CN111711479B - 一种低轨卫星系统资源调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低轨卫星系统资源调度方法，属于无线通信技术领域。该方法包括以下步骤：S1：建模物联网网关关联变量；S2：建模卫星间数据转发变量；S3：建模地面站关联变量；S4：建模物联网网关、卫星及地面站数据缓存模型；S5：建模物联网网关、地面站关联、卫星间数据转发及资源分配限制条件；S6：基于物联网网关最大传输时延最小化确定用户关联及资源调度策略。本发明通过对低轨卫星通信系统联合设计物联网网关关联及资源调度策略，实现物联网网关最大传输时延最小化。

Description

一种低轨卫星系统资源调度方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种低轨卫星系统资源调度方法。

背景技术

物联网(Internet of things，IoT)即“万物相连的互联网”，是在互联网基础上延伸和扩展的网络，通过将各种信息传感设备与互联网相结合，可实现在任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通。物联网在多个领域已得到广泛应用，如工业、农业、环境、交通、物流、安保等，有效地推动了各领域的智能化发展，提高了行业效益。对于部分物联网应用，物联网设备工作环境恶劣，无可靠蜂窝网络覆盖，其数据调度问题面临巨大的挑战，因此，如何高效地传输物联网设备数据已成为重要研究课题。

目前已有研究中，有文献针对偏远区域分布的物联网数据传输问题，提出了基于低轨卫星转发的数据传输策略，并在满足物联网网关容量及卫星容量限制的条件下，提出了一个基于Lyapunov优化理论的在线算法实现物联网数据上传。

现有研究多考虑物联网数据上行传输或下行传输链路，未综合考虑物联网上下行数据传输，且充分考虑数据传输时延优化，可能导致数据传输性能严重受限。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低轨卫星系统资源调度方法。在该方法中，物联网网关收集物联网设备的数据，通过低轨卫星中继，将物联网设备成功卸载至地面站，综合考虑物联网网关、卫星之间及卫星与地面站间的关联选择及卫星的资源限制，有效实现了最大物联网网关传输时延最小化，从而确保了物联网网关之间的公平性，提升了系统性能。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种低轨卫星系统资源调度方法，该方法包括以下步骤：

S1：建模物联网网关关联变量；

S2：建模卫星间数据转发变量；

S3：建模地面站关联变量；

S4：建模物联网网关、卫星及地面站数据缓存模型；

S5：建模物联网网关、地面站关联及资源分配限制条件；

S6：基于物联网网关传输最大时延最小化确定用户关联及资源调度策略。

可选的，令所述物联网网关数量为N，卫星数量为M，地面站数量为K；G_n表示第n个物联网网关，S_m表示第m个卫星，V_k表示第k个地面站，1≤n≤N，1≤m≤M，1≤k≤K。

可选的，所述步骤S1中，建模物联网网关关联选择变量具体包括：令u_n,m,t∈{0,1}为物联网网关G_n与卫星S_m在第t个时隙内的关联变量，若u_n,m,t＝1，表示物联网网关G_n与卫星S_m在第t个时隙内关联，反之，u_n,m,t＝0。

可选的，所述步骤S2中，建模卫星间数据传输变量具体包括：令α_m,l,t∈{0,1}表示卫星S_m与S_l在第t个时隙内的数据传输变量，若α_m,l,t＝1，表示卫星S_m在第t时隙内传输数据至卫星S_l，反之，α_m,l,t＝0。

可选的，所述步骤S3中，建模地面站关联变量具体包括：令x_m,k,t表示卫星S_m与地面站V_k在第t个时隙内的关联变量，若x_m,k,t＝1，表示卫星S_m与地面站V_k在第t时隙内关联，反之，x_m,k,t＝0。

可选的，所述步骤S4中，建模物联网网关数据缓存模型与卫星数据缓存模型具体包括：物联网网关收集一定量数据缓存在所述物联网网关中，所述物联网网关通过上行链路将数据上传至所述卫星；所述卫星将所接收到的所述物联网网关卸载至所述其它卫星或所述地面站中；

1)所述物联网网关数据缓存模型为

其中，

为网关G_n在第t个时隙末缓存的数据总量，

为物联网网关G_n已收集需传输的数据总量，τ为单位时隙长度，

为物联网网关G_n第t₀时隙上传数据至卫星S_m的速率，

具体表示为：

其中，p_n为网关G_n的发送功率，

为卫星S_m与网关间信道带宽，

为第t₀个时隙网关G_n传输数据至卫星S_m对应的信道增益，σ²为信道噪声功率；

2)所述卫星数据缓存模型为

其中，

表示卫星S_m在t时隙末缓存的数据总量；

为卫星S_m在t时隙接收网关的数据总量，具体表示为：

为卫星S_m在t时隙接收来自其它卫星的数据总量，具体表示为:

其中，

为卫星S_m与卫星S_l间的传输速率，具体表示为：

其中，g_r为卫星接收天线增益，g_t为卫星发送天线增益，p_l为卫星S_l发送数据至其它卫星的发送功率，

为卫星S_m与卫星S_l之间信道的自由空间损失，k_s为玻尔兹曼常数，T_s为系统热噪声温度，E_b为每比特数据消耗的能量，N₀为功率谱密度；

为卫星S_m在t时隙传输至其它卫星的数据总量，具体表示为：

为卫星S_m在t时隙发送至地面站数据总量，具体表示为

其中，

为卫星S_m发送数据至地面站V_k的速率，具体表示为：

其中，

为卫星S_m发送数据至地面站功率，h_m,k,t为第t个时隙卫星S_m与地面站V_k间信道增益；

3)所述地面站数据缓存模型为

其中，

为地面站在t时隙末缓存的数据总量。

可选的，所述步骤S5中，网关、地面站关联以及卫星间数据转发限制条件具体包括：

1)网关关联限制条件为

2)卫星间的限制条件为

卫星与地面站的限制条件为

建模资源限制条件具体包括：

1)物联网网关G_n缓存数据量限制为

2)卫星S_m缓存数据量限制为

其中，

表示S_m卫星最大缓存容量。

可选的，所述步骤S6具体包括：在满足网关、地面站关联、卫星间数据转发及资源限制条件，以网关最大传输时延最小化为目标，优化确定关联选择策略，即：

其中，

分别表示优化后的u_n,m,t、α_m,l,t、x_m,k,t，T表示网关数据传输至地面站所需最大时延，其中，

本发明的有益效果在于：本发明通过综合考虑物联网网关，卫星与地面站间的关联选择及资源调度，确保了用户间的公平性，提升了用户体验。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为低轨卫星物联网系统场景示意图；

图2为本发明所述方法的流程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，一种低轨卫星物联网系统资源调度方法，考虑到物联网与卫星之间的信道质量差异，卫星与地面站间信道质量，因此，物联网网关能够选择关联不同的卫星，通过中继将数据卸载至地面站，提升了整体的系统性能。

图2为本发明所述方法的流程示意图，如图2所示，本发明所述方法具体包括以下步骤：

1、建模物联网网关关联变量

令u_n,m,t∈{0,1}为物联网网关G_n与卫星S_m在第t个时隙内的关联变量，若u_n,m,t＝1，表示物联网网关G_n与卫星S_m在第t个时隙内关联，反之，u_n,m,t＝0。

2、建模卫星间数据转发变量

令α_m,l,t∈{0,1}表示卫星S_m与S_l在第t个时隙内的数据传输变量，若α_m,l,t＝1，表示卫星S_m在第t时隙内传输数据至卫星S_l，反之，α_m,l,t＝0。

3、建模地面站关联变量

令x_m,k,t表示卫星S_m与地面站V_k在第t个时隙内的关联变量，若x_m,k,t＝1，表示卫星S_m与地面站V_k在第t时隙内关联，反之，x_m,k,t＝0。

4、建模物联网网关、卫星及地面站数据缓存模型

物联网网关收集一定量数据缓存在所述物联网网关中，所述物联网网关通过上行链路将数据上传至所述卫星；所述卫星将所接收到的所述物联网网关卸载至所述其它卫星或所述地面站中。

1)所述物联网网关数据缓存模型为

其中，

为网关G_n在第t个时隙末缓存的数据总量，

为物联网网关G_n已收集需传输的数据总量，τ为单位时隙长度，

为物联网网关G_n第t₀时隙上传数据至卫星S_m的速率，

具体表示为：

其中，p_n为网关G_n的发送功率，

为卫星S_m与网关间信道带宽，

为第t₀个时隙网关G_n传输数据至卫星S_m对应的信道增益，σ²为信道噪声功率；

2)所述卫星数据缓存模型为

其中，

表示卫星S_m在t时隙末缓存的数据总量；

为卫星S_m在t时隙接收网关的数据总量，具体表示为：

为卫星S_m在t时隙接收来自其它卫星的数据总量，具体表示为:

其中，

为卫星S_m与卫星S_l间的传输速率，具体表示为：

其中，g_r为卫星接收天线增益，g_t为卫星发送天线增益，p_l为卫星S_l发送数据至其它卫星的发送功率，

为卫星S_m与卫星S_l之间信道的自由空间损失，k_s为玻尔兹曼常数，T_s为系统热噪声温度，E_b为每比特数据消耗的能量，N₀为功率谱密度；

为卫星S_m在t时隙传输至其它卫星的数据总量，具体表示为

为卫星S_m在t时隙发送至地面站数据总量，具体表示为

其中，

为卫星S_m发送数据至地面站V_k的速率，具体表示为：

其中，

为卫星S_m发送数据至地面站功率，h_m,k,t为第t个时隙卫星S_m与地面站V_k间信道增益。

3)所述地面站数据缓存模型为

其中，

为地面站在t时隙末缓存的数据总量。

5、建模物联网网关、地面站关联及资源分配限制条件

网关、地面站关联以及卫星间数据转发限制条件具体包括：

1)网关关联限制条件为

2)卫星间的限制条件为

卫星与地面站的限制条件为

建模资源限制条件具体包括：

1)物联网网关G_n缓存数据量限制为

2)卫星S_m缓存数据量限制为

其中，

表示S_m卫星最大缓存容量；

6.基于物联网网关传输最大时延最小化确定用户关联及资源调度策略

在满足网关、地面站关联、卫星间数据转发及资源限制条件，以网关最大传输时延最小化为目标，优化确定关联选择策略，即：

其中，

分别表示优化后的u_n,m,t、α_m,l,t、x_m,k,t，T表示网关数据传输至地面站所需最大时延，其中，

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种低轨卫星系统资源调度方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：建模物联网网关关联变量；

S2：建模卫星间数据转发变量；

S3：建模地面站关联变量；

S4：建模物联网网关、卫星及地面站数据缓存模型；

S5：建模物联网网关、地面站关联及资源分配限制条件；

S6：基于物联网网关传输最大时延最小化确定用户关联及资源调度策略；

令所述物联网网关数量为N，卫星数量为M，地面站数量为K；G_n表示第n个物联网网关，S_m表示第m个卫星，V_k表示第k个地面站，1≤n≤N，1≤m≤M，1≤k≤K；

所述步骤S1中，建模物联网网关关联选择变量具体包括：令u_n,m,t∈{0,1}为物联网网关G_n与卫星S_m在第t个时隙内的关联变量，若u_n,m,t＝1，表示物联网网关G_n与卫星S_m在第t个时隙内关联，反之，u_n,m,t＝0；

所述步骤S2中，建模卫星间数据传输变量具体包括：令α_m,l,t∈{0,1}表示卫星S_m与S_l在第t个时隙内的数据传输变量，若α_m,l,t＝1，表示卫星S_m在第t时隙内传输数据至卫星S_l，反之，α_m,l,t＝0；

所述步骤S3中，建模地面站关联变量具体包括：令x_m,k,t表示卫星S_m与地面站V_k在第t个时隙内的关联变量，若x_m,k,t＝1，表示卫星S_m与地面站V_k在第t时隙内关联，反之，x_m,k,t＝0；

所述步骤S4中，建模物联网网关数据缓存模型与卫星数据缓存模型具体包括：物联网网关收集一定量数据缓存在所述物联网网关中，所述物联网网关通过上行链路将数据上传至所述卫星；所述卫星将所接收到的所述物联网网关卸载至其它卫星或所述地面站中；

1)所述物联网网关数据缓存模型为

其中，

为网关G_n在第t个时隙末缓存的数据总量，

为物联网网关G_n已收集需传输的数据总量，τ为单位时隙长度，

为物联网网关G_n第t₀时隙上传数据至卫星S_m的速率，

具体表示为：

其中，p_n为网关G_n的发送功率，

为卫星S_m与网关间信道带宽，

为第t₀个时隙网关G_n传输数据至卫星S_m对应的信道增益，σ²为信道噪声功率；

2)所述卫星数据缓存模型为

其中，

表示卫星S_m在t时隙末缓存的数据总量；

为卫星S_m在t时隙接收网关的数据总量，具体表示为：

为卫星S_m在t时隙接收来自其它卫星的数据总量，具体表示为:

其中，

为卫星S_m与卫星S_l间的传输速率，具体表示为：

其中，g_r为卫星接收天线增益，g_t为卫星发送天线增益，p_l为卫星S_l发送数据至其它卫星的发送功率，

为卫星S_m与卫星S_l之间信道的自由空间损失，k_s为玻尔兹曼常数，T_s为系统热噪声温度，E_b为每比特数据消耗的能量，N₀为功率谱密度；

为卫星S_m在t时隙传输至其它卫星的数据总量，具体表示为：

为卫星S_m在t时隙发送至地面站数据总量，具体表示为

其中，

为卫星S_m发送数据至地面站V_k的速率，具体表示为：

其中，

为卫星S_m发送数据至地面站功率，h_m,k,t为第t个时隙卫星S_m与地面站V_k间信道增益；

3)所述地面站数据缓存模型为

其中，

为地面站在t时隙末缓存的数据总量。

2.根据权利要求1所述的一种低轨卫星系统资源调度方法，其特征在于：所述步骤S5中，网关、地面站关联以及卫星间数据转发限制条件具体包括：

1)网关关联限制条件为

2)卫星间的限制条件为

卫星与地面站的限制条件为

建模资源限制条件具体包括：

1)物联网网关G_n缓存数据量限制为

2)卫星S_m缓存数据量限制为

其中，

表示S_m卫星最大缓存容量。

3.根据权利要求2所述的一种低轨卫星系统资源调度方法，其特征在于：所述步骤S6具体包括：在满足网关、地面站关联、卫星间数据转发及资源限制条件，以网关最大传输时延最小化为目标，优化确定关联选择策略，即：

其中，

分别表示优化后的u_n,m,t、α_m,l,t、x_m,k,t，T表示网关数据传输至地面站所需最大时延，其中，

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