CN112203308A - 卫星地面融合网络数据传输方法 - Google Patents

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CN112203308A
CN112203308A CN202011085725.7A CN202011085725A CN112203308A CN 112203308 A CN112203308 A CN 112203308A CN 202011085725 A CN202011085725 A CN 202011085725A CN 112203308 A CN112203308 A CN 112203308A
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Abstract

本发明涉及一种卫星地面融合网络数据传输方法，属于无线通信技术领域。该方法包括以下步骤：S1：建模卫星及网关连接状态；S2：建模卫星关联及链路选择变量；S3：建模基站关联变量；S4：建模簇头选择变量；S5：建模网路总时延；S6：建模卫星关联模式总时延；S7：建模基站关联模式总时延；S8：建模用户关联及资源分配限制条件；S9：基于网络总时延最小化确定联合用户关联及资源分配策略。本发明可以有效保障用户接入卫星地面融合网络的情况下，通过优化设计用户关联及资源分配策略，实现网络总时延最小化。

Description

卫星地面融合网络数据传输方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及卫星地面融合网络数据传输方法。
背景技术
为了满足各类用户的业务需求，实现更广覆盖和更高质量的无线通信，卫星通信网络与地面移动通信网络的融合成为必然的趋势。用户可通过接入卫星通信网络或地面移动通信网络，实现数据传输需求。如何采用高效用户关联及资源分配技术，实现卫星地面融合网络性能优化已成为重要研究课题。
目前，已有研究考虑卫星通信与地面通信网络融合问题。文献X.Zhu,C.Jiang,L.Kuang,N.GeandJ.Lu,“Non-Orthogonal MultipleAccess BasedIntegratedTerrestrial-Satellite Networks,”in IEEEJournal on SelectedAreas inCommunications,vol.35,no.10,pp.2253-2267,Oct.2017，针对卫星与地面融合网络，提出一种基于非正交多址接入的综合卫星陆地网络，基站与卫星协同为地面网络提供服务，实现网络吞吐量最大化。文献B.Di,H.Zhang,L.Song,Y.Li,and G.Y.Li,“Ultra-dense LEO:Integrating terrestrial-satellite networks into 5G and beyond for dataoffloading,”IEEETrans.Wireless Commun.,vol.18,no.1,pp.47–62,Jan.2018，针对卫星与地面融合网络，提出一种综合卫星陆地网络实现有效的数据卸载，同时考虑卫星回程链路容量与基站回程链路容量限制，实现用户和速率最大化。
现有研究多考虑网络容量或效用优化，较少考虑用户时延性能优化，无法实现网络综合性能优化；此外，现有研究通常假设用户设备可接入卫星网络实现通信，然而，对于大量功能性能受限的物联网节点，难以直接接入卫星网络，如何设计成簇及簇头转发机制实现物联网设备的卫星接入服务成为亟待研究的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种卫星地面融合网络数据传输方法。在该方法中，用户可采用基站关联模式或卫星关联模式传输数据至核心网，综合考虑用户与基站及卫星之间关联情况，有效实现网络总时延最小化，从而提升网络综合性能。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
卫星地面融合网络数据传输方法，该方法包括以下步骤：
S1：建模卫星及网关连接状态；
S2：建模卫星关联及链路选择变量；
S3：建模基站关联变量；
S4：建模簇头选择变量；
S5：建模网络总时延；
S6：建模卫星关联模式总时延；
S7：建模基站关联模式总时延；
S8：建模用户关联及资源分配限制条件；
S9：基于网络总时延最小化确定联合用户关联及资源分配策略；
在该方法中，令卫星数量为K，eMBB用户数量为L，mMTC用户数量为N；Sk表示第k个卫星，Ei表示第i个eMBB用户，Mn表示第n个mMTC用户，
Figure BDA0002720270740000021
表示Ei需要上传的数据量大小，
Figure BDA0002720270740000022
表示Mn需要上传的数据量大小，1≤k≤K,1≤i≤L,1≤n≤N；网络带宽资源划分为多个带宽相同的子信道，子信道带宽为B，用户采用频分多址的方式接入网络。
可选的，在所述步骤S1中，建模卫星及网关连接状态具体包括：令
Figure BDA0002720270740000023
为Ei与Sk间链路连接状态，若
Figure BDA0002720270740000024
表示Ei与Sk为邻居节点，两者之间存在直传链路，反之，
Figure BDA0002720270740000025
令xk,j∈{0,1}为Sk与Sj间链路连接状态，若xk,j＝1，表示Sk与Sj为邻居节点，两者之间存在直传链路，反之，xk,j＝0；令xk∈{0,1}为Sk与卫星网关连接状态，若xk＝1，表示Sk与卫星网关存在直传链路，反之，xk＝0。
可选的，在所述步骤S2中，建模卫星关联变量具体包括：令αi,k∈{0,1}为Ei与Sk的关联变量，若αi,k＝1，表示Ei与Sk建立关联，进行数据传输；反之，αi,k＝0；令αi,k,j∈{0,1}为星间链路选择关联变量，若αi,k,j＝1，表示Ei经Sk与Sj间的卫星链路传输数据，反之，αi,j,k＝0；令
Figure BDA0002720270740000026
为卫星/网关链路选择变量，若
Figure BDA0002720270740000027
表示Ei经卫星/网关链路传输数据，反之，
Figure BDA0002720270740000028
可选的，在所述步骤S3中，建模基站关联变量具体包括：令
Figure BDA0002720270740000029
为Ei与基站的关联变量，若
Figure BDA00027202707400000210
表示Ei与基站建立关联，反之，
Figure BDA00027202707400000211
令
Figure BDA00027202707400000212
为Mn与基站的关联变量，若
Figure BDA00027202707400000213
表示Mn与基站建立关联，反之，
Figure BDA00027202707400000214
可选的，在所述步骤S4中，簇头选择变量具体包括：令βn,i∈{0,1}为Mn与Ei的关联变量，若βn,i＝1，表示Mn采用簇头转发模式，选择Ei作为簇头，进行数据转发，反之，βn,i＝0。
可选的，在所述步骤S5中，建模网络总时延为T＝Ts+Tb，其中，Ts表示卫星关联模式总时延，Tb表示基站关联模式总时延。
可选的，在所述步骤S6中，建模卫星关联模式总时延具体包括：用户通过直接传输模式或簇头转发模式传输数据至卫星，卫星经网关接入核心网对应的时延，建模为：
Figure BDA0002720270740000031
其中，Ti s为Ei传输自身数据及转发mMTC用户数据对应的时延，建模为
Figure BDA0002720270740000032
1)Ti c表示Ei作为簇头转发mMTC用户数据对应的时延，建模为
Figure BDA0002720270740000033
其中，
Figure BDA0002720270740000034
为Mn传输数据至Ei对应的速率，建模为
Figure BDA0002720270740000035
为Mn传输数据至Ei的发射功率，
Figure BDA0002720270740000036
为Mn与Ei之间链路增益，σ2为噪声功率；
2)
Figure BDA0002720270740000037
表示Ei传输数据到Sk对应的时延，建模为
Figure BDA0002720270740000038
其中，
Figure BDA0002720270740000039
为Ei所需传输的总数据量，建模为
Figure BDA00027202707400000310
为Ei传输数据至Sk对应的速率，建模为
Figure BDA00027202707400000311
为Ei传输数据至Sk的发射功率，
Figure BDA00027202707400000312
为Ei与Sk之间链路增益；
3)
Figure BDA00027202707400000313
表示Ei经Sk与Sj间的卫星链路传输数据对应的时延，建模为
Figure BDA00027202707400000314
其中，
Figure BDA00027202707400000315
为Sk与Sj之间链路的传输数据速率，建模为
Figure BDA00027202707400000316
Gr和Gt分别表示卫星接收天线增益和发射天线增益，
Figure BDA00027202707400000317
为Sk传输数据至Sj的发射功率，
Figure BDA00027202707400000318
为Sk与Sj间的卫星链路自由空间损耗，建模为
Figure BDA00027202707400000319
其中，c为光速，f为载波频率，
Figure BDA00027202707400000320
为Sk与Sj的距离，ks和Ts分别表示玻尔兹曼常数和系统噪声温度，N0为噪声功率谱密度函数，建模为N0＝ksTS；
4)
Figure BDA00027202707400000321
表示Ei经Sk与卫星网关链路传输数据对应的时延，建模为
Figure BDA00027202707400000322
其中，
Figure BDA00027202707400000323
为Sk传输数据至卫星网关对应的速率，建模为
Figure BDA0002720270740000041
为Sk传输数据至卫星网关的发射功率，
Figure BDA0002720270740000042
为Sk与卫星网关之间链路增益，建模为
Figure BDA0002720270740000043
其中，Ggr为卫星网关的接收天线增益，Lp为雨衰因子，
Figure BDA0002720270740000044
为Sk与卫星网关链路间的自由空间损耗，建模为
Figure BDA0002720270740000045
为Sk与卫星网关间的距离。
可选的，在所述步骤S7中，建模基站关联模式总时延具体包括：用户通过直接传输模式或簇头转发模式传输数据至基站，进而转发至核心网对应的时延，建模为：
Figure BDA0002720270740000046
1)Ti b,e表示Ei传输数据到基站对应的时延，建模为
Figure BDA0002720270740000047
其中，
Figure BDA0002720270740000048
为Ei传输数据至基站对应的速率，建模为
Figure BDA0002720270740000049
为Ei传输数据至基站的发射功率，
Figure BDA00027202707400000410
为Ei与基站之间链路增益；
2)
Figure BDA00027202707400000411
表示Mn传输数据到基站对应的时延，建模为
Figure BDA00027202707400000412
其中，
Figure BDA00027202707400000413
为Mn传输数据至基站对应的速率，建模为
Figure BDA00027202707400000414
为Mn传输数据至基站的发射功率，
Figure BDA00027202707400000415
为Mn与基站之间链路增益。
可选的，在所述步骤S8中，建模用户关联及资源分配策略具体包括：
1)Mn关联变量的限制条件为
Figure BDA00027202707400000416
2)Ei关联变量的限制条件为
Figure BDA00027202707400000417
3)Ei的传输速率限制条件为
Figure BDA00027202707400000418
其中，Ei的传输速率为
Figure BDA00027202707400000419
为Ei经卫星转发数据对应的速率，建模为
Figure BDA00027202707400000420
Figure BDA00027202707400000421
为Ei的最小传输速率需求；
4)Mn的传输速率限制条件为
Figure BDA0002720270740000051
其中，Mn的传输速率为
Figure BDA0002720270740000052
Figure BDA0002720270740000053
为Mn通过Ei转发数据对应的速率，建模为
Figure BDA0002720270740000054
Figure BDA0002720270740000055
为Mn的最小传输速率需求；
5)路由选择约束条件为αi,k,j＝0,若xi,k,j＝0；
Figure BDA0002720270740000056
若xk＝0；αi,k＝0,若
Figure BDA0002720270740000057
6)数据转发守恒限制条件为
Figure BDA0002720270740000058
可选的，所述步骤S9具体包括：在满足用户关联及资源分配限制条件，以网络时延最小化为目标，优化确定用户关联及资源分配策略，即：
Figure BDA0002720270740000059
其中，
Figure BDA00027202707400000510
分别表示优化后的αi,k、αi,k,j、βn,i、
Figure BDA00027202707400000511
Figure BDA00027202707400000512
本发明的有益效果在于：本发明所述方法可以有效保障用户采用基站关联模式或卫星关联模式传输的情况下，通过优化设计用户关联及资源分配策略，实现网络总时延最小化。
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为卫星地面融合网络数据传输系统模型图；
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。
本发明所述的一种卫星地面融合网络数据传输方法，考虑卫星地面融合网络中存在多个卫星和单个基站，用户可选择卫星关联模式或基站关联模式传输数据至核心网；该网络中存在多个mMTC用户和eMBB用户，且mMTC用户可采用簇头转发模式或基站关联模式传输数据至核心网，eMBB用户可通过基站关联模式或卫星关联模式传输数据至核心网。优化设计用户关联及资源分配策略，实现网络总时延最小化，提升网络综合性能。
图1为卫星地面融合网络数据传输系统模型图，卫星地面融合网络中用户可选择基站关联模式或卫星关联模式，即用户可通过基站传输数据至核心网，也可通过卫星传输数据至核心网，通过优化用户关联及资源分配策略，实现网络总时延最小化。如图1所示，令卫星数量为K，eMBB用户数量为L，mMTC用户数量为N；Sk表示第k个卫星，Ei表示第i个eMBB用户，Mn表示第n个mMTC用户，
Figure BDA0002720270740000061
表示Ei需要上传的数据量大小，
Figure BDA0002720270740000062
表示Mn需要上传的数据量大小，1≤k≤K,1≤i≤L,1≤n≤N；网络带宽资源划分为多个带宽相同的子信道，子信道带宽为B，用户采用频分多址的方式接入网络。
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、建模卫星及网关连接状态
令
Figure BDA0002720270740000063
为Ei与Sk间链路连接状态，若
Figure BDA0002720270740000064
表示Ei与Sk为邻居节点，两者之间存在直传链路，反之，
Figure BDA0002720270740000065
令xk,j∈{0,1}为Sk与Sj间链路连接状态，若xk,j＝1，表示Sk与Sj为邻居节点，两者之间存在直传链路，反之，xk,j＝0；令xk∈{0,1}为Sk与卫星网关连接状态，若xk＝1，表示Sk与卫星网关存在直传链路，反之，xk＝0。
2、建模卫星关联及链路选择变量
令αi,k∈{0,1}为Ei与Sk的关联变量，若αi,k＝1，表示Ei与Sk建立关联，进行数据传输；反之，αi,k＝0；令αi,k,j∈{0,1}为星间链路选择关联变量，若αi,k,j＝1，表示Ei经Sk与Sj间的卫星链路传输数据，反之，αi,j,k＝0；令
Figure BDA0002720270740000071
为卫星/网关链路选择变量，若
Figure BDA0002720270740000072
表示Ei经卫星/网关链路传输数据，反之，
Figure BDA0002720270740000073
3、建模基站关联变量
令
Figure BDA0002720270740000074
为Ei与基站的关联变量，若
Figure BDA0002720270740000075
表示Ei与基站建立关联，反之，
Figure BDA0002720270740000076
令
Figure BDA0002720270740000077
为Mn与基站的关联变量，若
Figure BDA0002720270740000078
表示Mn与基站建立关联，反之，
Figure BDA0002720270740000079
4、建模簇头选择变量
令βn,i∈{0,1}为Mn与Ei的关联变量，若βn,i＝1，表示Mn采用簇头转发模式，选择Ei作为簇头，进行数据转发，反之，βn,i＝0。
5、建模网络总时延
建模网络总时延为T＝Ts+Tb，其中，Ts表示卫星关联模式总时延，Tb表示基站关联模式总时延。
6、建模卫星关联模式总时延
用户通过直接传输模式或簇头转发模式传输数据至卫星，卫星经网关接入核心网对应的时延，可建模为：
Figure BDA00027202707400000710
其中，Ti s为Ei传输自身数据及转发mMTC用户数据对应的时延，建模为
Figure BDA00027202707400000711
1)Ti c表示Ei作为簇头转发mMTC用户数据对应的时延，可建模为
Figure BDA00027202707400000712
其中，
Figure BDA00027202707400000713
为Mn传输数据至Ei对应的速率，可建模为
Figure BDA00027202707400000714
为Mn传输数据至Ei的发射功率，
Figure BDA00027202707400000715
为Mn与Ei之间链路增益，σ2为噪声功率；
2)
Figure BDA00027202707400000716
表示Ei传输数据到Sk对应的时延，可建模为
Figure BDA00027202707400000717
其中，
Figure BDA00027202707400000718
为Ei所需传输的总数据量，建模为
Figure BDA0002720270740000081
为Ei传输数据至Sk对应的速率，可建模为
Figure BDA0002720270740000082
为Ei传输数据至Sk的发射功率，
Figure BDA0002720270740000083
为Ei与Sk之间链路增益；
3)
Figure BDA0002720270740000084
表示Ei经Sk与Sj间的卫星链路传输数据对应的时延，可建模为
Figure BDA0002720270740000085
其中，
Figure BDA0002720270740000086
为Sk与Sj之间链路的传输数据速率，可建模为
Figure BDA0002720270740000087
Gr和Gt分别表示卫星接收天线增益和发射天线增益，
Figure BDA0002720270740000088
为Sk传输数据至Sj的发射功率，
Figure BDA0002720270740000089
为Sk与Sj间的卫星链路自由空间损耗，可建模为
Figure BDA00027202707400000810
其中，c为光速，f为载波频率，
Figure BDA00027202707400000811
为Sk与Sj的距离，ks和Ts分别表示玻尔兹曼常数和系统噪声温度，N0为噪声功率谱密度函数，可建模为N0＝ksTS；
4)
Figure BDA00027202707400000812
表示Ei经Sk与卫星网关链路传输数据对应的时延，可建模为
Figure BDA00027202707400000813
其中，
Figure BDA00027202707400000814
为Sk传输数据至卫星网关对应的速率，可建模为
Figure BDA00027202707400000815
为Sk传输数据至卫星网关的发射功率，
Figure BDA00027202707400000816
为Sk与卫星网关之间链路增益，建模为
Figure BDA00027202707400000817
其中，Ggr为卫星网关的接收天线增益，Lp为雨衰因子，
Figure BDA00027202707400000818
为Sk与卫星网关链路间的自由空间损耗，可建模为
Figure BDA00027202707400000819
为Sk与卫星网关间的距离。
7、建模基站关联模式总时延
用户通过直接传输模式或簇头转发模式传输数据至基站，进而转发至核心网对应的时延，可建模为：
Figure BDA00027202707400000820
1)Ti b,e表示Ei传输数据到基站对应的时延，可建模为
Figure BDA00027202707400000821
其中，
Figure BDA00027202707400000822
为Ei传输数据至基站对应的速率，可建模为
Figure BDA00027202707400000823
为Ei传输数据至基站的发射功率，
Figure BDA00027202707400000824
为Ei与基站之间链路增益；
2)
Figure BDA0002720270740000091
表示Mn传输数据到基站对应的时延，可建模为
Figure BDA0002720270740000092
其中，
Figure BDA0002720270740000093
为Mn传输数据至基站对应的速率，可建模为
Figure BDA0002720270740000094
为Mn传输数据至基站的发射功率，
Figure BDA0002720270740000095
为Mn与基站之间链路增益。
8、建模用户关联及资源分配策略
1)Mn关联变量的限制条件为
Figure BDA0002720270740000096
2)Ei关联变量的限制条件为
Figure BDA0002720270740000097
3)Ei的传输速率限制条件为
Figure BDA0002720270740000098
其中，Ei的传输速率为
Figure BDA0002720270740000099
为Ei经卫星转发数据对应的速率，可建模为
Figure BDA00027202707400000910
为Ei的最小传输速率需求；
4)Mn的传输速率限制条件为
Figure BDA00027202707400000911
其中，Mn的传输速率为
Figure BDA00027202707400000912
Figure BDA00027202707400000913
为Mn通过Ei转发数据对应的速率，建模为
Figure BDA00027202707400000914
Figure BDA00027202707400000915
为Mn的最小传输速率需求；
5)路由选择约束条件为αi,k,j＝0,若xi,k,j＝0；
Figure BDA00027202707400000916
若xk＝0；αi,k＝0,若
Figure BDA00027202707400000917
6)数据转发守恒限制条件为
Figure BDA00027202707400000918
9、基于网络总时延最小化确定联合用户关联及资源分配策略
在满足用户关联及资源分配限制条件，以网络时延最小化为目标，优化确定用户关联及资源分配策略，即：
Figure BDA00027202707400000919
其中，
Figure BDA00027202707400000920
分别表示优化后的αi,k、αi,k,j、βn,i、
Figure BDA00027202707400000921
Figure BDA00027202707400000922
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 (10)

1.卫星地面融合网络数据传输方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：建模卫星及网关连接状态；
S2：建模卫星关联及链路选择变量；
S3：建模基站关联变量；
S4：建模簇头选择变量；
S5：建模网络总时延；
S6：建模卫星关联模式总时延；
S7：建模基站关联模式总时延；
S8：建模用户关联及资源分配限制条件；
S9：基于网络总时延最小化确定联合用户关联及资源分配策略；
在该方法中，令卫星数量为K，eMBB用户数量为L，mMTC用户数量为N；Sk表示第k个卫星，Ei表示第i个eMBB用户，Mn表示第n个mMTC用户，
Figure FDA0002720270730000011
表示Ei需要上传的数据量大小，
Figure FDA0002720270730000012
表示Mn需要上传的数据量大小，1≤k≤K,1≤i≤L,1≤n≤N；网络带宽资源划分为多个带宽相同的子信道，子信道带宽为B，用户采用频分多址的方式接入网络。
2.根据权利要求1所述的卫星地面融合网络数据传输方法，其特征在于：在所述步骤S1中，建模卫星及网关连接状态具体包括：令
Figure FDA0002720270730000013
为Ei与Sk间链路连接状态，若
Figure FDA0002720270730000014
表示Ei与Sk为邻居节点，两者之间存在直传链路，反之，
Figure FDA0002720270730000015
令xk,j∈{0,1}为Sk与Sj间链路连接状态，若xk,j＝1，表示Sk与Sj为邻居节点，两者之间存在直传链路，反之，xk,j＝0；令xk∈{0,1}为Sk与卫星网关连接状态，若xk＝1，表示Sk与卫星网关存在直传链路，反之，xk＝0。
3.根据权利要求2所述的卫星地面融合网络数据传输方法，其特征在于：在所述步骤S2中，建模卫星关联变量具体包括：令αi,k∈{0,1}为Ei与Sk的关联变量，若αi,k＝1，表示Ei与Sk建立关联，进行数据传输；反之，αi,k＝0；令αi,k,j∈{0,1}为星间链路选择关联变量，若αi,k,j＝1，表示Ei经Sk与Sj间的卫星链路传输数据，反之，αi,j,k＝0；令
Figure FDA0002720270730000016
为卫星/网关链路选择变量，若
Figure FDA0002720270730000017
表示Ei经卫星/网关链路传输数据，反之，
Figure FDA0002720270730000018
4.根据权利要求4所述的卫星地面融合网络数据传输方法，其特征在于：在所述步骤S3中，建模基站关联变量具体包括：令
Figure FDA0002720270730000019
为Ei与基站的关联变量，若
Figure FDA00027202707300000110
表示Ei与基站建立关联，反之，
Figure FDA00027202707300000111
令
Figure FDA00027202707300000112
为Mn与基站的关联变量，若
Figure FDA00027202707300000113
表示Mn与基站建立关联，反之，
Figure FDA0002720270730000021
5.根据权利要求4所述的卫星地面融合网络数据传输方法，其特征在于：在所述步骤S4中，簇头选择变量具体包括：令βn,i∈{0,1}为Mn与Ei的关联变量，若βn,i＝1，表示Mn采用簇头转发模式，选择Ei作为簇头，进行数据转发，反之，βn,i＝0。
6.根据权利要求5所述的卫星地面融合网络数据传输方法，其特征在于：在所述步骤S5中，建模网络总时延为T＝Ts+Tb，其中，Ts表示卫星关联模式总时延，Tb表示基站关联模式总时延。
7.根据权利要求6所述的卫星地面融合网络数据传输方法，其特征在于：在所述步骤S6中，建模卫星关联模式总时延具体包括：用户通过直接传输模式或簇头转发模式传输数据至卫星，卫星经网关接入核心网对应的时延，建模为：
Figure FDA0002720270730000022
其中，Ti s为Ei传输自身数据及转发mMTC用户数据对应的时延，建模为
Figure FDA0002720270730000023
1)Ti c表示Ei作为簇头转发mMTC用户数据对应的时延，建模为
Figure FDA0002720270730000024
其中，
Figure FDA0002720270730000025
Figure FDA0002720270730000026
为Mn传输数据至Ei对应的速率，建模为
Figure FDA0002720270730000027
Figure FDA0002720270730000028
为Mn传输数据至Ei的发射功率，
Figure FDA0002720270730000029
为Mn与Ei之间链路增益，σ2为噪声功率；
2)
Figure FDA00027202707300000210
表示Ei传输数据到Sk对应的时延，建模为
Figure FDA00027202707300000211
其中，
Figure FDA00027202707300000212
为Ei所需传输的总数据量，建模为
Figure FDA00027202707300000213
Figure FDA00027202707300000214
为Ei传输数据至Sk对应的速率，建模为
Figure FDA00027202707300000215
Figure FDA00027202707300000216
为Ei传输数据至Sk的发射功率，
Figure FDA00027202707300000217
为Ei与Sk之间链路增益；
3)
Figure FDA00027202707300000218
表示Ei经Sk与Sj间的卫星链路传输数据对应的时延，建模为
Figure FDA00027202707300000219
其中，
Figure FDA00027202707300000220
为Sk与Sj之间链路的传输数据速率，建模为
Figure FDA00027202707300000221
Gr和Gt分别表示卫星接收天线增益和发射天线增益，
Figure FDA00027202707300000222
为Sk传输数据至Sj的发射功率，
Figure FDA00027202707300000223
为Sk与Sj间的卫星链路自由空间损耗，建模为
Figure FDA0002720270730000031
其中，c为光速，f为载波频率，
Figure FDA0002720270730000032
为Sk与Sj的距离，ks和Ts分别表示玻尔兹曼常数和系统噪声温度，N0为噪声功率谱密度函数，建模为N0＝ksTS；
4)
Figure FDA0002720270730000033
表示Ei经Sk与卫星网关链路传输数据对应的时延，建模为
Figure FDA0002720270730000034
其中，
Figure FDA0002720270730000035
为Sk传输数据至卫星网关对应的速率，建模为
Figure FDA0002720270730000036
Figure FDA0002720270730000037
为Sk传输数据至卫星网关的发射功率，
Figure FDA0002720270730000038
为Sk与卫星网关之间链路增益，建模为
Figure FDA0002720270730000039
其中，Ggr为卫星网关的接收天线增益，Lp为雨衰因子，
Figure FDA00027202707300000310
为Sk与卫星网关链路间的自由空间损耗，建模为
Figure FDA00027202707300000311
Figure FDA00027202707300000312
为Sk与卫星网关间的距离。
8.根据权利要求7所述的卫星地面融合网络数据传输方法，其特征在于：在所述步骤S7中，建模基站关联模式总时延具体包括：用户通过直接传输模式或簇头转发模式传输数据至基站，进而转发至核心网对应的时延，建模为：
Figure FDA00027202707300000313
1)Ti b,e表示Ei传输数据到基站对应的时延，建模为
Figure FDA00027202707300000314
其中，
Figure FDA00027202707300000315
为Ei传输数据至基站对应的速率，建模为
Figure FDA00027202707300000316
Figure FDA00027202707300000317
为Ei传输数据至基站的发射功率，
Figure FDA00027202707300000318
为Ei与基站之间链路增益；
2)
Figure FDA00027202707300000319
表示Mn传输数据到基站对应的时延，建模为
Figure FDA00027202707300000320
其中，
Figure FDA00027202707300000321
为Mn传输数据至基站对应的速率，建模为
Figure FDA00027202707300000322
Figure FDA00027202707300000323
为Mn传输数据至基站的发射功率，
Figure FDA00027202707300000324
为Mn与基站之间链路增益。
9.根据权利要求8所述的卫星地面融合网络数据传输方法，其特征在于：在所述步骤S8中，建模用户关联及资源分配策略具体包括：
1)Mn关联变量的限制条件为
Figure FDA0002720270730000041
2)Ei关联变量的限制条件为
Figure FDA0002720270730000042
3)Ei的传输速率限制条件为
Figure FDA0002720270730000043
其中，Ei的传输速率为
Figure FDA0002720270730000044
Figure FDA0002720270730000045
为Ei经卫星转发数据对应的速率，建模为
Figure FDA0002720270730000046
Figure FDA0002720270730000047
为Ei的最小传输速率需求；
4)Mn的传输速率限制条件为
Figure FDA0002720270730000048
其中，Mn的传输速率为
Figure FDA0002720270730000049
Figure FDA00027202707300000410
为Mn通过Ei转发数据对应的速率，建模为
Figure FDA00027202707300000411
Figure FDA00027202707300000412
Figure FDA00027202707300000413
为Mn的最小传输速率需求；
5)路由选择约束条件为αi,k,j＝0,若xi,k,j＝0；
Figure FDA00027202707300000414
若xk＝0；αi,k＝0,若
Figure FDA00027202707300000415
6)数据转发守恒限制条件为
Figure FDA00027202707300000416
10.根据权利要求9所述的卫星地面融合网络数据传输方法，其特征在于：所述步骤S9具体包括：在满足用户关联及资源分配限制条件，以网络时延最小化为目标，优化确定用户关联及资源分配策略，即：
Figure FDA00027202707300000417
其中，
Figure FDA00027202707300000418
分别表示优化后的αi,k、αi,k,j、βn,i、
Figure FDA00027202707300000419
Figure FDA00027202707300000420
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