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;S
k表示第k个卫星,E
i表示第i个eMBB用户,M
n表示第n个mMTC用户,
表示E
i需要上传的数据量大小,
表示M
n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
为E
i与S
k间链路连接状态,若
表示E
i与S
k为邻居节点,两者之间存在直传链路,反之,
令x
k,j∈{0,1}为S
k与S
j间链路连接状态,若x
k,j=1,表示S
k与S
j为邻居节点,两者之间存在直传链路,反之,x
k,j=0;令x
k∈{0,1}为S
k与卫星网关连接状态,若x
k=1,表示S
k与卫星网关存在直传链路,反之,x
k=0。
可选的,在所述步骤S2中,建模卫星关联变量具体包括:令α
i,k∈{0,1}为E
i与S
k的关联变量,若α
i,k=1,表示E
i与S
k建立关联,进行数据传输;反之,α
i,k=0;令α
i,k,j∈{0,1}为星间链路选择关联变量,若α
i,k,j=1,表示E
i经S
k与S
j间的卫星链路传输数据,反之,α
i,j,k=0;令
为卫星/网关链路选择变量,若
表示E
i经卫星/网关链路传输数据,反之,
可选的,在所述步骤S3中,建模基站关联变量具体包括:令
为E
i与基站的关联变量,若
表示E
i与基站建立关联,反之,
令
为M
n与基站的关联变量,若
表示M
n与基站建立关联,反之,
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:
其中,T
i s为E
i传输自身数据及转发mMTC用户数据对应的时延,建模为
1)T
i c表示E
i作为簇头转发mMTC用户数据对应的时延,建模为
其中,
为M
n传输数据至E
i对应的速率,建模为
为M
n传输数据至E
i的发射功率,
为M
n与E
i之间链路增益,σ
2为噪声功率;
2)
表示E
i传输数据到S
k对应的时延,建模为
其中,
为E
i所需传输的总数据量,建模为
为E
i传输数据至S
k对应的速率,建模为
为E
i传输数据至S
k的发射功率,
为E
i与S
k之间链路增益;
3)
表示E
i经S
k与S
j间的卫星链路传输数据对应的时延,建模为
其中,
为S
k与S
j之间链路的传输数据速率,建模为
G
r和G
t分别表示卫星接收天线增益和发射天线增益,
为S
k传输数据至S
j的发射功率,
为S
k与S
j间的卫星链路自由空间损耗,建模为
其中,c为光速,f为载波频率,
为S
k与S
j的距离,k
s和T
s分别表示玻尔兹曼常数和系统噪声温度,N
0为噪声功率谱密度函数,建模为N
0=k
sT
S;
4)
表示E
i经S
k与卫星网关链路传输数据对应的时延,建模为
其中,
为S
k传输数据至卫星网关对应的速率,建模为
为S
k传输数据至卫星网关的发射功率,
为S
k与卫星网关之间链路增益,建模为
其中,G
gr为卫星网关的接收天线增益,L
p为雨衰因子,
为S
k与卫星网关链路间的自由空间损耗,建模为
为S
k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:
1)T
i b,e表示E
i传输数据到基站对应的时延,建模为
其中,
为E
i传输数据至基站对应的速率,建模为
为E
i传输数据至基站的发射功率,
为E
i与基站之间链路增益;
2)
表示M
n传输数据到基站对应的时延,建模为
其中,
为M
n传输数据至基站对应的速率,建模为
为M
n传输数据至基站的发射功率,
为M
n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:
3)E
i的传输速率限制条件为
其中,E
i的传输速率为
为E
i经卫星转发数据对应的速率,建模为
为E
i的最小传输速率需求;
4)M
n的传输速率限制条件为
其中,M
n的传输速率为
为M
n通过E
i转发数据对应的速率,建模为
为M
n的最小传输速率需求;
5)路由选择约束条件为α
i,k,j=0,若x
i,k,j=0;
若x
k=0;α
i,k=0,若
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:
其中,
分别表示优化后的α
i,k、α
i,k,j、β
n,i、
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;S
k表示第k个卫星,E
i表示第i个eMBB用户,M
n表示第n个mMTC用户,
表示E
i需要上传的数据量大小,
表示M
n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
为E
i与S
k间链路连接状态,若
表示E
i与S
k为邻居节点,两者之间存在直传链路,反之,
令x
k,j∈{0,1}为S
k与S
j间链路连接状态,若x
k,j=1,表示S
k与S
j为邻居节点,两者之间存在直传链路,反之,x
k,j=0;令x
k∈{0,1}为S
k与卫星网关连接状态,若x
k=1,表示S
k与卫星网关存在直传链路,反之,x
k=0。
2、建模卫星关联及链路选择变量
令α
i,k∈{0,1}为E
i与S
k的关联变量,若α
i,k=1,表示E
i与S
k建立关联,进行数据传输;反之,α
i,k=0;令α
i,k,j∈{0,1}为星间链路选择关联变量,若α
i,k,j=1,表示E
i经S
k与S
j间的卫星链路传输数据,反之,α
i,j,k=0;令
为卫星/网关链路选择变量,若
表示E
i经卫星/网关链路传输数据,反之,
3、建模基站关联变量
令
为E
i与基站的关联变量,若
表示E
i与基站建立关联,反之,
令
为M
n与基站的关联变量,若
表示M
n与基站建立关联,反之,
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:
其中,T
i s为E
i传输自身数据及转发mMTC用户数据对应的时延,建模为
1)T
i c表示E
i作为簇头转发mMTC用户数据对应的时延,可建模为
其中,
为M
n传输数据至E
i对应的速率,可建模为
为M
n传输数据至E
i的发射功率,
为M
n与E
i之间链路增益,σ
2为噪声功率;
2)
表示E
i传输数据到S
k对应的时延,可建模为
其中,
为E
i所需传输的总数据量,建模为
为E
i传输数据至S
k对应的速率,可建模为
为E
i传输数据至S
k的发射功率,
为E
i与S
k之间链路增益;
3)
表示E
i经S
k与S
j间的卫星链路传输数据对应的时延,可建模为
其中,
为S
k与S
j之间链路的传输数据速率,可建模为
G
r和G
t分别表示卫星接收天线增益和发射天线增益,
为S
k传输数据至S
j的发射功率,
为S
k与S
j间的卫星链路自由空间损耗,可建模为
其中,c为光速,f为载波频率,
为S
k与S
j的距离,k
s和T
s分别表示玻尔兹曼常数和系统噪声温度,N
0为噪声功率谱密度函数,可建模为N
0=k
sT
S;
4)
表示E
i经S
k与卫星网关链路传输数据对应的时延,可建模为
其中,
为S
k传输数据至卫星网关对应的速率,可建模为
为S
k传输数据至卫星网关的发射功率,
为S
k与卫星网关之间链路增益,建模为
其中,G
gr为卫星网关的接收天线增益,L
p为雨衰因子,
为S
k与卫星网关链路间的自由空间损耗,可建模为
为S
k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:
1)T
i b,e表示E
i传输数据到基站对应的时延,可建模为
其中,
为E
i传输数据至基站对应的速率,可建模为
为E
i传输数据至基站的发射功率,
为E
i与基站之间链路增益;
2)
表示M
n传输数据到基站对应的时延,可建模为
其中,
为M
n传输数据至基站对应的速率,可建模为
为M
n传输数据至基站的发射功率,
为M
n与基站之间链路增益。
8、建模用户关联及资源分配策略
3)E
i的传输速率限制条件为
其中,E
i的传输速率为
为E
i经卫星转发数据对应的速率,可建模为
为E
i的最小传输速率需求;
4)M
n的传输速率限制条件为
其中,M
n的传输速率为
为M
n通过E
i转发数据对应的速率,建模为
为M
n的最小传输速率需求;
5)路由选择约束条件为α
i,k,j=0,若x
i,k,j=0;
若x
k=0;α
i,k=0,若
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:
其中,
分别表示优化后的α
i,k、α
i,k,j、β
n,i、
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。