本發(fā)明涉及衛(wèi)星通信，具體涉及一種衛(wèi)星邊緣網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合任務(wù)卸載和功率分配方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、地面網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算可以為網(wǎng)絡(luò)邊緣的用戶提供低延遲服務(wù)，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)催生的新應(yīng)用和新服務(wù)提供可行的解決方案，并為服務(wù)提供更好的數(shù)據(jù)隱私保護(hù)。然而，陸地的比例不到全球面積的20%，由于經(jīng)濟(jì)因素，地面網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍只會(huì)更小，僅覆蓋人口密集的地區(qū)。對(duì)于占全球面積80%以上的偏遠(yuǎn)地區(qū)（如海洋、沙漠和山區(qū)），很難實(shí)現(xiàn)地面邊緣計(jì)算服務(wù)的覆蓋。此外，地面計(jì)算設(shè)備容易受到地震和火災(zāi)等自然災(zāi)害以及停電等人類活動(dòng)的影響。因此，受地面網(wǎng)絡(luò)的啟發(fā)，使用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)已成為一種可行的解決方案。星載邊緣計(jì)算（oec）將多址egde計(jì)算（mec）引入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，使得計(jì)算任務(wù)可以由衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)處理。低地球軌道（leo）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在導(dǎo)航、偏遠(yuǎn)地區(qū)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域顯示出廣泛的應(yīng)用。受多址邊緣計(jì)算（mec）技術(shù)的啟發(fā)，星載邊緣計(jì)算（oec）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)在衛(wèi)星上部署移動(dòng)邊緣計(jì)算，通過利用衛(wèi)星離用戶更近的優(yōu)勢來實(shí)現(xiàn)更低的服務(wù)延遲。然而，由于低地球軌道衛(wèi)星的大小和功率的限制，用單顆衛(wèi)星處理計(jì)算密集型任務(wù)可能會(huì)使其過載，從而縮短其壽命并導(dǎo)致高服務(wù)延遲。配備mec的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)被稱為衛(wèi)星邊緣網(wǎng)絡(luò)（secn）。secn不僅可以為偏遠(yuǎn)地區(qū)的用戶提供低延遲網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，還可以在地面網(wǎng)絡(luò)無法滿足用戶服務(wù)請(qǐng)求的情況下，作為人口稠密地區(qū)的補(bǔ)充。secn可以實(shí)現(xiàn)低成本的無縫全球網(wǎng)絡(luò)，并已成為未來6g（第六代）的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2、secn通過將計(jì)算從地面轉(zhuǎn)移到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，克服了地球上最大區(qū)域的地面計(jì)算資源分布不均以及網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算服務(wù)缺乏的問題。由于secn可以實(shí)現(xiàn)無縫的全球覆蓋，用戶無論在世界的哪個(gè)角落都可以享受secn提供的各種服務(wù)，包括邊緣計(jì)算資源、無線存儲(chǔ)資源等。對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)的用戶來說，用戶不需要從遠(yuǎn)程云中心申請(qǐng)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，secn可以大大減少用戶的排隊(duì)和傳輸延遲，從而改善用戶的服務(wù)體驗(yàn)。對(duì)于云中心和傳輸骨干網(wǎng)來說，secn可以分擔(dān)處理相當(dāng)多的用戶任務(wù)，而數(shù)據(jù)不具備通過骨干網(wǎng)傳輸，減輕了云中心和骨干網(wǎng)的工作壓力。最后，secn在衛(wèi)星mec中處理數(shù)據(jù)，而不必進(jìn)行集中處理，這大大降低了數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)并提高了用戶數(shù)據(jù)的安全性。

3、盡管secn可以改善用戶體驗(yàn)并減輕網(wǎng)絡(luò)壓力，但現(xiàn)有技術(shù)中采用為每個(gè)衛(wèi)星獨(dú)立處理一項(xiàng)任務(wù)的方式，但有些任務(wù)太大，單個(gè)衛(wèi)星處理的大型任務(wù)很可能導(dǎo)致衛(wèi)星負(fù)載過大，從而降低衛(wèi)星的使用壽命并造成資源浪費(fèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本技術(shù)提供了一種衛(wèi)星邊緣網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合任務(wù)卸載和功率分配方法，包括：

2、步驟s1：建立衛(wèi)星任務(wù)卸載模型，并在衛(wèi)星星座中確定主衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和從衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)；

3、步驟s2：主衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，并判斷是否存在到從衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的鏈路；

4、其中，若存在到從衛(wèi)星的鏈路，則將從衛(wèi)星添加至從衛(wèi)星列表；若不存在通信鏈路，則繼續(xù)查找下一個(gè)從衛(wèi)星，并判斷是否存在通信鏈路；

5、步驟s3：根據(jù)每個(gè)從衛(wèi)星與主衛(wèi)星的距離以及計(jì)算能力，使用懲罰對(duì)偶分解算法分配計(jì)算任務(wù)以及計(jì)算資源；

6、步驟s4：主衛(wèi)星根據(jù)懲罰對(duì)偶分解算法計(jì)算出的任務(wù)分配策略向從衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)直至結(jié)束。

7、在其中一些具體實(shí)施例中，步驟s1包括：

8、步驟s11：根據(jù)所述任務(wù)卸載模型確定在某個(gè)時(shí)隙中從衛(wèi)星到主衛(wèi)星的傳輸功率、本地計(jì)算時(shí)間和卸載延遲；

9、步驟s12：根據(jù)所述任務(wù)卸載模型建立能量消耗模型，以確定在某個(gè)時(shí)隙中主衛(wèi)星和從衛(wèi)星的能量消耗。

10、在其中一些具體實(shí)施例中，根據(jù)主衛(wèi)星和從衛(wèi)星在所有參與的低軌衛(wèi)星中完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)的能耗上限和參與任務(wù)處理的任何單個(gè)衛(wèi)星的能耗上限確定主衛(wèi)星和從衛(wèi)星的能量約束和功率約束。

11、在其中一些具體實(shí)施例中，所述卸載延遲包括傳輸延遲和計(jì)算延遲，通過確定每個(gè)時(shí)隙的任務(wù)卸載比例和發(fā)射功率的最優(yōu)解求出所有時(shí)隙的卸載延遲的和的最小值。

12、在其中一些具體實(shí)施例中，步驟s3包括：

13、步驟s31：通過塊坐標(biāo)下降型方法優(yōu)化任務(wù)分配策略中的變量；

14、步驟s32：對(duì)所述變量求解，并將得到的解投影到變量的可行域集合；

15、其中，如果解落在可行域的范圍內(nèi)，則將解賦值給目標(biāo)變量，否則，選取可行域集合中距離解最近的值并賦值給目標(biāo)變量；

16、步驟s33：根據(jù)所述目標(biāo)變量確定任務(wù)分配策略的優(yōu)化問題；

17、步驟s34：通過約束違反指示函數(shù)確定所述優(yōu)化問題的定態(tài)解。

18、為實(shí)現(xiàn)同一發(fā)明目的，本技術(shù)還提供了一種衛(wèi)星邊緣網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合任務(wù)卸載和功率分配系統(tǒng)，包括：

19、模型建立模塊：用于建立衛(wèi)星任務(wù)卸載模型，并在衛(wèi)星星座中確定主衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和從衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)；

20、鏈路判斷模塊：用于主衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，并判斷是否存在到從衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的鏈路；

21、其中，若存在到從衛(wèi)星的鏈路，則將從衛(wèi)星添加至從衛(wèi)星列表；若不存在通信鏈路，則繼續(xù)查找下一個(gè)從衛(wèi)星，并判斷是否存在通信鏈路；

22、資源分配模塊：用于根據(jù)每個(gè)從衛(wèi)星與主衛(wèi)星的距離以及計(jì)算能力，使用懲罰對(duì)偶分解算法分配計(jì)算任務(wù)以及計(jì)算資源；

23、策略傳輸模塊：用于主衛(wèi)星根據(jù)懲罰對(duì)偶分解算法計(jì)算出的任務(wù)分配策略向從衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)直至結(jié)束。

24、在其中一些具體實(shí)施例中，所述模型建立模塊用于執(zhí)行以下步驟：

25、步驟s11：根據(jù)所述任務(wù)卸載模型確定在某個(gè)時(shí)隙中從衛(wèi)星到主衛(wèi)星的傳輸功率、本地計(jì)算時(shí)間和卸載延遲；

26、步驟s12：根據(jù)所述任務(wù)卸載模型建立能量消耗模型，以確定在某個(gè)時(shí)隙中主衛(wèi)星和從衛(wèi)星的能量消耗。

27、在其中一些具體實(shí)施例中，根據(jù)主衛(wèi)星和從衛(wèi)星在所有參與的低軌衛(wèi)星中完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)的能耗上限和參與任務(wù)處理的任何單個(gè)衛(wèi)星的能耗上限確定主衛(wèi)星和從衛(wèi)星的能量約束和功率約束。

28、在其中一些具體實(shí)施例中，所述卸載延遲包括傳輸延遲和計(jì)算延遲，通過確定每個(gè)時(shí)隙的任務(wù)卸載比例和發(fā)射功率的最優(yōu)解求出所有時(shí)隙的卸載延遲的和的最小值。

29、在其中一些具體實(shí)施例中，所述策略傳輸模塊用于執(zhí)行以下步驟：

30、步驟s31：通過塊坐標(biāo)下降型方法優(yōu)化任務(wù)分配策略中的變量；

31、步驟s32：對(duì)所述變量求解，并將得到的解投影到變量的可行域集合；

32、其中，如果解落在可行域的范圍內(nèi)，則將解賦值給目標(biāo)變量，否則，選取可行域集合中距離解最近的值并賦值給目標(biāo)變量；

33、步驟s33：根據(jù)所述目標(biāo)變量確定任務(wù)分配策略的優(yōu)化問題；

34、步驟s34：通過約束違反指示函數(shù)確定所述優(yōu)化問題的定態(tài)解。

35、上述技術(shù)方案的有益效果：

36、本技術(shù)基于懲罰對(duì)偶分解算法（pdd）的資源調(diào)度方案，以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在功率和能量受限的情況下最小化系統(tǒng)的最大延遲。