CN115133972B - 一种卫星系统任务调度及卸载方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卫星系统任务调度及卸载方法，属于无线通信技术领域。该方法包括：S1：建模卫星系统，包括源卫星、中继卫星及地面站；S2：建模源卫星拟处理任务变量；S3：建模任务调度及卸载变量；S4：建模星间链路和星地链路传输速率；S5：建模任务完成时隙；S6：建模卫星系统总效用；S7：建模任务调度及卸载约束；S8：基于系统效用优化确定任务调度及卸载策略。本发明通过对卫星通信系统设计任务调度及卸载策略，实现卫星通信系统效用最大化。

Description

一种卫星系统任务调度及卸载方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种卫星系统任务调度及卸载方法。

背景技术

随着移动通信及智能终端技术的快速发展，移动多媒体业务增长迅猛，无线数据流量在全球范围内呈爆炸性增加，给蜂窝通信通信系统带来了极大挑战。通过采用卫星通信等非地面通信技术，可以有效卸载蜂窝通信系统的流量，缓解巨额流量给蜂窝通信系统带来的压力，作为地面通信系统的有效补充，卫星通信系统可解决诸如沙漠、海洋、森林等广泛区域的网络覆盖问题。因具有覆盖范围广、频带宽，吞吐量大等优点，卫星通信系统已成为未来通信系统重要组成部分。对于部分卫星通信应用，卫星传输资源及星上处理能力高度受限，其数据传输问题面临巨大的挑战，因此，如何高效地设计任务调度及卸载已成为重要研究课题。

目前已有研究中，已有研究考虑卫星通信系统星间用户关联及任务调度问题，基于任务执行成功率设计星间关联及任务调度策略；也有部分文献研究星地任务卸载问题，基于任务执行效用设计星地任务卸载策略。可见，现有研究较少考虑联合优化星间用户关联、任务调度及星地任务卸载策略，使卫星通信系统整体性能受限。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种卫星系统任务调度及卸载方法，源卫星收集用户的数据，通过中继卫星，将用户的数据成功卸载至地面站进行任务处理，综合考虑源卫星与中继卫星、中继卫星与地面站的关联选择及任务调度及卸载的资源限制，有效实现了卫星系统的效用最大化，提升系统性能。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种卫星系统任务调度及卸载方法，具体包括：

S1：建模卫星系统，包括源卫星、中继卫星及地面站；

S2：建模源卫星拟处理任务变量；

S3：建模任务调度及卸载变量；

S4：建模星间链路和星地链路传输速率；

S5：建模任务完成时隙；

S6：建模卫星系统总效用；

S7：建模任务调度及卸载约束；

S8：基于系统效用优化确定任务调度及卸载策略。

进一步，步骤S1中，建模的卫星系统具体包括：令源卫星数量为L，1≤l≤L；中继卫星数量为K，1≤k≤K；地面站数量为M，1≤m≤M；S_l表示第l个源卫星，V_k表示第k个中继卫星，G_m表示第m个地面站；系统时间T划分为连续等长的时隙，时隙长度为τ；令α_l,k,t表示源卫星S_l与数据中继卫星V_k在时隙t的物理链接状态，α_l,k,t＝1表示在时隙t，源卫星S_l与数据中继卫星V_k之间存在物理链路，反之，α_l,k,t＝0；

进一步，步骤S2中，建模源卫星拟处理任务变量具体包括：令θ_l表示源卫星S_l拟处理的任务，由四元组详细描述：θ_l＝{I_l，F_l，w_l，T_l ^max}，其中I_l表示任务θ_l所包含数据总量，F_l表示处理θ_l每比特数据量所需的中央处理单元周期，w_l表示θ_l的任务权值，T_l ^max表示任务θ_l的截止时间；

进一步，步骤S3中，建模任务调度及卸载变量具体包括：令z_l,m,t∈{0,1}为地面站任务处理变量，若G_m在时隙t处理源卫星S_l的任务，则z_l,m,t＝1，反之，z_l,m,t＝0；令x_l,k,t∈{0,1}表示源卫星S_l与中继卫星V_k在时隙t的关联状态，若x_l,k,t＝1，表示S_l与V_k关联，反之，x_l,k,t＝0；令y_l,k,m,t∈{0，1}表示中继卫星与地面站关联策略，若y_l,k,m,t＝1，表示数据中继卫星V_k在时隙t与地面站G_m关联传输源卫星S_l的任务，反之，y_l,k,m,t＝0。

进一步，步骤S4中，建模星间链路和星地链路传输速率具体包括：令

为时隙t源卫星S_l与中继卫星V_k间传输速率，可建模为/>

其中G_t和G_r分别为卫星发射天线增益和接收天线增益，P_l ^s为源卫星S_l发送功率，k_s为波尔滋曼常数，T_s为系统热噪声温度，E_b为卫星发送单位比特所需能量消耗，N₀为星间链路噪声功率谱密度；/>

为时隙t源卫星S_l与中继卫星V_k间链路的自由空间损耗，可表示为/>

其中/>

表示源卫星S_l与数据中继卫星V_k之间的距离，c为光速，f为载波频率；

令

为中继卫星V_k与地面站G_m间链路速率，可建模为/>

其中B为中继卫星V_k与地面站G_m间链路带宽，/>

为中继V_k卫星发送功率，G_g,r为地面站接收天线增益，/>

和L_pt分别为中继卫星V_k与地面站G_m间链路自由空间损耗和雨衰系数，N为地面站处噪声功率。

进一步，步骤S5中，建模任务完成时隙具体包括：令T_l ^c为源卫星将任务θ_l上传至中继卫星所需的时间，中继卫星卸载任务θ_l至地面站所需的时间及地面站执行任务θ_l所需时间之和，可建模为

其中T_l ^s为任务θ_l星间任务传输时隙数，可建模为/>

T_l ^g为中继卫星传输任务θ_l至地面站所需时隙数，定义为自中继卫星在时隙T_l ^s收到任务θ_l起，在后续T_l ^g个时隙内，将任务θ_l的所有数据卸载至地面站；T_l ^g需满足以下限制：

其中

为地面站G_m执行任务θ_l所需时隙数，由于θ_l的所有数据需要在/>

个时隙内完成，/>

需满足以下限制：

其中Φ_m为地面站G_m的计算能力，τ为时隙长度，定义T_l ^t为任务θ_l传输至地面站对应时隙，表示为

进一步，步骤S6中，建模卫星系统总效用具体包括：考虑系统中所有任务的处理性能以及任务权重，建模系统效用函数为

其中，U_l为任务θ_l对应的效用函数，可表示为U_l＝η_lw_l，η_l∈{0,1}为任务θ_l完成标识变量，若任务θ_l在截止时间前完成，η_l＝1，反之，η_l＝0；η_l可表示为/>

1_{x}为指示函数，x为逻辑变量，若x为真，1_{x}＝1，反之，1_{x}＝0。

进一步，步骤S7中，建模任务调度及卸载约束具体包括：用户关联约束、星间链路可用性约束、流量守恒约束、任务卸载约束、任务计算约束以及调度时隙约束等；

1)用户关联限制约束

每个源卫星在一个时隙内只能关联一个数据中继卫星，且每个源卫星只能在一个时隙内将任务上传至中继卫星，则有

中继卫星在每个时隙内只能关联一个地面站，则有

仅当源卫星将任务所有数据上传至中继卫星，中继卫星才可将任务卸载至地面站，则有

2)星间链路可用性约束

仅当源卫星与中继卫星间物理链路存在时，源卫星的任务才可上传至中继卫星，则有

3)流量守恒约束

任务在卫星系统中传输时应满足源卫星、数据中继卫星及地面站处的流量守恒限制；

令

为源卫星S_l在t时隙末缓存任务数据量，则有

令

为中继卫星V_l在t时隙末缓存任务数据量，则有

令

为地面站G_m在t时隙末缓存任务数据量，则有

4)任务卸载约束

给定时隙，各任务仅可卸载至一个地面站，则有

5)任务计算约束

仅当某任务的所有数据均卸载至地面站时，地面计算服务器才可以开始任务处理，且地面站在一个时隙内只能处理一个任务，则有

6)任务调度约束

源卫星的任务需在一个时隙内上传至数据中继卫星，则有

进一步，步骤S8中，在满足任务调度及卸载约束条件下，以卫星系统效用最大化为目标，优化确定任务调度及卸载策略，即：

其中，

分别表示优化后的x_l,k,t,y_l,k,m,t,z_l,m,t。

本发明的有益效果在于：本发明综合考虑源卫星与中继卫星、中继卫星与地面站的关联选择及任务调度及卸载的资源限制，有效实现了卫星系统的效用最大化，提升了系统性能。

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为本发明卫星系统任务调度及卸载场景示意图；

图2为本发明卫星系统任务调度及卸载方法的流程图。

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。

请参阅图1～图2，本发明提供了一种卫星系统任务调度及卸载方法，考虑星间链路特性、源卫星任务特性、地面站可用计算资源等因素对任务传输和处理性能的影响。在本发明中，源卫星能够选择关联不同的中继卫星，通过中继卫星将数据卸载至地面站，提升卫星系统性能。

图2为本发明卫星系统任务调度及卸载方法流程图，如图2所示，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：源卫星拟处理任务变量建模。

令θ_l表示源卫星S_l拟处理的任务，由四元组详细描述：θ_l＝{I_l，F_l，w_l，T_l ^max}，其中I_l表示任务θ_l所包含数据总量、F_l表示处理第l个任务每比特数据量所需的中央处理单元周期、w_l表示θ_l的任务权值、T_l ^max表示任务θ_l的截止时间。

步骤2：任务调度及卸载变量建模。

令z_l,m,t∈{0,1}为地面站任务处理变量，若G_m在t时隙处理第l个源卫星的任务，则z_l,_m,t＝1，反之z_l,m,t＝0；令x_l,k,t∈{0,1}表示源卫星S_l与中继卫星V_k在时隙t的关联状态，若x_l,_k,t＝1，表示S_l与V_k关联，反之，x_l,k,t＝0；令y_l,k,m,t∈{0，1}表示中继卫星与地面站关联策略，若yl_,k,m,t＝1，表示数据中继卫星V_k在时隙t与地面站G_m关联传输源卫星S_l的任务，反之，y_l,k,m,t＝0。

步骤3：星间、星地链路传输速率建模。

令

为t时隙源卫星S_l与中继卫星V_k间传输速率，可建模为/>

其中，G_t和G_r分别为卫星发射天线增益和卫星接收天线增益，P_l ^s为源卫星S_l发送功率，k_s为波尔滋曼常数，T_s为系统热噪声温度，E_b为卫星发送单位比特所需能量消耗，N₀为星间链路噪声功率谱密度，/>

为时隙t源卫星S_l与中继卫星V_k间链路的自由空间损耗,可表示为

其中，/>

表示源卫星S_l与数据中继卫星V_k之间的距离，c为光速，f为载波频率；令/>

为中继卫星V_k与地面站G_m间链路速率，可建模为/>

其中，B为中继卫星V_k与地面站G_m间链路带宽，/>

为中继V_k卫星发送功率，G_g,r为地面站接收天线增益，/>

和L_pt分别为中继卫星V_k与地面站G_m间链路自由空间损耗和雨衰系数，N为地面站处噪声功率。

步骤4：任务完成时隙建模。

令T_l ^c为源卫星将任务θ_l上传至中继卫星所需的时间，任务θ_l由中继卫星卸载至地面站所需的时间及任务θ_l在地面站执行所需时间之和。可建模为

其中T_l ^s为任务θ_l星间任务传输时隙数，可建模为/>

T_l ^g为任务θ_l由中继卫星传输至地面站所需时隙数，其物理含义为：自中继卫星在时隙T_l ^s收到任务θ_l起，在后续T_l ^g个时隙内，中继卫星将任务θ_l的所有数据卸载至地面站。T_l ^g需满足以下限制：

其中，

为地面站G_m执行任务θ_l所需时隙数，由于θ_l的所有数据需要在/>

个时隙内完成，/>

需满足以下限制：

其中，Φ_m为第m个地面站的计算能力，τ为时隙长度。定义T_l ^t为任务θ_l传输至地面站对应时隙，可表示为T_l ^t＝T_l ^s+T_l ^g。

步骤5：卫星系统总效用建模。

考虑系统中所有任务的处理性能以及任务权重，建模系统效用函数为

其中，U_l为任务θ_l对应的效用函数，可表示为U_l＝η_lw_l，η_l∈{0,1}为任务θ_l完成标识变量，若任务θ_l在截止时间前完成，η_l＝1，反之，η_l＝0，η_l可表示为/>

其中1_{x}为指示函数，x为逻辑变量，若x为真，1_{x}＝1，反之，1_{x}＝0。

步骤6：任务调度及卸载约束建模。

任务调度及卸载约束包括用户关联约束、星间链路可用性约束、流量守恒约束、任务卸载约束、任务计算约束以及调度时隙约束。

1)用户关联限制约束

每个源卫星在一个时隙内只能关联一个数据中继卫星，且每个源卫星只能在一个时隙内将任务上传至中继卫星，则有

中继卫星在每个时隙内只能关联一个地面站，则有

只有当源卫星将任务所有数据上传至中继卫星，中继卫星才可将任务卸载至地面站，则有

2)星间链路可用性约束

仅当源卫星与中继卫星间物理链路存在时，源卫星的任务才可上传至中继卫星，则有

3)流量守恒约束

任务在卫星系统中传输时应满足源卫星、数据中继卫星及地面站处的流量守恒限制。

令

为源卫星S_l在t时隙末缓存任务数据量，则有

令

为中继卫星V_l在t时隙末缓存任务数据量，则有

令

为地面站G_m在t时隙末缓存任务数据量，则有

4)任务卸载约束

给定时隙，各任务仅可卸载至一个地面站，则有

5)任务计算约束

仅当某任务的所有数据均卸载至地面站时，地面计算服务器才可以开始任务处理，且地面站在一个时隙内只能处理一个任务，则有

6)任务调度约束

源卫星的任务需在一个时隙内上传至数据中继卫星，则有

步骤7：基于系统效用优化确定任务调度及卸载策略。

在满足任务调度及卸载约束条件，以卫星系统效用最大化为目标，优化确定任务调度及卸载策略，即：

其中，

分别表示优化后的x_l,k,t,y_l,k,m,l,z_l,m,t。

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 (2)

1.一种卫星系统任务调度及卸载方法，其特征在于，该方法具体包括：

S1：建模卫星系统，包括源卫星、中继卫星及地面站；

S2：建模源卫星拟处理任务变量；

S3：建模任务调度及卸载变量；

S4：建模星间链路和星地链路传输速率；

S5：建模任务完成时隙；

S6：建模卫星系统总效用；

S7：建模任务调度及卸载约束；

S8：基于系统效用优化确定任务调度及卸载策略；

步骤S1中，建模的卫星系统具体包括：令源卫星数量为L，1≤l≤L；中继卫星数量为K，1≤k≤K；地面站数量为M，1≤m≤M；S_l表示第l个源卫星，V_k表示第k个中继卫星，G_m表示第m个地面站；系统时间T划分为连续等长的时隙，时隙长度为τ；令α_l,k,t表示源卫星S_l与数据中继卫星V_k在时隙t的物理链接状态，α_l,k,t＝1表示在时隙t，源卫星S_l与数据中继卫星V_k之间存在物理链路，反之，α_l,k,t＝0；

步骤S2中，建模源卫星拟处理任务变量具体包括：令θ_l表示源卫星S_l拟处理的任务，由四元组描述：θ_l＝{I_l,F_l,w_l,T_l ^max}，其中I_l表示任务θ_l所包含数据总量，F_l表示处理θ_l每比特数据量所需的中央处理单元周期，w_l表示θ_l的任务权值，T_l ^max表示任务θ_l的截止时间；

步骤S3中，建模任务调度及卸载变量具体包括：令z_l,m,t∈{0,1}为地面站任务处理变量，若G_m在时隙t处理源卫星S_l的任务，则z_l,m,t＝1，反之，z_l,m,t＝0；令x_l,k,t∈{0,1}表示源卫星S_l与中继卫星V_k在时隙t的关联状态，若x_l,k,t＝1，表示S_l与V_k关联，反之，x_l,k,t＝0；令y_l,k,m,t∈{0，1}表示中继卫星与地面站关联策略，若y_l,k,m,t＝1，表示数据中继卫星V_k在时隙t与地面站G_m关联传输源卫星S_l的任务，反之，y_l,k,m,t＝0；

步骤S4中，建模星间链路和星地链路传输速率具体包括：令

为时隙t源卫星S_l与中继卫星V_k间传输速率，建模为/>

其中G_t和G_r分别为卫星发射天线增益和接收天线增益，P_l ^s为源卫星S_l发送功率，k_s为波尔滋曼常数，T_s为系统热噪声温度，E_b为卫星发送单位比特所需能量消耗，N₀为星间链路噪声功率谱密度；/>

为时隙t源卫星S_l与中继卫星V_k间链路的自由空间损耗，表示为/>

其中/>

表示源卫星S_l与数据中继卫星V_k之间的距离，c为光速，f为载波频率；

令

为中继卫星V_k与地面站G_m间链路速率，建模为/>

其中B为中继卫星V_k与地面站G_m间链路带宽，P_kr为中继V_k卫星发送功率，G_g,r为地面站接收天线增益，/>

和L_pt分别为中继卫星V_k与地面站G_m间链路自由空间损耗和雨衰系数，N为地面站处噪声功率；

步骤S5中，建模任务完成时隙具体包括：令T_l ^c为源卫星将任务θ_l上传至中继卫星所需的时间，中继卫星卸载任务θ_l至地面站所需的时间及地面站执行任务θ_l所需时间之和，建模为

其中T_l ^s为任务θ_l星间任务传输时隙数，建模为/>

T_l ^g为中继卫星传输任务θ_l至地面站所需时隙数，定义为自中继卫星在时隙T_l ^s收到任务θ_l起，在后续T_l ^g个时隙内，将任务θ_l的所有数据卸载至地面站；T_l ^g需满足以下限制：

其中

为地面站G_m执行任务θ_l所需时隙数，由于θ_l的所有数据需要在/>

个时隙内完成，/>

需满足以下限制：

其中Φ_m为地面站G_m的计算能力，τ为时隙长度；定义T_l ^t为任务θ_l传输至地面站对应时隙，表示为T_l ^t＝T_l ^s+T_l ^g；

步骤S6中，建模卫星系统总效用具体包括：考虑系统中所有任务的处理性能以及任务权重，建模系统效用函数为

其中，U_l为任务θ_l对应的效用函数，表示为U_l＝η_lw_l，η_l∈{0,1}为任务θ_l完成标识变量，若任务θ_l在截止时间前完成，η_l＝1，反之，η_l＝0；η_l表示为

1_{x}为指示函数，x为逻辑变量，若x为真，1_{x}＝1，反之，1_{x}＝0；

步骤S7中，建模任务调度及卸载约束具体包括：

1)用户关联限制约束

每个源卫星在一个时隙内只能关联一个数据中继卫星，且每个源卫星只能在一个时隙内将任务上传至中继卫星，则有

中继卫星在每个时隙内只能关联一个地面站，则有

仅当源卫星将任务所有数据上传至中继卫星，中继卫星才可将任务卸载至地面站，则有

2)星间链路可用性约束

仅当源卫星与中继卫星间物理链路存在时，源卫星的任务才可上传至中继卫星，则有

3)流量守恒约束

任务在卫星系统中传输时应满足源卫星、数据中继卫星及地面站处的流量守恒限制；

令

为源卫星S_l在t时隙末缓存任务数据量，则有

令

为中继卫星V_l在t时隙末缓存任务数据量，则有

令

为地面站G_m在t时隙末缓存任务数据量，则有

4)任务卸载约束

给定时隙，各任务仅可卸载至一个地面站，则有

5)任务计算约束

仅当某任务的所有数据均卸载至地面站时，地面计算服务器才可以开始任务处理，且地面站在一个时隙内只能处理一个任务，则有

6)任务调度约束

源卫星的任务需在一个时隙内上传至数据中继卫星，则有

2.根据权利要求1所述的卫星系统任务调度及卸载方法，其特征在于，步骤S8中，在满足任务调度及卸载约束条件下，以卫星系统效用最大化为目标，优化确定任务调度及卸载策略，即：

其中，

分别表示优化后的x_l,k,t,y_l,k,m,t,z_l,m,t。

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