CN110972313A - 空天地一体化网络的资源分配方法和系统 - Google Patents

空天地一体化网络的资源分配方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种空天地一体化网络的资源分配方法和系统，该方法包括：将每个待分配的时间段划分为多个时隙；对于每个时隙，根据每个设备分别到每个中继的传输信噪比，以及每个中继到卫星的传输信噪比，得到每个设备分别通过每个中继，到达卫星的传输速率；根据每个时隙内，每个设备分别通过每个中继进行通信的分配方案，结合传输速率，得到时间段内所有时隙的系统平均吞吐量；获取系统平均吞吐量最大时，每个时隙的，设备通过中继进行连接、中继运动轨迹以及发射功率分配方案，并进行分配。中继可以动态的移动至智能设备，降低智能设备的发射功耗，延长电池寿命，可以实现中继的灵活部署以及对智能设备的动态覆盖，且有效提升系统最大吞吐量。

Description

空天地一体化网络的资源分配方法和系统
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种空天地一体化网络的资源分配方法和系统。
背景技术
近年来，随着地面通信系统的迅速发展，用户可以体验到更高的数据速率、更广范围的连接和更低延迟的网络访问。但是，这并不意味着地面上所有用户都可以随时享受这种高质量的网络服务。众所周知，由于缺乏网络资源和有效的覆盖范围，传统的地面通信技术的发展难以为地面用户设备提供公平、高质量的服务，尤其是对于部署在沙漠、海洋、森林等偏远地区的设备节点，高昂的部署费用使得地面高速宽带基础设施缺乏，使得这些设备节点仍会遭受窄带访问网络的困扰并产生较大的功耗。当智能设备密集分布于很广泛的范围内，或者分布于不受地面接入网络服务的偏远地区，这种特殊情况下的物联网称为远程物联网(Internet of Remote Things,IoRT)。
有许多基于IoRT的范例的应用场景，如智能电网、环境监测和应急管理等。在智能电网中，通信网络扮演着至关重要的角色，其成本和性能极大地影响着公用事业的收入，对于沙漠地区或海上风电场的结构和功能监控、偏远地区变电站的远程监控和自动控制是IoRT的典型应用，这些通信需求还需要可靠性非常高的备用链路。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)也是IoRT的典型应用场景之一，例如长期环境监测。但是，环境监视对WSN的选择提出了严格的要求：节点数量众多，成本非常低，易于部署，维护成本较低以及电池使用时间非常长(可能使用太阳能)，这对IoRT的应用提出了一大挑战。此外，地震，火灾，洪水，爆炸和恐怖袭击等灾难可能会导致危机情况，需要急救人员进行干预。为了帮助急救人员有效地管理危机，开发了应急信息系统，旨在提供增强的态势感知，自动决策和迅速响应的能力。但是由于灾难的发生导致地面通信设施的毁坏，大大降低了急救人员救援行动的效率。
基于上述挑战，业界进行了许多努力，例如目前有通过空中的气球和无人机提供互联网访问。与地面部分相比，空中和太空通信系统具有更大的覆盖范围，已被用于向岛屿，偏远的山区和灾区提供网络接入服务。但是，不同于地面网络，空中网络和空间网络都有其自身的缺点。卫星通信系统的用户必须忍受较长的传播等待时间，而空中网络的容量有限且链路不稳定。而且，两个网络都具有高移动性。另一方面，地面网络具有最高的吞吐量和最多的资源。由于三个不同高度的网络可以互相补充，研究人员提出了一种称为空天地面综合网络(SAGIN)的综合网络，旨在为用户提供改进的灵活的端到端服务。SAGIN是一个分层网络，包括位于顶部的卫星，位于中层的空中无人驾驶飞行器(UAV)，以及地面智能设备部分。
但是，目前已有SAGIN架构存在局限性，无法在保证系统吞吐量的情况下，实现UAV的灵活部署以及对智能设备的动态覆盖。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种空天地一体化网络的资源分配方法和系统。
第一方面，本发明实施例提供一种空天地一体化网络的资源分配方法，包括：将每个待分配的时间段划分为多个时隙；对于每个时隙，根据每个设备分别到每个中继的传输信噪比，以及每个中继到卫星的传输信噪比，得到每个设备分别通过每个中继，到达卫星的传输速率；根据每个时隙内，每个设备分别通过每个中继进行通信的分配方案，结合所述传输速率，得到时间段内所有时隙的系统平均吞吐量；获取所述系统平均吞吐量最大时，每个时隙的，每个设备通过每个中继进行连接的分配方案、每个中继的运动轨迹方案、每个中继的发射功率以及每个设备的发射功率分配方案，并进行分配；其中，每个设备分别到每个中继的传输信噪比，根据每个设备到每个中继的发射功率和信道增益确定；每个中继到卫星的传输信噪比，根据每个中继到卫星的发射功率和信道增益确定；每个设备到每个中继的信道增益，根据每个设备到每个中继的距离确定；每个中继到卫星的信道增益，根据每个中继到卫星的距离确定。
进一步地，每个时间段最后一个时隙，所有中继的位置恢复到第一个时隙的位置状态。
进一步地，任意两个中继，在同一个时隙的距离大于或等于预设的安全距离。
进一步地，对于任意一个中继，两个相邻时隙的位置距离，小于最大飞行速率除以时隙时长。
进一步地，所述对于每个时隙，根据每个设备分别到每个中继的传输信噪比，以及每个中继到卫星的传输信噪比，得到每个设备分别通过每个中继，到达卫星的传输速率，包括：
Figure BDA0002304909240000031
其中：
Figure BDA0002304909240000032
Figure BDA0002304909240000033
Figure BDA0002304909240000034
Figure BDA0002304909240000035
相应地，所述根据每个时隙内，每个设备分别通过每个中继进行通信的分配方案，结合所述传输速率，得到时间段内所有时隙的系统平均吞吐量，包括：
Figure BDA0002304909240000036
其中，第n个时隙，第k个地面智能设备到第m中继的上行传输功率为
Figure BDA0002304909240000037
在第n个时隙，第k个智能设备到第m个中继的传输信噪比和信道增益分别为
Figure BDA0002304909240000038
第m个中继到卫星的上行传输功率为
Figure BDA0002304909240000039
h0为参考距离1m时的信道增益；在第n个时隙，上行链路中第m个中继到卫星的发射功率为
Figure BDA0002304909240000041
第n个时隙，第m个中继到卫星的传输信噪比和信道增益表达式分别为
Figure BDA0002304909240000042
二元变量ak,m[n]，用来表示在第n个时隙地面设备k是否与第m个中继连接，如果连接，则ak,m[n]＝1，否则为0；dm[n]为第n个时隙，第m个中继到卫星的距离；dk,m[n]为第n个时隙，第k个设备到第m中继的距离，
Figure BDA0002304909240000043
为高斯白噪声，W为卫星的信道带宽。
进一步地，所述获取所述系统平均吞吐量最大时，每个时隙的，每个设备通过每个中继进行连接的分配方案、每个中继的位置方案以及每个中继的发射功率，包括：
以优化问题为：
Figure BDA0002304909240000044
约束条件为：
C1:
Figure BDA0002304909240000045
C2:
Figure BDA0002304909240000046
C3:
Figure BDA0002304909240000047
C4:
Figure BDA0002304909240000048
C5:
Figure BDA0002304909240000049
C6:
Figure BDA00023049092400000410
C7:
Figure BDA00023049092400000411
C8:
Figure BDA00023049092400000412
进行优化求解，得到每个设备通过每个中继进行连接的分配方案、每个中继的运动轨迹方案、每个中继的发射功率以及每个设备的发射功率分配方案；
其中，
Figure BDA00023049092400000413
Figure BDA00023049092400000414
第m个中继在第n个时隙的水平位置表示为qm[n]，在时间δt内可以飞行的最大距离为Smax，不同中继之间的安全距离dmin，卫星的最大容量为
Figure BDA00023049092400000415
Figure BDA00023049092400000416
表示智能设备的最大发射功率，
Figure BDA00023049092400000417
表示中继的最大发射功率。
进一步地，所述进行优化求解，包括：固定中继的运动轨迹方案和发射功率，进行系统容量最大化的优化求解，得到每个设备通过每个中继进行连接的分配方案；固定中继的运动轨迹方案，进行系统容量最大化的优化求解，得到每个中继和设备的发射功率分配方案；根据得到的连接分配方案、每个中继和设备的发射功率分配方案，进行系统容量最大化的优化求解，得到每个中继的运动轨迹方案。
第二方面，本发明实施例提供一种空天地一体化网络的资源分配系统，包括：划分模块，用于将每个待分配的时间段划分为多个时隙；获取模块，用于对于每个时隙，根据每个设备分别到每个中继的传输信噪比，以及每个中继到卫星的传输信噪比，得到每个设备分别通过每个中继，到达卫星的传输速率；分配模块，用于根据每个时隙内，每个设备分别通过每个中继进行通信的分配方案，结合所述传输速率，得到时间段内所有时隙的系统平均吞吐量；处理模块，用于获取所述系统平均吞吐量最大时，每个时隙的，每个设备通过每个中继进行连接的分配方案、每个中继的运动轨迹方案、每个中继的发射功率以及每个设备的发射功率分配方案，并进行分配；其中，每个设备分别到每个中继的传输信噪比，根据每个设备到每个中继的发射功率和信道增益确定；每个中继到卫星的传输信噪比，根据每个中继到卫星的发射功率和信道增益确定；每个设备到每个中继的信道增益，根据每个设备到每个中继的距离确定；每个中继到卫星的信道增益，根据每个中继到卫星的距离确定。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现本发明第一方面空天地一体化网络的资源分配方法的步骤。
第四方面，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，该计算机程序被处理器执行时实现本发明第一方面空天地一体化网络的资源分配方法的步骤。
本发明实施例提供的空天地一体化网络的资源分配方法和系统，低轨卫星可以实现较大范围的覆盖，避免了中继的回程链路的限制，中继可以动态的移动至智能设备，降低智能设备的发射功耗，延长电池寿命，可以实现中继的灵活部署以及对智能设备的动态覆盖。同时，根据每个设备分别通过每个中继进行通信的分配方案，结合传输速率，得到时间段内所有时隙的系统平均吞吐量，并获取系统平均吞吐量最大的方案，能够有效提升系统最大吞吐量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的空天地一体化网络的资源分配方法流程图；
图2为本发明实施例提供的空天地一体化网络的资源分配方法应用场景图；
图3为本发明实施例提供的空天地一体化网络的资源分配系统结构图；
图4为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
本发明提出无人机辅助的空天地远程物联网络中联合调度选择问题、功率控制、中继轨迹优化的系统容量最大化问题。
本发明针对于中继辅助的空天地远程物联网络场景下的信息采集场景，主要解决的问题是智能设备的低功耗、电池寿命的问题，引出具体定义的空天地融合网络架构，其中UAV充当中继角色进行三层网络的通信。
图1为本发明实施例提供的空天地一体化网络的资源分配方法流程图，如图1所示，本发明实施例提供一种空天地一体化网络的资源分配方法，包括：
101、将每个待分配的时间段划分为多个时隙。
远程物联网络中的智能设备通常密集部署与地面网络无法覆盖的偏远区域，而对于这种场景下的通信需求又是亟需的，为了保障这些智能设备的通信需求，解决IoRT网络下的挑战和需求，本发明提出了由中继(以UAV为例)作为空中中继，卫星采用低轨卫星的空天地远程物联网络架构。该低轨卫星可以实现较大范围的覆盖，避免了UAV的回程链路的限制，该中继UAV可以动态的移动至智能设备，降低智能设备的发射功耗，延长电池寿命，可以实现灵活部署、动态覆盖。综上，本发明提出联合调度选择问题、功率控制、中继UAV轨迹优化，研究无人机辅助的空天地远程物联网络下的系统容量优化问题。
本发明的研究目标是在若干限制条件下系统的系统容量最大化问题，图2为本发明实施例提供的空天地一体化网络的资源分配方法应用场景图，图2示，本发明考虑由低轨卫星LEO、无人机与地面智能设备构成三层异构网络中的上行传输的通信问题。假设空中有M架无人机，
Figure BDA0002304909240000071
地面有K个智能设备，
Figure BDA0002304909240000072
假设智能设备、中继无人机、卫星在一段持续时间T内共享相同的频段。整个持续时间T被划分为每个时隙持续时间的N个时隙，每个时隙长度为
Figure BDA0002304909240000073
102、对于每个时隙，根据每个设备分别到每个中继的传输信噪比，以及每个中继到卫星的传输信噪比，得到每个设备分别通过每个中继，到达卫星的传输速率。
具体地，每个设备分别到每个中继的传输信噪比，根据每个设备到每个中继的发射功率和信道增益确定；每个中继到卫星的传输信噪比，根据每个中继到卫星的发射功率和信道增益确定；每个设备到每个中继的信道增益，根据每个设备到每个中继的距离确定；每个中继到卫星的信道增益，根据每个中继到卫星的距离确定。
中继可以通过UAV来实现，第n个时隙，第k个地面智能设备到第m个中继UAV的上行传输功率为
Figure BDA0002304909240000081
信道增益为
Figure BDA0002304909240000082
第m中继UAV到卫星的上行传输功率为
Figure BDA0002304909240000083
信道增益为
Figure BDA0002304909240000084
在第n个时隙，上行链路中第k个智能设备到第m个中继UAV的发射功率为
Figure BDA0002304909240000085
它受到的约束为：
Figure BDA0002304909240000086
Figure BDA0002304909240000087
表示智能设备的最大发射功率。不考虑设备之间的干扰，在第n个时隙，第k个智能设备到第m个中继UAV的传输信噪比和信道增益表达式分别为：
Figure BDA0002304909240000088
Figure BDA0002304909240000089
h0为参考距离1m时的信道增益。在第n个时隙，上行链路中第m个中继UAV到卫星的发射功率为
Figure BDA00023049092400000810
它受到的约束为：
Figure BDA00023049092400000811
Figure BDA00023049092400000812
表示中继UAV的最大发射功率。在第n个时隙，第m个中继UAV到卫星的传输信噪比和信道增益表达式分别为：
Figure BDA00023049092400000813
Figure BDA00023049092400000814
在第n个时隙，地面设备k通过第m个中继UAV，到达卫星的传输速率为：
Figure BDA00023049092400000815
另外，第m个UAV在第n个时隙的水平位置表示为
Figure BDA00023049092400000816
那么UAV的飞行轨迹可以表示为
Figure BDA00023049092400000817
103、根据每个时隙内，每个设备分别通过每个中继进行通信的分配方案，结合所述传输速率，得到时间段内所有时隙的系统平均吞吐量。
引入二元变量ak,m[n]，用来表示在第n个时隙地面设备k是否与第m个中继UAV连接，如果连接，则ak,m[n]＝1，否则为0。本发明假设在每个时隙，每个中继UAV至多服务一个智能设备，每个智能设备至多被一个中继UAV服务，有如下限制：
Figure BDA0002304909240000091
Figure BDA0002304909240000092
定义所有时隙内的系统平均吞吐量为：
Figure BDA0002304909240000093
104、获取所述系统平均吞吐量最大时，每个时隙的，每个设备通过每个中继进行连接的分配方案、每个中继的运动轨迹方案、每个中继的发射功率以及每个设备的发射功率分配方案，并进行分配。
令
Figure BDA0002304909240000094
Figure BDA0002304909240000095
地面智能设备的位置已知，本发明的目标是通过联合优化智能设备的连接(A)、中继UAV每个时隙的位置哦形成的＝的轨迹(Q)、智能设备的发射功率(PD →U)和中继UAV的发射功率(PU→S)来最大化系统平均吞吐量
Figure BDA0002304909240000096
也就是说在每个A、Q、P的方案组合下，从多种分配方案中得到系统平均吞吐量最大时的分配方案，用于对该时间段的A、Q、P进行分配。
本发明实施例提供的方法，低轨卫星可以实现较大范围的覆盖，避免了中继的回程链路的限制，中继可以动态的移动至智能设备，降低智能设备的发射功耗，延长电池寿命，可以实现中继的灵活部署以及对智能设备的动态覆盖。同时，根据每个设备分别通过每个中继进行通信的分配方案，结合传输速率，得到时间段内所有时隙的系统平均吞吐量，并获取系统平均吞吐量最大的方案，能够有效提升系统最大吞吐量。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，每个时间段最后一个时隙，所有中继的位置恢复到第一个时隙的位置状态。即要求每个UAV在一段时间T结束后需要回到原始的位置，从而保证地面的智能设备可以在下一个时间段T被服务。
第m个UAV在第n个时隙的水平位置表示为
Figure BDA0002304909240000101
那么UAV的飞行轨迹可以表示为
Figure BDA0002304909240000102
UAV的轨迹需要满足下面的限制条件
Figure BDA0002304909240000103
本发明实施例提供的方法，通过每个时间段最后一个时隙，所有中继的位置恢复到第一个时隙的位置状态，能够确保多个时间段服务的稳定性。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，任意两个中继，在同一个时隙的距离大于或等于预设的安全距离。
考虑到UAV之间的安全问题，避免UAV的碰撞，不同UAV之间要保证一定的安全距离dmin，UAV的轨迹受到的安全约束为：
Figure BDA0002304909240000104
本发明实施例提供的方法，通过任意两个中继，在同一个时隙的距离大于或等于预设的安全距离，避免中继在运动中的碰撞。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，对于任意一个中继，两个相邻时隙的位置距离，小于最大飞行速率除以时隙时长。
假设UAV的匀速飞行速率最大为Vmax，那么在时间δt内可以飞行的最大距离为Smax＝Vmaxδt，UAV的轨迹受到最大的飞行速率约束：
Figure BDA0002304909240000105
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述对于每个时隙，根据每个设备分别到每个中继的传输信噪比，以及每个中继到卫星的传输信噪比，得到每个设备分别通过每个中继，到达卫星的传输速率，包括：
在第n个时隙，地面设备k通过第m个中继UAV，到达卫星的传输速率为：
Figure BDA0002304909240000106
在第n个时隙，第m个中继UAV到卫星的传输信噪比和信道增益表达式分别为：
Figure BDA0002304909240000107
Figure BDA0002304909240000108
不考虑设备之间的干扰，在第n个时隙，第k个智能设备到第m个中继UAV的传输信噪比和信道增益表达式分别为：
Figure BDA0002304909240000111
Figure BDA0002304909240000112
相应地，所述根据每个时隙内，每个设备分别通过每个中继进行通信的分配方案，结合所述传输速率，得到时间段内所有时隙的系统平均吞吐量，包括：
Figure BDA0002304909240000113
考虑低轨卫星LEO的高度为Hs，地面上智能设备的水平坐标为
Figure BDA0002304909240000114
为了避免无人机在空中上升或者下降过程中额外的功率消耗，假设无人机在一个固定的高度H上。
其中，可以进一步作如下计算：
Figure BDA0002304909240000115
Figure BDA0002304909240000116
引入二元变量ak,m[n]，用来表示在第n个时隙地面设备k是否与第m个中继UAV连接，如果连接，则ak,m[n]＝1，否则为0。本发明假设在每个时隙，每个中继UAV至多服务一个智能设备，每个智能设备至多被一个中继UAV服务，因此有如下限制：
Figure BDA0002304909240000117
Figure BDA0002304909240000118
定义每个时隙内的系统平均吞吐量如上述Rk,m。
其中，第n个时隙，第k个地面智能设备到第m中继的上行传输功率为
Figure BDA0002304909240000119
在第n个时隙，第k个智能设备到第m个中继的传输信噪比和信道增益分别为
Figure BDA00023049092400001110
第m个中继到卫星的上行传输功率为
Figure BDA00023049092400001111
h0为参考距离1m时的信道增益；在第n个时隙，上行链路中第m个中继到卫星的发射功率为
Figure BDA00023049092400001112
第n个时隙，第m个中继到卫星的传输信噪比和信道增益表达式分别为
Figure BDA0002304909240000121
二元变量ak,m[n]，用来表示在第n个时隙地面设备k是否与第m个中继连接，如果连接，则ak,m[n]＝1，否则为0；dm[n]为第n个时隙，第m个中继到卫星的距离；dk,m[n]为第n个时隙，第k个设备到第m中继的距离，
Figure BDA0002304909240000122
为高斯白噪声，W为卫星的信道带宽。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例；所述获取所述系统平均吞吐量最大时，每个时隙的，每个设备通过每个中继进行连接的分配方案、每个中继的位置方案以及每个中继的发射功率，包括：
以优化问题为：
Figure BDA0002304909240000123
约束条件为：
C1:
Figure BDA0002304909240000124
C2:
Figure BDA0002304909240000125
C3:
Figure BDA0002304909240000126
C4:
Figure BDA0002304909240000127
C5:
Figure BDA0002304909240000128
C6:
Figure BDA0002304909240000129
C7:
Figure BDA00023049092400001210
C8:
Figure BDA00023049092400001211
进行优化求解，得到每个设备通过每个中继进行连接的分配方案、每个中继的运动轨迹方案、每个中继的发射功率以及每个设备的发射功率分配方案；其中，
Figure BDA00023049092400001212
Figure BDA00023049092400001213
第m个中继在第n个时隙的水平位置表示为qm[n]，在时间δt内可以飞行的最大距离为Smax，不同中继之间的安全距离dmin，卫星的最大容量为
Figure BDA00023049092400001214
Figure BDA00023049092400001215
表示智能设备的最大发射功率，
Figure BDA00023049092400001216
表示中继的最大发射功率。
地面智能设备的位置已知，本发明的目标是通过联合优化智能设备的连接(A)、中继UAV的轨迹(Q)、智能设备的发射功率(PD→U)和中继UAV的发射功率(PU→S)来最大化系统平均吞吐量
Figure BDA0002304909240000131
相应的优化问题如上。在第n个时隙，上行链路中第k个智能设备到第m个中继UAV的发射功率为
Figure BDA0002304909240000132
它受到的约束为：
Figure BDA0002304909240000133
Figure BDA0002304909240000134
表示智能设备的最大发射功率。第n个时隙，第k个地面智能设备到第m个中继UAV的上行传输功率为
Figure BDA0002304909240000135
信道增益为
Figure BDA0002304909240000136
第m中继UAV到卫星的上行传输功率为
Figure BDA0002304909240000137
信道增益为
Figure BDA0002304909240000138
h0为参考距离1m时的信道增益。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述进行优化求解，包括：固定中继的运动轨迹方案和发射功率，进行系统容量最大化的优化求解，得到每个设备通过每个中继进行连接的分配方案；固定中继的运动轨迹方案，进行系统容量最大化的优化求解，得到每个中继和设备的发射功率分配方案；根据得到的连接分配方案、每个中继和设备的发射功率分配方案，进行系统容量最大化的优化求解，得到每个中继的运动轨迹方案。
固定中继UAV轨迹、发射功率，智能设备的调度选择对空天地远程物联网络中系统容量进行最大化，主要采用变量松弛和内点罚函数方法，得到智能设备的调度选择方案。
同时固定中继UAV的轨迹，分析功率控制对空天地远程物联网络中系统容量进行最大化，主要采用近似凸逼近、DC问题的处理方法和内点罚函数法计算得到系统的功率控制方案。
在上述基础上，分析中继UAV的轨迹优化对空天地远程物联网络中系统容量进行最大化，主要采用变量代换、近似凸逼近内点罚函数法得到中继UAV的轨迹优化方案。
另外，对于上述三个子问题还可进行是否收敛的判断，若收敛则该无人机辅助的空天地远程物联网络的容量最大化资源分配方法结束，否则继续进行上述操作，直至获得收敛后的方案。
具体可以转化为三个可解的优化子问题：
子问题一：智能设备调度选择优化。
为了使原优化问题可以处理，本发明将C2中的二值变量松弛成连续变量
Figure BDA0002304909240000141
即
Figure BDA0002304909240000142
则
Figure BDA0002304909240000143
固定{Q,P}，即给定中继UAV的轨迹、智能设备和中继UAV的发射功率，原问题转化为P1：
(P1:)
Figure BDA0002304909240000144
s.t.
Figure BDA0002304909240000145
Figure BDA0002304909240000146
Figure BDA0002304909240000147
问题P1是一个标准的LP问题，可以使用优化工具箱CVX进行求解。
子问题二：功率控制优化。
对于任意给定的智能设备连接和中继UAV轨迹，即固定{A,Q{。
通分后，
Figure BDA0002304909240000148
由于目标函数Rk,m[n]对于
Figure BDA0002304909240000149
的凹凸性无法判定，现对其进行变量代换和近似凸逼近，使其凹凸性可以确定。
由于
Figure BDA00023049092400001410
本发明引入辅助变量αk,m[n]和βm[n]，并且
令
Figure BDA00023049092400001411
则，
Figure BDA00023049092400001412
其中，
Figure BDA00023049092400001413
Figure BDA0002304909240000151
对于Φ1、Φ2根据其Hessian矩阵为正定判定二者为凸函数，因此Rk,m[n]为两个凸函数之差，凹凸性不定。本发明可以将其转化为一个等价的DC问题P2。
(P2:)
Figure BDA0002304909240000152
s.t.
Figure BDA00023049092400001518
Figure BDA0002304909240000153
C8.
由于-Rk,m＝W(Φ2-Φ1)，考虑到该DC问题是一个最小化问题，本发明采用SCA将Φ1近似逼近为一个线性函数
Figure BDA0002304909240000154
故
Figure BDA0002304909240000155
为凸函数。
定义
Figure BDA0002304909240000156
为第r次迭代给定的智能设备到中继UAV的发射功率值，因此
Figure BDA0002304909240000157
为第r次迭代给定
Figure BDA00023049092400001519
的代换值。同理，定义
Figure BDA0002304909240000158
为第r次迭代给定的中继UAV到卫星的功率值，因此
Figure BDA0002304909240000159
为第r次迭代给定的
Figure BDA00023049092400001510
代换值。由于Φ1是一个凸函数，借助SCA，本发明可以找到Φ1的下界
Figure BDA00023049092400001511
即
Figure BDA00023049092400001512
则
Figure BDA00023049092400001513
P2转化为P3：
(P3:)
Figure BDA00023049092400001514
s.t.
Figure BDA00023049092400001515
Figure BDA00023049092400001516
Figure BDA00023049092400001517
问题P3是一个凸规划问题，可以用CVX工具箱进行求解。
子问题三：中继UAV轨迹优化。
对于任意给定的智能设备连接、智能设备和中继UAV的发射功率，即固定{A,PD→U,PU→S}，
Figure BDA0002304909240000161
其中，
Figure BDA0002304909240000162
Figure BDA0002304909240000163
则
Figure BDA0002304909240000164
此时，优化问题为P4：
(P4:)
Figure BDA0002304909240000165
s.t.C5～C8.
Rk,m[n]对于qm[n]的凹凸性无法确定，因此P4不是一个凹函数最大化问题，同时约束C7、C8是非凸约束，故P4不是一个凸优化问题，下面对P4进行转化。
引入辅助变量
Figure BDA0002304909240000166
则
Figure BDA0002304909240000167
问题P4重写为P5，
(P5:)
Figure BDA0002304909240000168
s.t.
Figure BDA0002304909240000169
C5～C8.
定义
Figure BDA00023049092400001610
为第r次迭代给定的中继UAV的轨迹，由于Rk,m[n]对于Ξk,m[n]是凸的，不是一个凹函数最大化问题，现将其进行一阶泰勒展开，找到Rk,m[n]的下界
Figure BDA00023049092400001611
即
Figure BDA00023049092400001612
则
Figure BDA00023049092400001613
对于新增约束，因为||qm[n]-wk[n]||2对于qm[n]是凸函数，本发明在
Figure BDA0002304909240000171
对其进行一阶泰勒展开可以找到其下界，即
Figure BDA0002304909240000172
对于非凸约束条件C7对于qm[n]和qj[n]为凸函数，在给定的
Figure BDA0002304909240000173
和
Figure BDA0002304909240000174
进行一阶泰勒展开，得到其下界，即
Figure BDA0002304909240000175
故P5可以转化为P6：
(P6:)
Figure BDA0002304909240000176
s.t.
Figure BDA0002304909240000177
C5～C6,
Figure BDA0002304909240000178
Figure BDA0002304909240000179
P6是一个标准的LP问题，可以用CVX工具箱进行求解。
对以上三个子问题进行分块迭代求解，最终求得{A*,PD→U*,PU→S*,Q*}。
图3为本发明实施例提供的空天地一体化网络的资源分配系统结构图，如图3所示，该空天地一体化网络的资源分配系统包括：获取模块301、分配模块302和处理模块303。其中，获取模块301用于将每个待分配的时间段划分为多个时隙后，对于每个时隙，根据每个设备分别到每个中继的传输信噪比，以及每个中继到卫星的传输信噪比，得到每个设备分别通过每个中继，到达卫星的传输速率；分配模块302用于根据每个时隙内，每个设备分别通过每个中继进行通信的分配方案，结合所述传输速率，得到时间段内所有时隙的系统平均吞吐量；处理模块303用于获取所述系统平均吞吐量最大时，每个时隙的，每个设备通过每个中继进行连接的分配方案、每个中继的运动轨迹方案、每个中继的发射功率以及每个设备的发射功率分配方案，并进行分配；其中，每个设备分别到每个中继的传输信噪比，根据每个设备到每个中继的发射功率和信道增益确定；每个中继到卫星的传输信噪比，根据每个中继到卫星的发射功率和信道增益确定；每个设备到每个中继的信道增益，根据每个设备到每个中继的距离确定；每个中继到卫星的信道增益，根据每个中继到卫星的距离确定。
本发明实施例提供的系统实施例是为了实现上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述方法实施例，此处不再赘述。
本发明实施例提供的空天地一体化网络的资源分配系统，低轨卫星可以实现较大范围的覆盖，避免了中继的回程链路的限制，中继可以动态的移动至智能设备，降低智能设备的发射功耗，延长电池寿命，可以实现中继的灵活部署以及对智能设备的动态覆盖。同时，根据每个设备分别通过每个中继进行通信的分配方案，结合传输速率，得到时间段内所有时隙的系统平均吞吐量，并获取系统平均吞吐量最大的方案，能够有效提升系统最大吞吐量。
图4为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图，如图4所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)401、通信接口(Communications Interface)402、存储器(memory)403和总线404，其中，处理器401，通信接口402，存储器403通过总线404完成相互间的通信。通信接口402可以用于电子设备的信息传输。处理器401可以调用存储器403中的逻辑指令，以执行包括如下的方法：将每个待分配的时间段划分为多个时隙；对于每个时隙，根据每个设备分别到每个中继的传输信噪比，以及每个中继到卫星的传输信噪比，得到每个设备分别通过每个中继，到达卫星的传输速率；根据每个时隙内，每个设备分别通过每个中继进行通信的分配方案，结合所述传输速率，得到时间段内所有时隙的系统平均吞吐量；获取所述系统平均吞吐量最大时，每个时隙的，每个设备通过每个中继进行连接的分配方案、每个中继的运动轨迹方案、每个中继的发射功率以及每个设备的发射功率分配方案，并进行分配；其中，每个设备分别到每个中继的传输信噪比，根据每个设备到每个中继的发射功率和信道增益确定；每个中继到卫星的传输信噪比，根据每个中继到卫星的发射功率和信道增益确定；每个设备到每个中继的信道增益，根据每个设备到每个中继的距离确定；每个中继到卫星的信道增益，根据每个中继到卫星的距离确定。
此外，上述的存储器403中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，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)执行本发明上述各方法实施例的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明实施例还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，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的传输方法，例如包括：将每个待分配的时间段划分为多个时隙；对于每个时隙，根据每个设备分别到每个中继的传输信噪比，以及每个中继到卫星的传输信噪比，得到每个设备分别通过每个中继，到达卫星的传输速率；根据每个时隙内，每个设备分别通过每个中继进行通信的分配方案，结合所述传输速率，得到时间段内所有时隙的系统平均吞吐量；获取所述系统平均吞吐量最大时，每个时隙的，每个设备通过每个中继进行连接的分配方案、每个中继的运动轨迹方案、每个中继的发射功率以及每个设备的发射功率分配方案，并进行分配；其中，每个设备分别到每个中继的传输信噪比，根据每个设备到每个中继的发射功率和信道增益确定；每个中继到卫星的传输信噪比，根据每个中继到卫星的发射功率和信道增益确定；每个设备到每个中继的信道增益，根据每个设备到每个中继的距离确定；每个中继到卫星的信道增益，根据每个中继到卫星的距离确定。
以上所描述的系统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 (10)

1.一种空天地一体化网络的资源分配方法，其特征在于，包括：
将每个待分配的时间段划分为多个时隙；
对于每个时隙，根据每个设备分别到每个中继的传输信噪比，以及每个中继到卫星的传输信噪比，得到每个设备分别通过每个中继，到达卫星的传输速率；
根据每个时隙内，每个设备分别通过每个中继进行通信的分配方案，结合所述传输速率，得到时间段内所有时隙的系统平均吞吐量；
获取所述系统平均吞吐量最大时，每个时隙的，每个设备通过每个中继进行连接的分配方案、每个中继的运动轨迹方案、每个中继的发射功率以及每个设备的发射功率分配方案，并进行分配；
其中，每个设备分别到每个中继的传输信噪比，根据每个设备到每个中继的发射功率和信道增益确定；每个中继到卫星的传输信噪比，根据每个中继到卫星的发射功率和信道增益确定；每个设备到每个中继的信道增益，根据每个设备到每个中继的距离确定；每个中继到卫星的信道增益，根据每个中继到卫星的距离确定。
2.根据权利要求1所述的空天地一体化网络的资源分配方法，其特征在于，每个时间段最后一个时隙，所有中继的位置恢复到第一个时隙的位置状态。
3.根据权利要求1所述的空天地一体化网络的资源分配方法，其特征在于，任意两个中继，在同一个时隙的距离大于或等于预设的安全距离。
4.根据权利要求1所述的空天地一体化网络的资源分配方法，其特征在于，对于任意一个中继，两个相邻时隙的位置距离，小于最大飞行速率除以时隙时长。
5.根据权利要求1所述的空天地一体化网络的资源分配方法，其特征在于，对于每个时隙，根据每个设备分别到每个中继的传输信噪比，以及每个中继到卫星的传输信噪比，得到每个设备分别通过每个中继，到达卫星的传输速率，包括：
Figure FDA0002304909230000021
其中：
Figure FDA0002304909230000022
Figure FDA0002304909230000023
Figure FDA0002304909230000024
Figure FDA0002304909230000025
相应地，所述根据每个时隙内，每个设备分别通过每个中继进行通信的分配方案，结合所述传输速率，得到时间段内所有时隙的系统平均吞吐量，包括：
Figure FDA0002304909230000026
其中，第n个时隙，第k个地面智能设备到第m中继的上行传输功率为
Figure FDA0002304909230000027
在第n个时隙，第k个智能设备到第m个中继的传输信噪比和信道增益分别为
Figure FDA0002304909230000028
第m个中继到卫星的上行传输功率为
Figure FDA0002304909230000029
h0为参考距离1m时的信道增益；在第n个时隙，上行链路中第m个中继到卫星的发射功率为
Figure FDA00023049092300000210
第n个时隙，第m个中继到卫星的传输信噪比和信道增益表达式分别为
Figure FDA00023049092300000211
二元变量ak,m[n]，用来表示在第n个时隙地面设备k是否与第m个中继连接，如果连接，则ak,m[n]＝1，否则为0；dm[n]为第n个时隙，第m个中继到卫星的距离；dk,m[n]为第n个时隙，第k个设备到第m中继的距离，
Figure FDA00023049092300000212
为高斯白噪声，W为卫星的信道带宽。
6.根据权利要求5所述的空天地一体化网络的资源分配方法，其特征在于，获取所述系统平均吞吐量最大时，每个时隙的，每个设备通过每个中继进行连接的分配方案、每个中继的运动轨迹方案、每个中继的发射功率以及每个设备的发射功率分配方案，包括：
以优化问题为：
Figure FDA0002304909230000031
约束条件为：
C1:
Figure FDA0002304909230000032
C2:
Figure FDA0002304909230000033
C3:
Figure FDA0002304909230000034
C4:
Figure FDA0002304909230000035
C5:
Figure FDA0002304909230000036
C6:
Figure FDA0002304909230000037
C7:
Figure FDA0002304909230000038
C8:
Figure FDA0002304909230000039
进行优化求解，得到每个设备通过每个中继进行连接的分配方案、每个中继的运动轨迹方案、每个中继的发射功率以及每个设备的发射功率分配方案；
其中，
Figure FDA00023049092300000310
Figure FDA00023049092300000311
第m个中继在第n个时隙的水平位置表示为qm[n]，在时间δt内可以飞行的最大距离为Smax，不同中继之间的安全距离dmin，卫星的最大容量为
Figure FDA00023049092300000312
Figure FDA00023049092300000313
表示智能设备的最大发射功率，
Figure FDA00023049092300000314
表示中继的最大发射功率；N为所述时间段的时隙总个数。
7.根据权利要求6所述的空天地一体化网络的资源分配方法，其特征在于，所述进行优化求解，包括：
固定中继的运动轨迹方案和发射功率，进行系统容量最大化的优化求解，得到每个设备通过每个中继进行连接的分配方案；
固定中继的运动轨迹方案，进行系统容量最大化的优化求解，得到每个中继和设备的发射功率分配方案；
根据得到的连接分配方案、每个中继和设备的发射功率分配方案，进行系统容量最大化的优化求解，得到每个中继的运动轨迹方案。
8.一种空天地一体化网络的资源分配系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于将每个待分配的时间段划分为多个时隙后，对于每个时隙，根据每个设备分别到每个中继的传输信噪比，以及每个中继到卫星的传输信噪比，得到每个设备分别通过每个中继，到达卫星的传输速率；
分配模块，用于根据每个时隙内，每个设备分别通过每个中继进行通信的分配方案，结合所述传输速率，得到时间段内所有时隙的系统平均吞吐量；
处理模块，用于获取所述系统平均吞吐量最大时，每个时隙的，每个设备通过每个中继进行连接的分配方案、每个中继的运动轨迹方案、每个中继的发射功率以及每个设备的发射功率分配方案，并进行分配；
其中，每个设备分别到每个中继的传输信噪比，根据每个设备到每个中继的发射功率和信道增益确定；每个中继到卫星的传输信噪比，根据每个中继到卫星的发射功率和信道增益确定；每个设备到每个中继的信道增益，根据每个设备到每个中继的距离确定；每个中继到卫星的信道增益，根据每个中继到卫星的距离确定。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述空天地一体化网络的资源分配方法的步骤。
10.一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，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述空天地一体化网络的资源分配方法的步骤。
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