CN112929074A - 一种卫星和高空平台协助的星地边缘计算任务卸载方法 - Google Patents

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Abstract

一种卫星和高空平台协助的星地边缘计算任务卸载方法，可以将地面用户设备的计算任务卸载到低轨卫星，从而满足地面用户设备的计算需求，达到减少时延、降低能耗的目的，包括四个主要步骤：1、地面用户设备选择关联的高空平台；2、地面用户设备利用多输入多输出MIMO传输，将计算任务卸载到高空平台；3、高空平台也可以利用多输入多输出MIMO传输将地面用户设备的计算任务卸载到低轨卫星；4、高空平台和低轨卫星会协作处理地面用户设备的计算任务，并合理分配计算资源以减少能耗；在多输入多输出MIMO边缘计算中，地面用户设备或高空平台使用相同的时域和频域资源，能提高计算卸载的效率。

Description

一种卫星和高空平台协助的星地边缘计算任务卸载方法
技术领域
本发明属于一种计算方法，尤其涉及一种卫星和高空平台协助的星地边缘计算任务卸载方法。
背景技术
智能用户设备(User Equipment,UE)，比如智能手机、平板和可穿戴设备作为文本/语音/视频通信、多媒体娱乐和电子支付等方面有力的工具在我们的日常生活中正变得越来越必不可少。自然地，人们就期望智能用户设备能够运行更加复杂的应用，比如面部/语音识别、交互式游戏和增强现实等。但是，这些高级应用会消耗智能用户设备大量的计算能力和电池能量，这就与智能用户设备有限的计算资源和电池能量产生了矛盾。
为了缓解智能用户设备的计算负担，边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)被认为是一种支持智能用户设备运行高计算量和时延敏感应用的潜在解决方法。
尽管计算卸载可以有效利用边缘服务器丰富的计算资源，它也带来了额外的通信开销，比如传输能量消耗和通信时延。因此，需要根据智能用户设备在时延和能耗上的需求进行合理的设计，来平衡本地计算和计算卸载之间的权衡。
在已有的计算卸载方案中，大部分都是利用单天线的通信方式，并且传输复用方案采用的是频分复用(frequency division multiple access,FDMA)，正交频分复用(orthogonal frequency division multiple access,OFDMA)或者是时分复用(timedivision multiple access,TDMA)。这些计算卸载方法简单易实施，但是它们的系统性能和频谱效率都比较有限。并且考虑的边缘计算系统大部分是将边缘服务器安装在地面固定的位置，比如蜂窝基站。
目前，现有边缘计算的任务传输方式存在以下本质上差别：
1、未能实现多天线多输入多输出的数据传输，达到提升传输速率和频谱效率的效果；
2、未能实现全频率复用；
3、未能考虑卫星和高空平台协助的边缘计算方法，即利用高空平台作为中继，将地面用户的计算任务卸载到低轨卫星上进行处理。
因此现有边缘计算的任务传输方式存下传输能量消耗高和通信时延长的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种卫星和高空平台协助的星地边缘计算任务卸载方法,以解决减少传输能量消耗和降低通信时延的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种卫星和高空平台协助的星地边缘计算任务卸载方法，该方法针对星地融合边缘计算(MEC)中的计算卸载场景(但不局限于该场景)，基于多天线多输入多输出的高空平台(High Altitude Platform,高空平台)辅助的计算卸载方法，可以利用多输入多输出(Multiple input multiple output,MIMO)技术，将地面用户(Ground User Equipment,GUE)设备的计算任务先卸载到高空平台，再由高空平台协助卸载到低轨卫星(Low earth-orbit satellite,LEO SAT)进行任务的计算，具体包括如下的步骤：
步骤A、低轨卫星收集系统中的相关信息；
步骤B、根据收集到的相关信息，低轨卫星根据地面用户高空平台关联方法为地面用户选择合适的高空平台进行关联；
步骤C、根据地面用户到高空平台关联结果，利用多输入多输出传输方法将计算任务卸载到关联的高空平台；
步骤D、高空平台接收到地面用户的计算任务之后，根据计算任务分配方法的结果，将地面用户的计算任务分为两部分，即在高空平台处理的任务和卸载到低轨卫星端处理的任务；对在高空平台处理的任务，高空平台会根据计算资源分配方法，分配合适的计算资源来处理地面用户的计算任务；对卸载到低轨卫星端的计算任务，高空平台会利用多输入多输出传输方法将计算任务卸载到低轨卫星端；
步骤E、低轨卫星在接收到高空平台卸载的任务后，会根据计算资源分配方法为各个计算任务分配计算资源,完成任务的计算。
进一步的，步骤A中低轨卫星收集系统中的相关信息包括：地面用户设备的计算任务大小、任务计算强度、计算时延要求、地面用户到高空平台无线信道信息、高空平台到低轨卫星信道信息和高空平台的计算能力信息，以及地面用户对能耗的要求。
进一步的，步骤A中低轨卫星收集系统中的相关信息具体包括如下步骤：
步骤A1、地面用户根据地面用户到高空平台的信道链路增益，选择信道链路增益最好的高空平台进行关联，将本地设备的相关信息发送给关联的高空平台；
步骤A2、高空平台将相关信息转发给低轨卫星。
进一步的，步骤B具体包括如下步骤：
步骤B1、建立地面用户与不同高空平台关联下的多输入多输出传输模型，以及地面用户的计算任务在不同高空平台上进行任务转发和计算时的计算时延模型和能量消耗模型；
步骤B2、加载地面用户高空平台关联算法，决定地面用户与高空平台的关联关系，为地面用户选择合适的高空平台进行关联。
进一步的，步骤C具体包括如下步骤：
步骤C1、加载地面用户到高空平台多输入多输出预编码设计算法，获得地面用户和关联的高空平台之间的多输入多输出预编码矩阵；
步骤C2、用地面用户到高空平台多输入多输出预编码设计算法将地面用户的计算任务卸载到高空平台。
进一步的，将高空平台计算任务卸载到低轨卫星端的具体步骤包括：
步骤D1、高空平台根据与之关联的地面用户的计算任务信息，建立高空平台到低轨卫星多输入多输出传输模型，并给出高空平台将计算任务卸载给低轨卫星时的时延模型和能量消耗模型；
步骤D2、加载高空平台到低轨卫星多输入多输出预编码设计算法，获得高空平台和低轨卫星之间的多输入多输出预编码矩阵；
步骤D3、用高空平台到低轨卫星多输入多输出预编码设计算法将高空平台的计算任务卸载到低轨卫星。
进一步的，地面用户按如下的方式完成计算任务的卸载：
步骤一、地面用户设备配备有多天线，地面用户设备利用多输入多输出技术将计算任务卸载到关联的高空平台，高空平台利用多天线进行数据的接收；
步骤二、高空平台配备有多天线，高空平台利用多输入多输出技术将计算任务卸载到低轨卫星，低轨卫星也利用多天线进行数据的接收；
步骤三、高空平台作为中继，既可以转发地面用户卸载的计算任务，也可以处理计算任务。
进一步的，卫星和高空平台协助的星地边缘计算任务卸载方法适用于卫星网络，带中继的WiFi网络，无线异构网络、无线传感网络和蜂窝通信网络。本发明的一种卫星和高空平台协助的星地边缘计算任务卸载方法具有以下优点：
结合星地联合边缘计算技术和大规模天线多输入多输出技术，设计了联合用户关联、多输入多输出预编码、计算任务分配和计算资源分配的星地联合边缘计算方法。在设计用户关联、多输入多输出预编码、计算任务分配和计算资源分配时，系统会根据能量消耗要求，不断优化设计，以减少传输能量消耗和降低通信时延。
附图说明
图1为本发明的举例场景图；
图2为本发明的实施流程示意图；
具体实施方式
下面结合附图，对本发明一种卫星和高空平台协助的星地边缘计算任务卸载方法做进一步详细的描述。
图1为本发明的举例场景图。如图1所示，在空中一个低轨卫星覆盖区域内有I个地面用户，天上有K个高空平台。高空平台和低轨卫星都安装有MEC服务器，每个地面用户都有计算任务要做及时的处理。为了满足地面用户的计算需求，地面用户首先把计算任务卸载给高空平台，再由高空平台将计算任务卸载给低轨卫星。
图2为本发明的实施流程示意图，具体的实施步骤为：
步骤一、低轨卫星收集系统中的相关信息包括：地面用户设备的计算任务大小、任务计算强度、计算时延要求、地面用户到高空平台无线信道信息、高空平台到低轨卫星信道信息和高空平台的计算能力信息，以及地面用户对能耗的要求。
低轨卫星收集系统中的相关信息采用了如下步骤：
(1)地面用户根据地面用户到高空平台的信道链路增益，选择信道链路增益最好的高空平台进行关联，将本地设备的相关信息发送给关联的高空平台；
(2)高空平台将相关信息转发给低轨卫星。
步骤二、根据收集到的相关信息，低轨卫星根据地面用户高空平台关联方法为地面用户选择合适的高空平台进行关联，具体步骤如下：
(1)建立地面用户与不同高空平台关联下的多输入多输出传输模型，以及地面用户的计算任务在不同高空平台上进行任务转发和计算时的计算时延模型和能量消耗模型；
(2)加载地面用户高空平台关联算法，决定地面用户与高空平台的关联关系，为地面用户选择合适的高空平台进行关联。
步骤三、根据地面用户到高空平台关联结果，利用多输入多输出传输方法将计算任务卸载到关联的高空平台，具体步骤如下：
(1)加载地面用户到高空平台多输入多输出预编码设计算法，获得地面用户和关联的高空平台之间的多输入多输出预编码矩阵；
(2)用地面用户到高空平台多输入多输出预编码设计算法将地面用户的计算任务卸载到高空平台。
步骤四、高空平台接收到地面用户的计算任务之后，根据计算任务分配方法的结果，将地面用户的计算任务分为两部分，即在高空平台处理的任务和卸载到低轨卫星端处理的任务；对在高空平台处理的任务，高空平台会根据计算资源分配方法，分配合适的计算资源来处理地面用户的计算任务；对卸载到低轨卫星端的计算任务，高空平台会利用多输入多输出传输方法将计算任务卸载到低轨卫星端。
将高空平台计算任务卸载到低轨卫星端的具体步骤包括：
(1)高空平台根据与之关联的地面用户的计算任务信息，建立高空平台到低轨卫星多输入多输出传输模型，并给出高空平台将计算任务卸载给低轨卫星时的时延模型和能量消耗模型；
(2)加载高空平台到低轨卫星多输入多输出预编码设计算法，获得高空平台和低轨卫星之间的多输入多输出预编码矩阵；
(3)用高空平台到低轨卫星多输入多输出预编码设计算法将高空平台的计算任务卸载到低轨卫星。
(4)低轨卫星在接收到高空平台卸载的任务后，会根据计算资源分配方法为各个计算任务分配计算资源,完成任务的计算。
步骤五、低轨卫星在接收到高空平台卸载的任务后，会根据计算资源分配方法为各个计算任务分配计算资源,完成任务的计算。
本发明地面用户按如下的方式完成计算任务的卸载：
(1)地面用户设备配备有多天线，地面用户设备利用多输入多输出技术将计算任务卸载到关联的高空平台，高空平台利用多天线进行数据的接收；
(2)高空平台配备有多天线，高空平台利用多输入多输出技术将计算任务卸载到低轨卫星，低轨卫星也利用多天线进行数据的接收；
(3)高空平台作为中继，既可以转发地面用户卸载的计算任务，也可以处理计算任务。
本发明卫星和高空平台协助的星地边缘计算任务卸载方法适用于卫星网络，带中继的WiFi网络，无线异构网络、无线传感网络和蜂窝通信网络。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种卫星和高空平台协助的星地边缘计算任务卸载方法，其特征在于，在于，包括以下步骤：
步骤A、低轨卫星收集系统中的相关信息；
步骤B、根据收集到的相关信息，低轨卫星根据地面用户到高空平台关联方法为地面用户选择合适的高空平台进行关联；
步骤C、根据地面用户到高空平台关联结果，利用多输入多输出传输方法将计算任务卸载到关联的高空平台；
步骤D、高空平台接收到地面用户的计算任务之后，根据计算任务分配方法的结果，将地面用户的计算任务分为两部分，即在高空平台处理的任务和卸载到低轨卫星端处理的任务；对在高空平台处理的任务，高空平台会根据计算资源分配方法，分配合适的计算资源来处理地面用户的计算任务；对卸载到低轨卫星端的计算任务，高空平台会利用多输入多输出传输方法将计算任务卸载到低轨卫星端；
步骤E、低轨卫星在接收到高空平台卸载的任务后，会根据计算资源分配方法为各个计算任务分配计算资源,完成任务的计算。
2.根据权利要求1所述的卫星和高空平台协助的星地边缘计算任务卸载方法，其特征在于，所述步骤A中低轨卫星收集系统中的相关信息包括：地面用户设备的计算任务大小、任务计算强度、计算时延要求、地面用户到高空平台无线信道信息、高空平台到低轨卫星信道信息和高空平台的计算能力信息，以及地面用户对能耗的要求。
3.根据权利要求2所述的卫星和高空平台协助的星地边缘计算任务卸载方法，其特征在于，所述步骤A中低轨卫星收集系统中的相关信息具体包括如下步骤：
步骤A1:地面用户根据地面用户到高空平台的信道链路增益，选择信道链路增益最好的高空平台进行关联，将本地设备的相关信息发送给关联的高空平台；
步骤A2:高空平台将相关信息转发给低轨卫星。
4.根据权利要求1所述的卫星和高空平台协助的星地边缘计算任务卸载方法，其特征在于，所述步骤B具体包括如下步骤：
步骤B1、建立地面用户与不同高空平台关联下的多输入多输出传输模型，以及地面用户的计算任务在不同高空平台上进行任务转发和计算时的计算时延模型和能量消耗模型；
步骤B2、加载地面用户高空平台关联算法，决定地面用户与高空平台的关联关系，为地面用户选择合适的高空平台进行关联。
5.根据权利要求4述的卫星和高空平台协助的星地边缘计算任务卸载方法，其特征在于，所述步骤C具体包括如下步骤：
步骤C1、加载地面用户到高空平台多输入多输出预编码设计算法，获得地面用户和关联的高空平台之间的多输入多输出预编码矩阵；
步骤C2、用地面用户到高空平台多输入多输出预编码设计算法将地面用户的计算任务卸载到高空平台。
6.根据权利要求4所述的卫星和高空平台协助的星地边缘计算任务卸载方法，其特征在于，所述将高空平台计算任务卸载到低轨卫星端的具体步骤包括：
步骤D1、高空平台根据与之关联的地面用户的计算任务信息，建立高空平台到低轨卫星多输入多输出传输模型，并给出高空平台将计算任务卸载给低轨卫星时的时延模型和能量消耗模型；
步骤D2、加载高空平台到低轨卫星多输入多输出预编码设计算法，获得高空平台和低轨卫星之间的多输入多输出预编码矩阵；
步骤D3、用高空平台到低轨卫星多输入多输出预编码设计算法将高空平台的计算任务卸载到低轨卫星。
7.根据权利要求1所述的卫星和高空平台协助的星地边缘计算任务卸载方法，其特征在于，地面用户按如下的方式完成计算任务的卸载：
步骤一、地面用户设备配备有多天线，地面用户设备利用多输入多输出技术将计算任务卸载到关联的高空平台，高空平台利用多天线进行数据的接收；
步骤二、高空平台配备有多天线，高空平台利用多输入多输出技术将计算任务卸载到低轨卫星，低轨卫星也利用多天线进行数据的接收；
步骤三、高空平台作为中继，转发地面用户卸载的计算任务和处理计算任务。
8.根据权利要求1所述的卫星和高空平台协助的星地边缘计算任务卸载方法，其特征在于，所述卫星和高空平台协助的星地边缘计算任务卸载方法适用于卫星网络，带中继的WiFi网络，无线异构网络、无线传感网络和蜂窝通信网络。
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