CN115499874A - 一种星地联合的边缘计算方法 - Google Patents

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CN115499874A CN202210977079.8A CN202210977079A CN115499874A CN 115499874 A CN115499874 A CN 115499874A CN 202210977079 A CN202210977079 A CN 202210977079A CN 115499874 A CN115499874 A CN 115499874A
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space
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王�琦
陈晓明
齐俏
张朝阳
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Zhejiang University ZJU
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Zhejiang University ZJU
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Abstract

本发明公开了一种星地联合的边缘计算方法，涉及无线通信领域。系统由多个配备有边缘计算服务器的地面基站和低轨卫星组成，为计算受限的地面终端和太空终端提供低时延的计算卸载服务。地面终端和太空终端根据环境信息和计算任务信息配置发射功率并选择合适的边缘计算服务器，通过上行链路进行计算任务卸载。地面基站和低轨卫星收到相应终端的数据信号后，利用接收波束进行解码并送至其边缘计算服务器执行任务计算，同时为其分配相应的计算资源。计算任务完成后，计算结果通过下行链路回传给相应的终端。本发明为6G天地一体化网络提供了一种有效的星地联合的边缘计算方法。

Description

一种星地联合的边缘计算方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种星地联合的边缘计算方法。
背景技术
近年来，随着物联网行业的飞速发展，物联网终端的数量呈现爆发式增长，预计到2030年，物联网终端将达到千亿数量级。在这种情况下，当前的5G通信技术已经不能完全匹配快速增长的终端接入要求。为了迎接即将到来的挑战，学术界和工业界已经开始了6G移动通信网络的研究。
目前，在全球终端连接和数据流量不断增加的情况下，单靠地面网络和计算已无法有效满足海量数据的高效低时延处理需求。在这种情况下，6G将会是地面网络与卫星网络深度融合的一体化网络。具体而言，6G网络将在5G技术的基础上进一步融合卫星通信、大数据和人工智能等技术，以提供更广阔的覆盖范围、更大的通信容量和更低的传输时延。此外，越来越多的新兴业务场景，如无人驾驶汽车、增强现实和工业物联网等，对海量数据的通信和计算也提出了更高的要求。因此，需要为6G星地联合网络提供一种有效的通信与计算融合方案。
通过综合考虑地面通信、星地通信和星间链路的特点，整合地面网络和低轨卫星网络边缘计算资源，为6G网络设计一种星地联合的边缘计算方法，能够有效给资源受限区域提供网络连接和算力支持，满足地面和太空中先进物联网终端应用场景需求，大幅降低星地联合系统的能量消耗。
发明内容
本发明的目的是为了解决6G网络中地面终端和太空终端计算资源受限、通信堵塞、时延过高、能量消耗大等问题，提出了一种星地联合的边缘计算方法。
本发明所采用的具体技术方案如下：
本发明提供了一种星地联合的边缘计算方法，包括如下步骤：
1)星地计算系统中部署M个配备有边缘计算服务器且天线数为
Figure BDA0003798709150000021
的地面基站和N个配备有边缘计算服务器且天线数为
Figure BDA0003798709150000022
的低轨卫星，还包括K个计算受限的单天线地面终端和L个计算受限的单天线太空终端；获取第k个地面终端到第m个地面基站的地面信道状态信息hk,m，第k个地面终端到第n个低轨卫星的星地信道状态信息gk,n，太空终端与低轨卫星之间的星间链路信息包含第l个太空终端的发射机光学效率
Figure BDA0003798709150000023
发射机孔径增益
Figure BDA0003798709150000024
第n个低轨卫星的接收机光学效率
Figure BDA0003798709150000025
接收机孔径增益
Figure BDA0003798709150000026
第l个太空终端到第n个低轨卫星的发射机指向损耗系数
Figure BDA0003798709150000027
和接收机指向损耗系数
Figure BDA0003798709150000028
2)地面终端和太空终端根据环境信息和计算任务信息，利用一种卸载对象选择策略选择一个地面基站或低轨卫星进行计算任务卸载，所述计算任务信息包括计算任务量和任务复杂度；获取第k个地面终端的计算任务量dk，任务复杂度ck，第l个太空终端的计算任务量
Figure BDA0003798709150000029
任务复杂度
Figure BDA00037987091500000210
3)根据所述的一种卸载对象选择策略中的卸载对象，地面终端和太空终端利用一种发射功率分配方法构建发射信号，通过上行链路进行计算任务卸载；
4)利用一种联合接收波束和资源分配方法以使地面基站和低轨卫星收到来自地面终端的信号；随后进行串行干扰消除并设计相应的接收波束进行解码，同时低轨卫星对来自太空终端的光信号进行解码，解码完成后得到任务数据；地面基站和低轨卫星将所述任务数据送至各自的边缘计算服务器，并为边缘计算服务器分配计算资源；
5)根据分配的计算资源，边缘计算服务器执行计算任务，完成计算后将计算结果回传给相应的终端。
基于上述技术方案，其中的部分步骤可采用如下优选方式实现：
作为优选，步骤2)中，所述的一种卸载对象选择策略为：
a)根据地面终端与地面基站和低轨卫星之间的距离初始化地面终端的卸载对象选择标志αk,m∈{0,1}和βk,n∈{0,1}，根据太空终端与低轨卫星的距离初始化太空终端的卸载对象选择标志γl,n∈{0,1}；其中αk,m＝1表示第k个地面终端将计算任务卸载到第m个地面基站，βk,n＝1表示第k个地面终端将计算任务卸载到第n个低轨卫星，γl,n＝1表示第l个太空终端将计算任务卸载到第n个低轨卫星；初始化地面终端发射功率
Figure BDA0003798709150000031
和太空终端发射功率
Figure BDA0003798709150000032
其中
Figure BDA0003798709150000033
为第k个地面终端的最大发射功率，
Figure BDA0003798709150000034
为第l个太空终端的最大发射功率；初始化第m个地面基站对第k个地面终端的接收波束为
Figure BDA0003798709150000035
和第n个低轨卫星对第k个地面终端的接收波束为
Figure BDA0003798709150000036
其中||·||表示矢量的二范数；初始化第m个地面基站的边缘计算服务器分配给第k个地面终端的计算资源为
Figure BDA0003798709150000037
初始化第n个低轨卫星的边缘计算服务器分配给第k个地面终端的计算资源为
Figure BDA0003798709150000038
初始化第n个低轨卫星的边缘计算服务器分配给第l个太空终端的计算资源为
Figure BDA0003798709150000039
其中
Figure BDA00037987091500000310
表示第m个地面基站的边缘计算服务器的总计算资源，
Figure BDA00037987091500000311
表示第n个低轨卫星的边缘计算服务器的总计算资源；
b)计算得到所有终端完成计算任务所需的加权总能耗
Figure BDA00037987091500000312
其中
Figure BDA00037987091500000313
为第k个地面终端的权重，
Figure BDA00037987091500000314
为第l个太空终端的权重；
Figure BDA00037987091500000315
为第k个地面终端将任务卸载到地面基站的能量消耗，其中
Figure BDA00037987091500000316
为第m个地面基站边缘计算服务器的能量系数，
Figure BDA00037987091500000317
为第k个地面终端到第m个地面基站的数据传输速率，其中B1为地面传输的信道带宽，
Figure BDA00037987091500000318
为地面传输的高斯白噪声的方差；
Figure BDA0003798709150000041
为第k个地面终端将任务卸载到低轨卫星的能量消耗，其中
Figure BDA0003798709150000042
为第n个低轨卫星边缘计算服务器的能量系数，
Figure BDA0003798709150000043
为第k个地面终端到第n个低轨卫星的数据传输速率，其中B2为星地传输的信道带宽，
Figure BDA0003798709150000044
为星地传输的高斯白噪声的方差；
Figure BDA0003798709150000045
为第l个太空终端将任务卸载到低轨卫星的能量消耗，其中
Figure BDA0003798709150000046
为第l个太空终端到第n个低轨卫星的数据传输速率，其中B3为星间传输的信道带宽，
Figure BDA0003798709150000047
为星间传输的高斯白噪声的方差，λ为光通信波长，φl,n为第l个太空终端与第n个低轨卫星之间的距离；
c)根据任务卸载策略限制，令
Figure BDA0003798709150000048
且
Figure BDA0003798709150000049
d)根据边缘计算服务器的计算资源限制，令
Figure BDA00037987091500000410
且
Figure BDA00037987091500000411
e)根据地面终端和太空终端完成计算任务的时延要求，令
Figure BDA00037987091500000412
且
Figure BDA00037987091500000413
其中
Figure BDA00037987091500000414
为第k个地面终端与第n个低轨卫星之间的距离，μ为光速，
Figure BDA00037987091500000415
为第k个地面终端完成计算任务的最大容忍时延，
Figure BDA00037987091500000416
为第l个太空终端完成计算任务的最大容忍时延；
f)利用分支定界法进行求解，求出使所有终端完成任务计算的加权总能耗E最小的解，即得到卸载对象选择标志αk,m,βk,n,γl,n。
作为优选，步骤3)中，所述的一种发射功率分配方法为：
a)根据步骤2)的结果，获取并更新地面终端和太空终端的卸载对象选择标志αk,m,βk,n,γl,n；
b)引入辅助变量
Figure BDA0003798709150000051
其中
Figure BDA0003798709150000052
更新
Figure BDA0003798709150000053
c)引入辅助变量
Figure BDA0003798709150000054
利用高斯消元法进行求解得到第k个地面终端将任务卸载到地面基站的发射功率为
Figure BDA0003798709150000055
引入辅助变量
Figure BDA0003798709150000056
利用高斯消元法进行求解得到第k′个地面终端将任务卸载到低轨卫星的发射功率为
Figure BDA0003798709150000057
d)引入辅助变量
Figure BDA0003798709150000058
和
Figure BDA0003798709150000059
令
Figure BDA00037987091500000510
且
Figure BDA00037987091500000511
引入中间变量
Figure BDA00037987091500000512
和
Figure BDA00037987091500000513
令
Figure BDA00037987091500000514
且
Figure BDA00037987091500000515
计算出所有终端完成计算任务的加权总能耗为
Figure BDA0003798709150000061
e)根据地面终端和太空终端的发射功率限制，令
Figure BDA0003798709150000062
且
Figure BDA0003798709150000063
f)根据地面终端和太空终端完成计算任务的时延要求，令
Figure BDA0003798709150000064
且
Figure BDA0003798709150000065
g)利用内点法或直接调用CVX工具包进行求解，求出使所有终端完成计算任务的加权总能耗E最小的解，即得到地面终端发射功率pk和太空终端发射功率ql。
作为优选，步骤4)中，所述的一种联合接收波束和资源分配方法为：
a)根据步骤3)的结果，获取并更新地面终端的发射功率pk和卸载对象选择标志αk,m,βk,n，太空终端的发射功率ql和卸载对象选择标志γl,n；
b)引入辅助变量
Figure BDA0003798709150000066
和
Figure BDA0003798709150000067
令
Figure BDA0003798709150000068
且
Figure BDA0003798709150000069
计算出所有终端完成计算任务的加权总能耗为
Figure BDA00037987091500000610
c)引入辅助变量
Figure BDA0003798709150000071
和
Figure BDA0003798709150000072
令
Figure BDA0003798709150000073
Figure BDA0003798709150000074
Figure BDA0003798709150000075
d)定义中间变量
Figure BDA0003798709150000076
和
Figure BDA0003798709150000077
令
Figure BDA0003798709150000078
Figure BDA0003798709150000079
其中
Figure BDA00037987091500000710
分别为Xk,m、
Figure BDA00037987091500000711
Yk,n、
Figure BDA00037987091500000712
在上一轮迭代中的值，tr(·)表示矩阵的迹；
e)根据地面终端完成计算任务的时延要求，令
Figure BDA00037987091500000713
f)根据边缘计算服务器的计算资源限制，令
Figure BDA00037987091500000714
Figure BDA00037987091500000715
和
Figure BDA00037987091500000716
g)利用内点法或直接调用CVX工具包进行求解，求出使所有终端完成计算任务加权总能耗E最小的解，即得到地面基站的边缘计算服务器分配给地面终端的计算资源
Figure BDA00037987091500000717
得到低轨卫星的边缘计算服务器分配给地面终端的计算资源
Figure BDA00037987091500000718
得到低轨卫星的边缘计算服务器分配给太空终端的计算资源
Figure BDA00037987091500000719
对Wk,m和Vk,n分别进行特征值分解即得到地面基站和低轨卫星的接收波束wk,m和vk,n。
作为优选，步骤2)中环境信息包括地面信道状态信息、星地信道状态信息和星间链路信息。
本发明具有的有益效果是：本发明提出的星地联合的边缘计算方法，解决了6G空天地一体化场景下地面终端和太空终端通信受限、计算资源匮乏、任务计算时延高、能量消耗大所产生的一系列问题。本发明提出的联合设计卸载策略、发射功率、接收波束和计算资源分配的优化算法，具有复杂度低、能量消耗少、计算资源分配合理和计算时延满足终端要求等优点。
附图说明
图1是星地联合的边缘计算方法的系统框图；
图2是在地面基站和低轨卫星数量不同和终端时延要求不同的情况下，所提方法的加权总能耗比较(地面基站和低轨卫星数量相同且分别为3、4和5)；
图3是在不同星地联合的边缘计算方法下，终端完成任务计算的加权总能耗性能比较。
具体实施方式
本实施例中，星地联合的边缘计算方法的系统框图如图1所示，系统由M个配备有边缘计算服务器的多天线地面基站和N个配备有边缘计算服务器的低轨卫星组成，为K个计算受限的地面终端和L个计算受限的太空终端提供低时延的计算卸载服务。地面终端和太空终端根据环境信息和计算任务信息配置发射功率并选择合适的边缘计算服务器，通过上行链路进行计算任务卸载。地面基站和低轨卫星收到相应终端的数据信号后，设计接收波束进行解码并送至其边缘计算服务器执行任务计算，同时为其分配相应的计算资源。计算任务完成后，计算结果通过下行链路回传给相应的终端。
本实施例所采用的具体技术方案如下：
一种星地联合的边缘计算方法，包括如下步骤：
1)星地计算系统中部署M个配备有边缘计算服务器且天线数为
Figure BDA0003798709150000081
的地面基站和N个配备有边缘计算服务器且天线数为
Figure BDA0003798709150000082
的低轨卫星，同时有K个计算受限的单天线地面终端和L个计算受限的单天线太空终端，需要选择相应的边缘计算服务器完成自身的计算任务。其中，第k个地面终端到第m个地面基站的地面信道状态信息为hk,m，第k个地面终端到第n个低轨卫星的星地信道状态信息为gk,n，太空终端与低轨卫星之间的星间链路信息包含第l个太空终端的发射机光学效率为
Figure BDA0003798709150000091
发射机孔径增益为
Figure BDA0003798709150000092
第n个低轨卫星的接收机光学效率为
Figure BDA0003798709150000093
接收机孔径增益为
Figure BDA0003798709150000094
第l个太空终端到第n个低轨卫星的发射机指向损耗系数和接收机指向损耗系数分别为
Figure BDA0003798709150000095
和
Figure BDA0003798709150000096
2)地面终端和太空终端根据环境信息(地面信道状态信息、星地信道状态信息、星间链路信息)和计算任务信息，利用一种卸载对象选择策略选择一个地面基站或低轨卫星进行计算任务卸载，所述计算任务信息包括计算任务量和任务复杂度，其中第k个地面终端的计算任务量为dk，任务复杂度为ck，第l个太空终端的计算任务量为
Figure BDA0003798709150000097
任务复杂度为
Figure BDA0003798709150000098
在本实施例中，上述步骤2)中，一种卸载对象选择策略为：
a)根据地面终端与地面基站、低轨卫星之间的距离初始化地面终端的卸载对象选择标志αk,m∈{0,1},βk,n∈{0,1}，根据太空终端与低轨卫星的距离初始化太空终端的卸载对象选择标志γl,n∈{0,1}，其中αk,m＝1表示第k个地面终端将计算任务卸载到第m个地面基站，βk,n＝1表示第k个地面终端将计算任务卸载到第n个低轨卫星，γl,n＝1表示第l个太空终端将计算任务卸载到第n个低轨卫星；初始化地面终端发射功率
Figure BDA0003798709150000099
太空终端发射功率
Figure BDA00037987091500000910
其中
Figure BDA00037987091500000911
为第k个地面终端的最大发射功率，
Figure BDA00037987091500000912
为第l个太空终端的最大发射功率；初始化第m个地面基站对第k个地面终端的接收波束为
Figure BDA00037987091500000913
第n个低轨卫星对第k个地面终端的接收波束为
Figure BDA00037987091500000914
其中||·||表示矢量的二范数；初始化第m个地面基站的边缘计算服务器分配给第k个地面终端的计算资源为
Figure BDA00037987091500000915
第n个低轨卫星的边缘计算服务器分配给第k个地面终端的计算资源为
Figure BDA00037987091500000916
第n个低轨卫星的边缘计算服务器分配给第l个太空终端的计算资源为
Figure BDA00037987091500000917
其中
Figure BDA00037987091500000918
表示第m个地面基站的边缘计算服务器的总计算资源，
Figure BDA00037987091500000919
表示第n个低轨卫星的边缘计算服务器的总计算资源。
b)计算出所有终端完成计算任务所需的加权总能耗
Figure BDA0003798709150000101
其中
Figure BDA0003798709150000102
为第k个地面终端的权重，
Figure BDA0003798709150000103
为第l个太空终端的权重。
Figure BDA0003798709150000104
为第k个地面终端将任务卸载到地面基站的能量消耗，其中
Figure BDA0003798709150000105
为第m个地面基站边缘计算服务器的能量系数，
Figure BDA0003798709150000106
为第k个地面终端到第m个地面基站的数据传输速率，其中B1为地面传输的信道带宽，
Figure BDA0003798709150000107
为地面传输的高斯白噪声的方差。
Figure BDA0003798709150000108
为第k个地面终端将任务卸载到低轨卫星的能量消耗，其中
Figure BDA0003798709150000109
为第n个低轨卫星边缘计算服务器的能量系数，
Figure BDA00037987091500001010
为第k个地面终端到第n个低轨卫星的数据传输速率，其中B2为星地传输的信道带宽，
Figure BDA00037987091500001011
为星地传输的高斯白噪声的方差。
Figure BDA00037987091500001012
为第l个太空终端将任务卸载到低轨卫星的能量消耗，其中
Figure BDA00037987091500001013
为第l个太空终端到第n个低轨卫星的数据传输速率，其中B3为星间传输的信道带宽，
Figure BDA00037987091500001014
为星间传输的高斯白噪声的方差，λ为光通信波长，φl,n为第l个太空终端与第n个低轨卫星之间的距离；
c)根据任务卸载策略限制，令
Figure BDA00037987091500001015
和
Figure BDA00037987091500001016
d)根据边缘计算服务器的计算资源限制，令
Figure BDA0003798709150000111
和
Figure BDA0003798709150000112
e)根据地面终端和太空终端完成计算任务的时延要求，令
Figure BDA0003798709150000113
和
Figure BDA0003798709150000114
其中
Figure BDA0003798709150000115
为第k个地面终端与第n个低轨卫星之间的距离，μ为光速，
Figure BDA0003798709150000116
为第k个地面终端完成计算任务的最大容忍时延，
Figure BDA0003798709150000117
为第l个太空终端完成计算任务的最大容忍时延；
f)利用分支定界法进行求解，求出使所有终端完成计算任务的加权总能耗E最小的解，即得到卸载对象选择标志αk,m,βk,n,γl,n。
3)根据卸载对象，地面终端和太空终端利用一种发射功率分配方法构建发射信号，通过上行链路进行计算任务卸载；
在本实施例中，上述步骤3)中，一种发射功率分配方法为：
a)获取并更新地面终端和太空终端的卸载对象选择标志αk,m,βk,n,γl,n；
b)引入辅助变量
Figure BDA0003798709150000118
其中
Figure BDA0003798709150000119
更新
Figure BDA00037987091500001110
c)引入辅助变量
Figure BDA00037987091500001111
利用高斯消元法进行求解得到第k个地面终端将任务卸载到地面基站的发射功率为
Figure BDA00037987091500001112
引入辅助变量
Figure BDA0003798709150000121
利用高斯消元法进行求解得到第k′个地面终端将任务卸载到低轨卫星的发射功率为
Figure BDA0003798709150000122
d)引入辅助变量
Figure BDA0003798709150000123
和
Figure BDA0003798709150000124
令
Figure BDA0003798709150000125
和
Figure BDA0003798709150000126
引入中间变量
Figure BDA0003798709150000127
和
Figure BDA0003798709150000128
令
Figure BDA0003798709150000129
和
Figure BDA00037987091500001210
计算出所有终端完成任务计算的加权总能耗为
Figure BDA00037987091500001211
e)根据地面终端和太空终端的发射功率限制，令
Figure BDA00037987091500001212
和
Figure BDA00037987091500001213
f)根据地面终端和太空终端完成计算任务的时延要求，令
Figure BDA00037987091500001214
和
Figure BDA00037987091500001215
g)利用内点法或直接调用CVX工具包进行求解，求出使所有终端完成计算任务的加权总能耗E最小的解，即得到地面终端发射功率pk和太空终端发射功率ql。
4)利用一种联合接收波束和资源分配方法，地面基站和低轨卫星收到来自地面终端的信号后，进行串行干扰消除并设计相应的接收波束进行解码，同时低轨卫星对来自太空终端的光信号进行解码。解码完成后，地面基站和低轨卫星将任务数据送至边缘计算服务器，并为其分配计算资源。
在本实施例中，上述步骤4)中，一种联合接收波束和资源分配方法为：
a)获取并更新地面终端的发射功率pk和卸载对象选择标志αk,m,βk,n，太空终端的发射功率ql和卸载对象选择标志γl,n；
b)引入辅助变量
Figure BDA0003798709150000131
和
Figure BDA0003798709150000132
令
Figure BDA0003798709150000133
和
Figure BDA0003798709150000134
计算出所有终端完成任务计算的加权总能耗为
Figure BDA0003798709150000135
c)引入辅助变量
Figure BDA0003798709150000136
和
Figure BDA0003798709150000137
令
Figure BDA0003798709150000138
Figure BDA0003798709150000139
Figure BDA00037987091500001310
d)定义中间变量
Figure BDA00037987091500001311
和
Figure BDA00037987091500001312
令
Figure BDA00037987091500001313
Figure BDA00037987091500001314
其中
Figure BDA00037987091500001315
分别为Xk,m、
Figure BDA00037987091500001316
Yk,n、
Figure BDA00037987091500001317
在上一轮迭代中的值，tr(·)表示矩阵的迹；
e)根据地面终端完成计算任务的时延要求，令
Figure BDA0003798709150000141
f)根据边缘计算服务器的计算资源限制，令
Figure BDA0003798709150000142
Figure BDA0003798709150000143
和
Figure BDA0003798709150000144
g)利用内点法或直接调用CVX工具包进行求解，求出使所有终端完成计算任务加权总能耗E最小的解，即得到地面基站的边缘计算服务器分配给地面终端的计算资源
Figure BDA0003798709150000145
得到低轨卫星的边缘计算服务器分配给地面终端的计算资源
Figure BDA0003798709150000146
得到低轨卫星的边缘计算服务器分配给太空终端的计算资源
Figure BDA0003798709150000147
对Wk,m和Vk,n分别进行特征值分解即得到地面基站和低轨卫星的接收波束wk,m，vk,n；
5)根据分配的计算资源，边缘计算服务器执行计算任务，完成计算后将计算结果回传给相应的终端。
通过计算机仿真表明，如图2所示，本发明提出的一种星地联合的边缘计算方法，终端对时延要求越高，完成计算任务的加权能量消耗就越大。而且，随着地面基站和低轨卫星的增多，加权能量消耗就有明显的减少。另外，图3表明本发明所提方法相比于固定接收波束、固定发射功率最大、随机卸载策略和平均计算资源方法具有明显的性能优势，在不同终端时延要求的情况下都有较大的性能增益。因此，本发明为6G场景下计算资源受限的天地一体化网络提供了一种有效的星地联合的边缘计算方法。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种星地联合的边缘计算方法，其特征在于包括如下步骤：
1)星地计算系统中部署M个配备有边缘计算服务器且天线数为
Figure FDA0003798709140000011
的地面基站和N个配备有边缘计算服务器且天线数为
Figure FDA0003798709140000012
的低轨卫星，还包括K个计算受限的单天线地面终端和L个计算受限的单天线太空终端；获取第k个地面终端到第m个地面基站的地面信道状态信息hk,m，第k个地面终端到第n个低轨卫星的星地信道状态信息gk,n，太空终端与低轨卫星之间的星间链路信息包含第l个太空终端的发射机光学效率
Figure FDA0003798709140000013
发射机孔径增益
Figure FDA0003798709140000014
第n个低轨卫星的接收机光学效率
Figure FDA0003798709140000015
接收机孔径增益
Figure FDA0003798709140000016
第l个太空终端到第n个低轨卫星的发射机指向损耗系数
Figure FDA0003798709140000017
和接收机指向损耗系数
Figure FDA0003798709140000018
2)地面终端和太空终端根据环境信息和计算任务信息，利用一种卸载对象选择策略选择一个地面基站或低轨卫星进行计算任务卸载，所述计算任务信息包括计算任务量和任务复杂度；获取第k个地面终端的计算任务量dk，任务复杂度ck，第l个太空终端的计算任务量
Figure FDA0003798709140000019
任务复杂度
Figure FDA00037987091400000110
3)根据所述的一种卸载对象选择策略中的卸载对象，地面终端和太空终端利用一种发射功率分配方法构建发射信号，通过上行链路进行计算任务卸载；
4)利用一种联合接收波束和资源分配方法以使地面基站和低轨卫星收到来自地面终端的信号；随后进行串行干扰消除并设计相应的接收波束进行解码，同时低轨卫星对来自太空终端的光信号进行解码，解码完成后得到任务数据；地面基站和低轨卫星将所述任务数据送至各自的边缘计算服务器，并为边缘计算服务器分配计算资源；
5)根据分配的计算资源，边缘计算服务器执行计算任务，完成计算后将计算结果回传给相应的终端。
2.根据权利要求1所述的一种星地联合的边缘计算方法，其特征在于步骤2)中，所述的一种卸载对象选择策略为：
a)根据地面终端与地面基站和低轨卫星之间的距离初始化地面终端的卸载对象选择标志αk,m∈{0,1}和βk,n∈{0,1}，根据太空终端与低轨卫星的距离初始化太空终端的卸载对象选择标志γl,n∈{0,1}；其中αk,m＝1表示第k个地面终端将计算任务卸载到第m个地面基站，βk,n＝1表示第k个地面终端将计算任务卸载到第n个低轨卫星，γl,n＝1表示第l个太空终端将计算任务卸载到第n个低轨卫星；初始化地面终端发射功率
Figure FDA0003798709140000021
和太空终端发射功率
Figure FDA0003798709140000022
其中
Figure FDA0003798709140000023
为第k个地面终端的最大发射功率，
Figure FDA0003798709140000024
为第l个太空终端的最大发射功率；初始化第m个地面基站对第k个地面终端的接收波束为
Figure FDA0003798709140000025
和第n个低轨卫星对第k个地面终端的接收波束为
Figure FDA0003798709140000026
其中||·||表示矢量的二范数；初始化第m个地面基站的边缘计算服务器分配给第k个地面终端的计算资源为
Figure FDA0003798709140000027
初始化第n个低轨卫星的边缘计算服务器分配给第k个地面终端的计算资源为
Figure FDA0003798709140000028
初始化第n个低轨卫星的边缘计算服务器分配给第l个太空终端的计算资源为
Figure FDA0003798709140000029
其中
Figure FDA00037987091400000210
表示第m个地面基站的边缘计算服务器的总计算资源，
Figure FDA00037987091400000211
表示第n个低轨卫星的边缘计算服务器的总计算资源；
b)计算得到所有终端完成计算任务所需的加权总能耗
Figure FDA00037987091400000212
其中
Figure FDA00037987091400000213
为第k个地面终端的权重，
Figure FDA00037987091400000214
为第l个太空终端的权重；
Figure FDA00037987091400000215
为第k个地面终端将任务卸载到地面基站的能量消耗，其中
Figure FDA00037987091400000216
为第m个地面基站边缘计算服务器的能量系数，
Figure FDA00037987091400000217
为第k个地面终端到第m个地面基站的数据传输速率，其中B1为地面传输的信道带宽，
Figure FDA00037987091400000218
为地面传输的高斯白噪声的方差；
Figure FDA0003798709140000031
为第k个地面终端将任务卸载到低轨卫星的能量消耗，其中
Figure FDA0003798709140000032
为第n个低轨卫星边缘计算服务器的能量系数，
Figure FDA0003798709140000033
为第k个地面终端到第n个低轨卫星的数据传输速率，其中B2为星地传输的信道带宽，
Figure FDA0003798709140000034
为星地传输的高斯白噪声的方差；
Figure FDA0003798709140000035
为第l个太空终端将任务卸载到低轨卫星的能量消耗，其中
Figure FDA0003798709140000036
为第l个太空终端到第n个低轨卫星的数据传输速率，其中B3为星间传输的信道带宽，
Figure FDA0003798709140000037
为星间传输的高斯白噪声的方差，λ为光通信波长，φl,n为第l个太空终端与第n个低轨卫星之间的距离；
c)根据任务卸载策略限制，令
Figure FDA0003798709140000038
且
Figure FDA0003798709140000039
d)根据边缘计算服务器的计算资源限制，令
Figure FDA00037987091400000310
且
Figure FDA00037987091400000311
e)根据地面终端和太空终端完成计算任务的时延要求，令
Figure FDA00037987091400000312
且
Figure FDA00037987091400000313
其中
Figure FDA00037987091400000314
为第k个地面终端与第n个低轨卫星之间的距离，μ为光速，
Figure FDA00037987091400000315
为第k个地面终端完成计算任务的最大容忍时延，
Figure FDA00037987091400000316
为第l个太空终端完成计算任务的最大容忍时延；
f)利用分支定界法进行求解，求出使所有终端完成任务计算的加权总能耗E最小的解，即得到卸载对象选择标志αk,m,βk,n,γl,n。
3.根据权利要求2所述的一种星地联合的边缘计算方法，其特征在于步骤3)中，所述的一种发射功率分配方法为：
a)根据步骤2)的结果，获取并更新地面终端和太空终端的卸载对象选择标志αk,m,βk,n,γl,n；
b)引入辅助变量
Figure FDA0003798709140000041
其中
Figure FDA0003798709140000042
更新
Figure FDA0003798709140000043
c)引入辅助变量
Figure FDA0003798709140000044
利用高斯消元法进行求解得到第k个地面终端将任务卸载到地面基站的发射功率为
Figure FDA0003798709140000045
引入辅助变量
Figure FDA0003798709140000046
利用高斯消元法进行求解得到第k′个地面终端将任务卸载到低轨卫星的发射功率为
Figure FDA0003798709140000047
d)引入辅助变量
Figure FDA0003798709140000048
和
Figure FDA0003798709140000049
令
Figure FDA00037987091400000410
且
Figure FDA00037987091400000411
引入中间变量
Figure FDA00037987091400000412
和
Figure FDA00037987091400000413
令
Figure FDA00037987091400000414
且
Figure FDA00037987091400000415
计算出所有终端完成计算任务的加权总能耗为
Figure FDA0003798709140000051
e)根据地面终端和太空终端的发射功率限制，令
Figure FDA0003798709140000052
且
Figure FDA0003798709140000053
f)根据地面终端和太空终端完成计算任务的时延要求，令
Figure FDA0003798709140000054
且
Figure FDA0003798709140000055
g)利用内点法或直接调用CVX工具包进行求解，求出使所有终端完成计算任务的加权总能耗E最小的解，即得到地面终端发射功率pk和太空终端发射功率ql。
4.根据权利要求3所述的一种星地联合的边缘计算方法，其特征在于步骤4)中，所述的一种联合接收波束和资源分配方法为：
a)根据步骤3)的结果，获取并更新地面终端的发射功率pk和卸载对象选择标志αk,m,βk,n，太空终端的发射功率ql和卸载对象选择标志γl,n；
b)引入辅助变量
Figure FDA0003798709140000056
和
Figure FDA0003798709140000057
令
Figure FDA0003798709140000058
且
Figure FDA0003798709140000059
计算出所有终端完成计算任务的加权总能耗为
Figure FDA00037987091400000510
c)引入辅助变量
Figure FDA0003798709140000061
和
Figure FDA0003798709140000062
令
Figure FDA0003798709140000063
Figure FDA0003798709140000064
Figure FDA0003798709140000065
d)定义中间变量
Figure FDA0003798709140000066
和
Figure FDA0003798709140000067
令
Figure FDA0003798709140000068
Figure FDA0003798709140000069
其中
Figure FDA00037987091400000610
分别为Xk,m、
Figure FDA00037987091400000611
Yk,n、
Figure FDA00037987091400000612
在上一轮迭代中的值，tr(·)表示矩阵的迹；
e)根据地面终端完成计算任务的时延要求，令
Figure FDA00037987091400000613
f)根据边缘计算服务器的计算资源限制，令
Figure FDA00037987091400000614
Figure FDA00037987091400000615
和
Figure FDA00037987091400000616
g)利用内点法或直接调用CVX工具包进行求解，求出使所有终端完成计算任务加权总能耗E最小的解，即得到地面基站的边缘计算服务器分配给地面终端的计算资源
Figure FDA00037987091400000617
得到低轨卫星的边缘计算服务器分配给地面终端的计算资源
Figure FDA00037987091400000618
得到低轨卫星的边缘计算服务器分配给太空终端的计算资源
Figure FDA00037987091400000619
对Wk,m和Vk,n分别进行特征值分解即得到地面基站和低轨卫星的接收波束wk,m和vk,n。
5.根据权利要求1所述的一种星地联合的边缘计算方法，其特征在于，所述步骤2)中环境信息包括地面信道状态信息、星地信道状态信息和星间链路信息。
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