CN115333611B - 一种无线通信方法、无人机及移动边缘计算系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线通信方法、无人机及移动边缘计算系统，其中，所述无线通信方法包括以下步骤：在当前悬停位置识别收集的任务，所述收集的任务是由多个用户发出的待处理任务；根据预设优先级排序收集的任务；将排序后的任务进行处理或中继至低轨卫星处理；将任务处理结果反馈至当前悬停位置对应的用户。本发明旨在最小化所有用户任务的总处理时延。

Description

一种无线通信方法、无人机及移动边缘计算系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种无线通信方法、无人机及移动边缘计算系统。

背景技术

目前随着通信技术的迅速发展，针对偏远地区的通信研究备受关注，尤其是偏远地区，如沙漠、海洋和许多人口稀少地区的环境监测数据提供了许多世界的重要信息，但这些地区收集数据的基站很少，无法实现相关数据的及时传输与处理。现有的移动边缘计算(MEC)技术作为云计算的补充和延伸，其目的是为了更加接近边缘用户，从而帮助资源受限的终端处理通信和计算延迟任务。

目前，传统的MEC系统通常由边缘服务器以及终端设备组成，边缘服务器包括地面边缘服务器和空中边缘服务器。地面边缘服务器通常是地面上的通信基站，空中边缘服务器通常是搭载了边缘服务器的无人机。由于无人机(UAV)的易部署性和高机动性，通常会使用UAV去完成部分服务器的功能，甚至是直接担任服务器的所有功能。其主要包括三种MEC系统，第一种是只有地面基站充当地面边缘服务器的MEC系统，第二种是只有无人机充当空中边缘服务器的MEC系统，第三种是无人机边缘服务器和地面基站协同下的MEC系统。虽然第三种克服了前两种的缺陷，但是无人机一般是部署在100米左右的高空以及地面基站是部署在地面上的，所以其无线覆盖范围是有限的，难以给未覆盖区域的其他地方的用户提供服务。进而亟需提出一种可适用于偏远区域的信息传输方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种无线通信方法、无人机及移动边缘计算系统，旨在解决现有的MEC系统中偏远用户任务时延大的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种无线通信方法，应用于无人机，所述方法包括以下步骤：

在当前悬停位置识别收集的任务，所述收集的任务是由多个用户发出的待处理任务；

根据预设优先级排序收集的任务；

将排序后的任务进行处理或中继至低轨卫星处理；

将任务处理结果反馈至当前悬停位置对应的用户。

可选地，所述根据预设优先级排序收集的任务的步骤，包括：

根据收集的任务的时延大小确定任务优先级的排序，其中任务的时延越大，则该任务的处理优先级越低，反之，该任务的处理优先级越高。

可选地，所述将排序后的任务进行处理或中继至低轨卫星处理的步骤包括：

识别无人机的计算能力是否达到最大值；

若无人机的计算能力达到最大值，则确认收集的任务是否全部处理完成；

若收集的任务存有未处理的任务，则将未处理的任务中继至低轨卫星处理，并接收低轨卫星反馈的处理结果。

可选地，所述识别无人机的计算能力是否达到最大值的步骤之后，还包括：

若无人机的计算能力未达到最大值，则执行处理当前收集的任务并将任务处理结果反馈至对应的用户。

可选地，所述将任务处理结果反馈至对应的用户的步骤，包括：

确认收集的任务是否全部处理并反馈完成；

若收集的任务全部处理并反馈完成，则飞往下一悬停位置。

可选地，所述在当前悬停位置识别收集的任务的步骤之前，包括：

接收预设的初始数据库信息，所述初始数据库信息包括多个悬停位置信息；

依次根据各悬停位置信息收集各用户传输的任务。

可选地，所述在当前悬停位置识别收集的任务的步骤之前，包括：

接收基站反馈的悬停位置信息，所述悬停位置信息是基站根据接收的各用户的任务信息进行实时确定，各用户的任务信息包括用户的任务数据量大小和任务的时延大小。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种无人机，所述无人机包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的无线通信程序，所述无线通信程序被所述处理器执行时实现如上述任一项所述的无线通信方法的步骤。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种移动边缘计算系统，所述系统包括多个无人机和与无人机视距通信的低轨卫星，各无人机接收多个用户的任务并控制各无人机依次悬停至对应多个用户的几何中心位置。

可选地，还包括多个基站，各基站用于收集指定区域内的多个用户信息以及根据接收的各用户信息进行实时确定悬停位置并反馈至对应的无人机。

有益效果：

本发明提供一种无线通信方法，通过在当前悬停位置识别收集的任务，所述收集的任务是由多个用户发出的待处理任务；根据预设优先级排序收集的任务；将排序后的任务进行处理或中继至低轨卫星处理；将任务处理结果反馈至当前悬停位置对应的用户。进而实现将无人机和近地轨道卫星进行结合，可给地面上的时延敏感任务和时延容忍的任务提供低时延计算服务；以及将低轨卫星用作任务处理，可以极大地扩大无人机辅助的MEC系统的无线覆盖范围，同时无人机辅助的MEC系统也可以弥补卫星通信传输时延大的问题，进而最小化所有用户任务的总处理时延。

附图说明

图1是本发明实施例方案涉及的无人机的结构示意图；

图2为本发明一种无线通信方法第一实施例的流程示意图。

图3为本发明一种移动边缘计算系统第一实施例的系统模型图。

图4为本发明一种移动边缘计算系统第二实施例的系统模型图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，图1是本发明实施例方案涉及的无人机的结构示意图。

如图1所示，该系统可以包括：处理器1001，例如CPU，通信总线1002，用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以红外接收模块，用于接收用户通过遥控器触发的控制指令，可选的用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)。存储器1005可以是高速RAM存储器，也可以是稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。

本领域技术人员可以理解，图1中示出的无人机的结构并不构成对无人机的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

本发明无人机的具体实施例与下述无线通信方法各实施例基本相同，在此不作赘述。

参照图2，本发明一种无线通信方法提供的第一实施例的流程示意图，应用于无人机，所述方法包括：

步骤S10，在当前悬停位置识别收集的任务，所述收集的任务是由多个用户发出的待处理任务。

具体地，在本实施例中，其中的悬停位置是指无人机收集任务所处的三维空间的位置，在无人机悬停在悬停位置时，与悬停位置对应匹配的多个用户可通过天线把自身的待处理任务传输到无人机上，进而完成了用户的任务收集。一般地，无人机自身会预先设置单个无人机可接收的用户的数量为C，进而为了便于无人机对多个区域内的所有用户进行任务收集，进而将所有用户分成N个簇群，每个簇群最多只有C个用户，以便无人机可实现对指定区域内的多个用户的任务进行收集。

进一步地，在无人机启动收集任务之前，是需要针对悬停位置进行确定，第一种情况，可以是预先在无人机中存储的初始数据库信息，其中初始数据库信息包括多个悬停位置信息，进而无人机可依次飞往各悬停位置信息执行收集对应各用户传输的任务。此外，针对预设的悬停位置信息在无人机收集处理一段时间之后，还可进一步汇总各悬停位置收集的用户的历史任务信息的情况，并将历史任务信息根据任务的数据量大小、任务时延大小进行均匀划分，其中包括任务的数据量大小、任务的时延大小设置一定占比，并控制各悬停位置的无人机可接收预设占比的任务数据量以及包括一定比例的任务时延大小，并且各任务还包括了该任务所对应的用户及其空间位置，并结合各用户的空间位置，相应调整实际悬停位置的空间坐标，一般地，将单个悬停位置位于对应多个用户的几何中心位置，进而实现了悬停位置的更新。

第二种情况，所述悬停位置也可以是基站反馈的悬停位置，基站会根据接收的各用户的任务进行实时确定，各用户的任务包括用户的任务数据量大小和任务的时延大小，可根据各用户的任务数据量大小和任务的时延大小进一步确定悬停位置，并且还可进一步将无人机的单个悬停位置位于对应多个用户的几何中心位置。

步骤S20，根据预设优先级排序收集的任务。

具体地，在无人机接收到多个不同时延大小的任务时，为了满足用户的不同需求，进而将各任务根据时延的大小分为时延敏感型任务和时延容忍型任务，时延敏感型任务是指任务的时延在10ms以下，时延容忍型任务是指任务的时延在10ms以上；进而将时延越大的任务的越靠后处理，即优先级越低，反之，时延越小的任务越靠前处理，即优先级越高。其中无人机在进行收集的任务进行排序操作是在无人机接收到一定数量的任务之后处理，一般地，还可考量接收对应数量任务所耗费的时间，即需要综合考虑接收任务的数量及对应接收所耗费的时间。

步骤S30，将排序后的任务进行处理或中继至低轨卫星处理。

具体地，在本实施例中，基于无人机处理任务的内存和处理能力有限，进而需要进一步确定当前无人机接收的任务是否可由无人机自身单独完成，即需要进一步识别无人机当前的计算能力是否达到无人机处理量的最大值，若无人机的计算能力达到最大值，则还需进一步确认收集的任务是否全部处理完成，若收集的任务存有未处理的任务，则将未处理的任务中继至低轨卫星处理，其中无人机与卫星之间的通信信道以视距通信为主导，进而可实现低轨卫星对无人机未处理的任务进行处理，并及时将处理结果反馈至无人机，以待无人机将相应的结果反馈至对应的用户，基于无人机到低轨卫星的距离比较远，为了保证任务尽可能以最快的速率传输到低轨卫星，所以无人机总是以最大功率中继任务，进而可以减小用户任务的处理时延，从而达到任务低时延的要求。

若无人机的计算能力未达到最大值，则可直接由无人机执行处理当前收集的任务并将任务处理结果反馈至对应的用户。进而本实施例中，可根据无人机接收的任务的情况进一步选择是否需要无人机与低轨卫星协同处理，进而可以进一步减小地面用户任务的处理时延，从而达到任务低时延的要求。

步骤S40，将任务处理结果反馈至当前悬停位置对应的用户。

具体地，在实施例中，无人机确认收集的任务是否全部处理并反馈完成，其中包括了无人机自身处理的任务与低轨卫星处理的任务，并进一步确定无人自身处理任务对应的处理结果和接收的低轨卫星传输的处理结果是否与无人机收集的任务一一对应，并在无人机收集的任务全部处理并反馈完成后，则无人机启动飞往下一悬停位置，直到所有用户的任务都被收集和处理完毕，此时无人机返回、任务完成。

进一步地，本发明还提供一种移动边缘计算系统，如图3所示，所述系统包括多个无人机和与无人机视距通信的低轨卫星，各无人机接收多个用户的任务并控制各无人机依次悬停至对应多个用户的几何中心位置。该系统是通过多个用户与无人机、无人机与低轨卫星之间通信完成各用户的任务处理，实现了将无人机和近地轨道卫星进行结合，进而同时给地面上的时延敏感任务和时延容忍的任务提供低时延计算服务；并且，无人机的悬停位置的可调，极大扩大了无人机辅助的MEC系统的无线覆盖范围。其中，具体地传输机理如下，针对无人机与用户的任务传输，基于无人机与卫星之间的通信信道以视距通信为主导，并且没有瑞利衰落，因此在无人机的第n个悬停位置上，用户k与无人机通信的信道增益可表示为：

其中，Β₀表示单位距离D＝1M的信道增益。

通过香农公式，可以计算出用户k与无人机的第n个悬停位置之间的通信速率如下：

其中，C表示无人机在每个悬停位置一次最多连接的用户数量，B是无人机和用户之间的通信带宽。

针对无人机与低轨卫星，由于无人机在固定的高度飞行，并且无人机和低轨卫星之间的连接主要是视距通信，进而无人机与卫星之间的通信通道主要与无人机到卫星(U2S)的距离有关。因此，卫星在无人机的第n个悬停位的接收功率表示为：

其中P_u,s,k[n]为无人机在第n个悬停位置上的传输功率。G_u ^tr和G_s ^re分别为无人机的发射天线增益和卫星的接收天线增益。C是光速，f是载波频率，d_u,s[n]是无人机第n个悬停位置和卫星之间的距离。因此，从无人机到卫星的信道容量(BIT/S)可表示为:

其中，B表示无人机与卫星之间的带宽，k_B为玻尔兹曼常数，T_s表示系统噪声温度。

针对任务计算时延

当无人机悬停在第n个位置时，如果用户k选择该位置进行任务的卸载，那么用户k的任务的传输时延为:

无人机在第n个悬停位置上接收到用户k的任务后，该任务要么在无人机上处理，要么在卫星上处理。在无人机上处理的时延为:

在卫星上处理的时延为:

因此，用户K的任务计算时延为

因为任务处理完成之后的结果十分小，所以我们不考虑任务的回传时间。那么用户K任务总的时延为：

其中a_k[n]＝1表示用户K的任务在无人机的第n个悬停位置上卸载给无人机，

a_k[n]＝0表示用户K的任务在无人机的第n个悬停位置上不卸载给无人机，以待下一次悬停后卸载。

进一步地，针对可设置基站的区域，如图4所示，通过基站确定无人机悬停位置，进而无人机仅需接收基站传输的信息并处理用户传输的任务、以及将未处理的任务反馈至低轨卫星进一步处理，基站的加入，进一步提升了无人机悬停的位置确定效率，提高了用户任务的收集效率，并进一步有效提高了用户任务的处理时延，实现任务的及时反馈。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种无线通信方法，应用于无人机，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S10，在当前悬停位置识别收集的任务，所述收集的任务是由多个用户发出的待处理任务；

步骤S20，根据预设优先级排序收集的任务，其中优先级是根据收集的任务的时延来决定的；

步骤S30，根据当前的计算能力确定将排序后的任务进行处理或中继至低轨卫星处理；

步骤S40，将任务处理结果反馈至当前悬停位置对应的用户；

其中，所述在当前悬停位置识别收集的任务的步骤之前，包括：

接收基站反馈的悬停位置信息，所述悬停位置信息是基站根据接收的各用户的任务信息进行实时确定，各用户的任务信息包括用户的任务数据量大小和任务的时延大小；

或者，接收预设的初始数据库信息，所述初始数据库信息包括多个悬停位置信息；依次根据各悬停位置信息收集各用户传输的任务。

2.根据权利要求1所述的无线通信方法，其特征在于，所述根据预设优先级排序收集的任务的步骤，包括：

根据收集的任务的时延大小确定任务优先级的排序，其中任务的时延越大，则该任务的处理优先级越低，反之，该任务的处理优先级越高。

3.根据权利要求2所述的无线通信方法，其特征在于，所述将排序后的任务进行处理或中继至低轨卫星处理的步骤包括：

识别无人机的计算能力是否达到最大值；

若无人机的计算能力达到最大值，则确认收集的任务是否全部处理完成；

若收集的任务存有未处理的任务，无人机则将未处理的任务中继至低轨卫星处理，并接收低轨卫星反馈的处理结果。

4.根据权利要求3所述的无线通信方法，其特征在于，所述识别无人机的计算能力是否达到最大值的步骤之后，还包括：

若无人机的计算能力未达到最大值，则执行处理当前收集的任务并将任务处理结果反馈至对应的用户。

5.根据权利要求1所述的无线通信方法，其特征在于，所述将任务处理结果反馈至当前悬停位置对应的用户的步骤，包括：

确认收集的任务是否全部处理并反馈完成；

若收集的任务全部处理并反馈完成，则飞往下一悬停位置。

6.一种无人机，其特征在于，所述无人机包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的无线通信程序，所述无线通信程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至5中任一项所述的无线通信方法的步骤。

7.一种移动边缘计算系统，其特征在于，所述系统包括多个无人机和与无人机视距通信的低轨卫星，各无人机接收多个用户的任务并控制各无人机依次悬停至对应多个用户的几何中心位置，所述无人机为权利要求6中所述的无人机。

8.根据权利要求7所述的移动边缘计算系统，其特征在于，还包括多个基站，基站用于收集指定区域内的多个用户信息以及根据接收的各用户信息进行实时确定悬停位置并将悬停位置反馈给无人机。