中继的运行高度。
b1、根据由上一次迭代得到的物联网终端的上行传输功率P和动态中继的飞行高度h，即在当前给定的P和h的条件下，求解下列第一优化问题，从而得到调度信息的最优解
Figure BDA0001774922460000094
Figure BDA0001774922460000095
Figure BDA0001774922460000096
Figure BDA0001774922460000097
b2、根据步骤b1得到的调度信息的最优解
Figure BDA0001774922460000098
和由上一次迭代得到的动态中继运行高度h，即在当前给定的
Figure BDA0001774922460000099
和h的条件下，求解下列第二优化问题，从而得到物联网终端传输功率的最优解
Figure BDA00017749224600000910
Figure BDA0001774922460000101
Figure BDA0001774922460000102
b3、根据步骤b1得到的调度信息的最优解
Figure BDA0001774922460000103
和步骤b2得到物联网终端上行传输功率的最优解
Figure BDA0001774922460000104
即在当前给定的
Figure BDA0001774922460000105
和
Figure BDA0001774922460000106
的条件下，求解下列第三优化问题，得到动态中继运行高度的最优解
Figure BDA0001774922460000107
Figure BDA0001774922460000108
s.t.h＞0
由于第三优化问题是非凸优化问题，第三优化问题其实质是求函数
Figure BDA0001774922460000109
满足h＞0的最大值，因此采用数值搜索的方式求解，从而得到无人机飞行高度最优解
Figure BDA00017749224600001010
c、在步骤b所得到的优化问题模型在当前迭代周期的最优解
Figure BDA00017749224600001011
和
Figure BDA00017749224600001012
基础上，求得所有物联网终端与动态中继进行通信的最大和速率，并判断是否结束迭代。详细步骤如下：
c1、根据公式
Figure BDA00017749224600001013
和公式
Figure BDA00017749224600001014
分别计算出在第n个子时隙内，动态中继与物联网终端i之间的最优距离，以及动态中继相对于物联网终端i的最优仰角，进一步得到动态中继与物联网终端i之间的最优路径损耗
Figure BDA00017749224600001015
从而求得最优的绝对路径损耗
Figure BDA00017749224600001016
即在第n个子时隙内，动态中继与物联网终端i之间的最优的大尺度衰落系数值。
c2、由公式
Figure BDA00017749224600001017
计算得到当前迭代周期中所有物联网终端与动态中继进行通信的最大和速率；
c3、判断是否结束迭代：
c31、由公式
Figure BDA0001774922460000111
得到上一次迭代周期中所有物联网终端与动态中继进行通信的最大和速率，再由公式
Figure BDA0001774922460000112
计算得到最大和速率的增量Δ；
c32、若Δ＞ε，则令
Figure BDA0001774922460000113
并返回到步骤b，继续迭代；
如果Δ≤ε，则认为迭代已经收敛，结束迭代，得到最终的调度信息A、上行传输功率P和动态中继运行高度h的最优解，以及所有物联网终端与动态中继进行通信的最大和速率。
本发明实施例提供的星空地协同物联网通信方法，通过构建优化问题模型，然后计算优化问题模型的最优解，获取每一物联网终端的发射功率，动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，实现每一物联网终端与动态中继之间的通信，提高了物联网终端的吞吐量，降低了网络的通信时延和开销，更好地满足物联网终端对通信服务的需求，缩减了网络操作成本。
图4为本发明实施例提供的星空地协同物联网通信装置示意图，如图4所示，本发明实施例提供一种星空地协同物联网通信装置，用于执行上述任一实施例中所述的方法，具体包括构建模块401和计算模块402，其中，
构建模块401用于在动态中继运行的一个周期内，基于获取到的每一物联网终端的空间位置信息、所述动态中继的空间位置信息和所述动态中继的运行参数，构建优化问题模型，所述周期包含若干个时隙；
计算模块402用于计算所述优化问题模型的最优解，所述最优解包括每一物联网终端的发射功率，所述动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，并根据所述最优解实现每一物联网终端与所述动态中继之间的通信。
具体来说，首先，在动态中继运行的一个周期内，需要获取每一物联网终端的空间位置信息、动态中继的空间位置信息和动态中继的运行参数。
在该星空地协同物联网通信系统中，物联网终端i的空间位置信息用其空间位置坐标来表示，表示为(ricosθi,risinθi,0)，其中，ri为物联网终端i与小区中心的水平距离，θi为相应的水平角度。
由于物联网终端和动态中继之间使用TDMA模式进行通信，动态中继的轨迹遵循圆形的运行轨迹，运行半径为rU，速度为v，运行周期为T，在空间运行的初始相位角为
Figure BDA0001774922460000121
将动态中继的运行周期T等分为N个单位长度的子时隙，并且在每个子时隙内，动态中继与物联网终端之间的大尺度衰落保持恒定，则在第n个子时隙内，动态中继的空间位置信息用其空间位置坐标可表示为：
Figure BDA0001774922460000122
由于，动态中继的运行高度h对星空地协同物联网通信系统的通信效率和质量影响较大，为了便于计算，动态中继的运行半径为rU，速度为v，运行周期为T，在空间运行的初始相位角为
Figure BDA0001774922460000123
均为预设值，直接获取这些运行参数。而动态中继的运行高度h，需要进行优化计算，获得最佳值。
然后，通过构建模块401基于每一物联网终端的空间位置信息、动态中继的空间位置信息和动态中继的运行参数，构建优化问题模型，构建该优化问题模型的目的是在保证所有物联网终端与动态中继通信的和速率最大的前提下，获取每一物联网终端的最佳发射功率，获取动态中继的最佳运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的最佳调度信息。所有物联网终端与动态中继通信的和速率指的是在动态中继运行的一个周期内，所有物联网终端与动态中继进行通信的速率之和。
其中，在第n个子时隙内，动态中继与物联网终端i之间的空间距离为di[n]，di[n]的表达式如下：
Figure BDA0001774922460000124
在第n个子时隙内，动态中继相对于物联网终端i之间的仰角为ρi[n]，ρi[n]的表达式如下：
Figure BDA0001774922460000125
在第n个子时隙内，动态中继与物联网终端i之间的路径损耗为PLi[n]，PLi[n]的表达式如下：
Figure BDA0001774922460000131
其中，A＝ηLoS-ηNLoS，a、b、ηLoS和ηNLoS是与通信环境有关的常量，f是载波频率，c表示光速。
因此，在第n个子时隙内，动态中继与物联网终端i之间的绝对路径损耗为Qi[n]，Qi[n]的表达式如下：
Figure BDA0001774922460000132
基于上述实际的通信信道模型，即可构建出优化问题模型。
最后，通过计算模块402计算优化问题模型的最优解，最优解包括每一物联网终端的发射功率，动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，并根据最优解实现每一物联网终端与动态中继之间的通信。
本发明实施例提供一种基于速度约束的多维时序数据修复装置，用于执行上述任一实施例中所述的方法，通过本实施例提供的装置执行上述某一实施例中所述的方法的具体步骤与上述相应实施例相同，此处不再赘述。
本发明实施例提供的星空地协同物联网通信装置，通过构建优化问题模型，然后计算优化问题模型的最优解，获取每一物联网终端的发射功率，动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，实现每一物联网终端与动态中继之间的通信，提高了物联网终端的吞吐量，降低了网络的通信时延和开销，更好地满足物联网终端对通信服务的需求，缩减了网络操作成本。
在上述实施例的基础上，进一步地，所述动态中继的运行参数包括：运行的圆形轨迹的半径、运行速率和运行周期。
具体来说，动态中继的运行高度h对星空地协同物联网通信系统的通信效率和质量影响较大，为了便于计算，动态中继的运行参数，例如，运行半径为rU，速度为v，运行周期为T，在空间运行的初始相位角为
Figure BDA0001774922460000133
均为预设值，直接获取这些运行参数。而动态中继的运行高度h，需要进行优化计算，获得最佳值。
本发明实施例提供的星空地协同物联网通信装置，通过构建优化问题模型，然后计算优化问题模型的最优解，获取每一物联网终端的发射功率，动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，实现每一物联网终端与动态中继之间的通信，提高了物联网终端的吞吐量，降低了网络的通信时延和开销，更好地满足物联网终端对通信服务的需求，缩减了网络操作成本。
在以上各实施例的基础上，进一步地，所述优化问题模型的目标为：最大化所有物联网终端与所述动态中继通信的和速率；
所述优化问题模型的约束条件为：
a、每一物联网终端在每一时隙内的调度信息只能为第一调度值或者第二调度值；所述第一调度值用于指示某一物联网终端在某一时隙内被调度，与所述动态中继进行通信；所述第二调度值用于指示某一物联网终端在某一时隙内未被调度，不与所述动态中继进行通信；
b、在每一时隙内最多只能有一个物联网终端被调度；
c、每一物联网终端的发射功率均大于零，且小于等于预设功率阈值；
d、所述动态中继的运行高度大于零。
具体来说，构建该优化问题模型的目的是在保证所有物联网终端与动态中继通信的和速率最大的前提下，获取每一物联网终端的最佳发射功率，获取动态中继的最佳运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的最佳调度信息。
优化问题模型的目标为：最大化所有物联网终端与所述动态中继通信的和速率；
优化问题模型的约束条件为：
a、每一物联网终端在每一时隙内的调度信息只能为第一调度值或者第二调度值；第一调度值用于指示某一物联网终端在某一时隙内被调度，与动态中继进行通信；第二调度值用于指示某一物联网终端在某一时隙内未被调度，不与动态中继进行通信；
b、在每一时隙内最多只能有一个物联网终端被调度；
c、每一物联网终端的发射功率均大于零，且小于等于预设功率阈值；
d、所述动态中继的运行高度大于零。
基于上述实施例中获取到的实际的通信信道模型，构建出优化问题模型如下：
Figure BDA0001774922460000151
Figure BDA0001774922460000152
Figure BDA0001774922460000153
Figure BDA0001774922460000154
h＞0
其中，pi表示物联网终端i的发射功率，gi表示动态中继与物联网终端i之间的小尺度衰落系数，δ2表示动态中继端的噪声方差值。
此外，在第n个子时隙内，ai[n]为物联网终端i的调度信息，当ai[n]为第一调度值时，即ai[n]＝1，表示物联网终端i在第n个子时隙内被调度，与动态中继进行通信；当ai[n]为第二调度值时，即ai[n]＝0，表示物联网终端i在第n个子时隙内未被调度，不与动态中继进行通信。
本发明实施例提供的星空地协同物联网通信装置，通过构建优化问题模型，然后计算优化问题模型的最优解，获取每一物联网终端的发射功率，动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，实现每一物联网终端与动态中继之间的通信，提高了物联网终端的吞吐量，降低了网络的通信时延和开销，更好地满足物联网终端对通信服务的需求，缩减了网络操作成本。
图5为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图，如图5所示，所述设备包括：处理器501、存储器502和总线503；
其中，处理器501和存储器502通过所述总线503完成相互间的通信；
处理器501用于调用存储器502中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：
在动态中继运行的一个周期内，基于获取到的每一物联网终端的空间位置信息、所述动态中继的空间位置信息和所述动态中继的运行参数，构建优化问题模型，所述周期包含若干个时隙；
计算所述优化问题模型的最优解，所述最优解包括每一物联网终端的发射功率，所述动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，并根据所述最优解实现每一物联网终端与所述动态中继之间的通信。
本发明实施例提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：
在动态中继运行的一个周期内，基于获取到的每一物联网终端的空间位置信息、所述动态中继的空间位置信息和所述动态中继的运行参数，构建优化问题模型，所述周期包含若干个时隙；
计算所述优化问题模型的最优解，所述最优解包括每一物联网终端的发射功率，所述动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，并根据所述最优解实现每一物联网终端与所述动态中继之间的通信。
本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：
在动态中继运行的一个周期内，基于获取到的每一物联网终端的空间位置信息、所述动态中继的空间位置信息和所述动态中继的运行参数，构建优化问题模型，所述周期包含若干个时隙；
计算所述优化问题模型的最优解，所述最优解包括每一物联网终端的发射功率，所述动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，并根据所述最优解实现每一物联网终端与所述动态中继之间的通信。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的装置及设备等实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种星空地协同物联网通信方法，其特征在于，包括：
在动态中继运行的一个周期内，基于获取到的每一物联网终端的空间位置信息、所述动态中继的空间位置信息和所述动态中继的运行参数，构建优化问题模型，所述周期包含若干个时隙；
计算所述优化问题模型的最优解，所述最优解包括每一物联网终端的发射功率，所述动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，并根据所述最优解实现每一物联网终端与所述动态中继之间的通信；
所述优化问题模型的目标为：最大化所有物联网终端与所述动态中继通信的和速率；
所述优化问题模型的约束条件为：
a、每一物联网终端在每一时隙内的调度信息只能为第一调度值或者第二调度值；所述第一调度值用于指示某一物联网终端在某一时隙内被调度，与所述动态中继进行通信；所述第二调度值用于指示某一物联网终端在某一时隙内未被调度，不与所述动态中继进行通信；
b、在每一时隙内最多只能有一个物联网终端被调度；
c、每一物联网终端的发射功率均大于零，且小于等于预设功率阈值；
d、所述动态中继的运行高度大于零。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动态中继的运行参数包括：运行的圆形轨迹的半径、运行速率和运行周期。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述优化问题模型的最优解，具体包括：
对所述优化问题模型的约束条件进行简化松弛；
利用块坐标下降法计算所述优化问题模型的最优解。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用块坐标下降法计算所述优化问题模型的最优解，具体包括：
对参数变量进行交互迭代，获取当前迭代周期的最优的参数变量，所述参数变量为每一物联网终端的发射功率，所述动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息；
根据当前迭代周期的最优的参数变量，计算所述优化问题模型的目标函数的增量；
若判断获知所述优化问题模型的目标函数的增量小于预设迭代终止阈值，则终止迭代，以当前迭代周期的最优的参数变量作为所述优化问题模型的最优解。
5.一种星空地协同物联网通信装置，其特征在于，包括：
构建模块，用于在动态中继运行的一个周期内，基于获取到的每一物联网终端的空间位置信息、所述动态中继的空间位置信息和所述动态中继的运行参数，构建优化问题模型，所述周期包含若干个时隙；
计算模块，用于计算所述优化问题模型的最优解，所述最优解包括每一物联网终端的发射功率，所述动态中继的运行高度，以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息，并根据所述最优解实现每一物联网终端与所述动态中继之间的通信；
所述优化问题模型的目标为：最大化所有物联网终端与所述动态中继通信的和速率；
所述优化问题模型的约束条件为：
a、每一物联网终端在每一时隙内的调度信息只能为第一调度值或者第二调度值；所述第一调度值用于指示某一物联网终端在某一时隙内被调度，与所述动态中继进行通信；所述第二调度值用于指示某一物联网终端在某一时隙内未被调度，不与所述动态中继进行通信；
b、在每一时隙内最多只能有一个物联网终端被调度；
c、每一物联网终端的发射功率均大于零，且小于等于预设功率阈值；
d、所述动态中继的运行高度大于零。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述动态中继的运行参数包括：运行的圆形轨迹的半径、运行速率和运行周期。
7.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器和处理器，所述处理器和所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至4任一所述的方法。
8.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一所述的方法。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109768815B (zh) * 2019-01-18 2020-11-03 北京邮电大学 非信任双向中继多天线协作通信方法、装置及存储介质
CN110650039B (zh) * 2019-09-17 2022-06-10 沈阳航空航天大学 一种基于多峰优化的无人机群辅助车辆网络协同通信模型
CN111417126B (zh) * 2020-03-24 2021-09-10 清华大学 星空地协同海洋通信网络按需覆盖方法及装置
CN111417125B (zh) * 2020-03-24 2021-06-29 清华大学 星空地协同海洋通信网络容量优化方法及装置
CN112821938B (zh) * 2021-01-08 2021-10-22 重庆大学 一种空天地卫星通信系统的总吞吐量及能耗优化方法
CN112866368B (zh) * 2021-01-12 2022-03-18 北京邮电大学 一种空天地远程物联网设计方法及系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105847174A (zh) * 2016-04-25 2016-08-10 哈尔滨理工大学 一种基于陆空一体化车联网系统的数据压缩传输方法
CN107272742A (zh) * 2017-08-07 2017-10-20 深圳市华琥技术有限公司 一种无人机群协同作业的导航控制方法
CN107316487A (zh) * 2017-07-11 2017-11-03 东莞市信瑞智能科技有限公司 车联网智能车载信息终端及信息交互方法
CN107493606A (zh) * 2017-08-03 2017-12-19 清华大学 一种用户终端的分时调度方法和装置
US10007265B1 (en) * 2016-08-17 2018-06-26 Amazon Technologies, Inc. Hostile takeover avoidance of unmanned vehicles

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180033318A1 (en) * 2016-07-29 2018-02-01 Ge Aviation Systems Llc Sense and avoid maneuvering

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105847174A (zh) * 2016-04-25 2016-08-10 哈尔滨理工大学 一种基于陆空一体化车联网系统的数据压缩传输方法
US10007265B1 (en) * 2016-08-17 2018-06-26 Amazon Technologies, Inc. Hostile takeover avoidance of unmanned vehicles
CN107316487A (zh) * 2017-07-11 2017-11-03 东莞市信瑞智能科技有限公司 车联网智能车载信息终端及信息交互方法
CN107493606A (zh) * 2017-08-03 2017-12-19 清华大学 一种用户终端的分时调度方法和装置
CN107272742A (zh) * 2017-08-07 2017-10-20 深圳市华琥技术有限公司 一种无人机群协同作业的导航控制方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于无人机辅助的V2I无线传输系统性能优化;郭芳等;《物联网学报》;20170930;第2.1-2.3节，图1 *

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