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星空地协同物联网通信方法及装置制造方法及图纸

技术编号:20014550 阅读:26 留言:0更新日期:2019-01-05 22:39
本发明专利技术实施例提供一种星空地协同物联网通信方法及装置,所述方法包括:在动态中继运行的一个周期内,基于获取到的每一物联网终端的空间位置信息、动态中继的空间位置信息和动态中继的运行参数,构建优化问题模型;计算优化问题模型的最优解,并根据最优解实现每一物联网终端与动态中继之间的通信。本发明专利技术实施例提供的星空地协同物联网通信方法及装置,通过构建优化问题模型,然后计算优化问题模型的最优解,获取每一物联网终端的发射功率,动态中继的运行高度,以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息,实现每一物联网终端与动态中继之间的通信,提高了物联网终端的吞吐量,降低了网络的通信时延和开销,缩减了网络操作成本。

Space-Earth Cooperative Internet of Things Communication Method and Device

The embodiment of the present invention provides a space-ground cooperative Internet of Things communication method and device. The method includes: during a period of dynamic relay operation, an optimization problem model is constructed based on the acquired spatial position information of each Internet of Things terminal, the spatial position information of dynamic relay and the operation parameters of dynamic relay; the optimal solution of the optimization problem model is calculated and the optimal solution is obtained according to the optimal solution. Optimal solution realizes the communication between each Internet of Things terminal and dynamic relay. The space-ground cooperative Internet of Things communication method and device provided by the embodiment of the present invention can realize the communication between each Internet of Things terminal and dynamic relay by constructing the optimization problem model and calculating the optimal solution of the optimization problem model, obtaining the transmission power of each Internet of Things terminal, the operation height of dynamic relay and the scheduling information of each Internet of Things terminal in each slot. It improves the throughput of the Internet of Things terminal, reduces the communication delay and cost of the network, and reduces the operation cost of the network.

【技术实现步骤摘要】
星空地协同物联网通信方法及装置
本专利技术实施例涉及物联网通信
,尤其涉及一种星空地协同物联网通信方法及装置。
技术介绍
星空地协同物联网通信系统是指由卫星、动态中继和物联网终端构成的物联网通信系统,其中,动态中继处于空中,其空间位置和运行轨迹将对星空地协同物联网通信系统的通信效率产生重大影响。现有技术中,星空地协同物联网通信系统中仍面临很多重要挑战,尤其是以无人机作为动态中继的星空地协同物联网通信系统,一方面,部分物联网终端(比如雨伞、书、手表等)由于其自身大小的限制,其能量也有限,因此,如何保证物联网终端向动态中继传输数据时消耗的能量最小是重要挑战。另一方面,由于无人机的高可移动性,如何设计无人机在空间的飞行高度,以使无人机与物联网终端之间的通信链路最佳,从而保证物联网终端向无人机传输的速率最大,降低网络的通信时延和开销,缩减网络操作的成本是也是重要挑战。在偏远地区,由于缺乏网络盲区,很难实现对无人机乱飞现象的监控和管理;现有的雷达系统虽然能很好地监测无人机的位置等信息,但是成本高,难适用于民用,因此,如何对无人机的动态信息进行管控也极其重要。最关键的是,现有技术中由于无人机的运行高度固定,不能最大化满足物联网终端对通信服务的需求,物联网终端的吞吐量较低,网络的通信时延和开销都较大。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的是提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的星空地协同物联网通信方法及装置。为了解决上述技术问题,一方面,本专利技术实施例提供一种星空地协同物联网通信方法,包括:在动态中继运行的一个周期内,基于获取到的每一物联网终端的空间位置信息、所述动态中继的空间位置信息和所述动态中继的运行参数,构建优化问题模型,所述周期包含若干个时隙;计算所述优化问题模型的最优解,所述最优解包括每一物联网终端的发射功率,所述动态中继的运行高度,以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息,并根据所述最优解实现每一物联网终端与所述动态中继之间的通信。另一方面,本专利技术实施例提供一种星空地协同物联网通信装置,包括:构建模块,用于在动态中继运行的一个周期内,基于获取到的每一物联网终端的空间位置信息、所述动态中继的空间位置信息和所述动态中继的运行参数,构建优化问题模型,所述周期包含若干个时隙;计算模块,用于计算所述优化问题模型的最优解,所述最优解包括每一物联网终端的发射功率,所述动态中继的运行高度,以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息,并根据所述最优解实现每一物联网终端与所述动态中继之间的通信。再一方面,本专利技术实施例提供一种电子设备,包括:存储器和处理器,所述处理器和所述存储器通过总线完成相互间的通信;所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令,所述处理器调用所述程序指令能够执行上述的方法。又一方面,本专利技术实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法。本专利技术实施例提供的星空地协同物联网通信方法及装置,通过构建优化问题模型,然后计算优化问题模型的最优解,获取每一物联网终端的发射功率,动态中继的运行高度,以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息,实现每一物联网终端与动态中继之间的通信,提高了物联网终端的吞吐量,降低了网络的通信时延和开销,缩减了网络操作成本。附图说明图1为本专利技术实施例提供的星空地协同物联网通信方法示意图;图2为本专利技术实施例提供的星空地协同物联网通信系统的结构示意图;图3为本专利技术实施例提供的利用块坐标下降法计算优化问题模型的最优解的逻辑流程示意图;图4为本专利技术实施例提供的星空地协同物联网通信装置示意图;图5为本专利技术实施例提供的电子设备的结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本专利技术实施例中的附图,对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本专利技术一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本专利技术保护的范围。图1为本专利技术实施例提供的星空地协同物联网通信方法示意图,如图1所示,本专利技术实施例提供一种星空地协同物联网通信方法,其执行主体为星空地协同物联网通信装置,该方法包括:步骤S101、在动态中继运行的一个周期内,基于获取到的每一物联网终端的空间位置信息、所述动态中继的空间位置信息和所述动态中继的运行参数,构建优化问题模型,所述周期包含若干个时隙;步骤S102、计算所述优化问题模型的最优解,所述最优解包括每一物联网终端的发射功率,所述动态中继的运行高度,以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息,并根据所述最优解实现每一物联网终端与所述动态中继之间的通信。具体来说,图2为本专利技术实施例提供的星空地协同物联网通信系统的结构示意图,如图2所示,星空地协同物联网通信系统由一个单天线的卫星,一个单天线的动态中继,K个单天线的物联网终端,一个数据处理中心组成。其中,为了提高通信速率,优选的,采用无人机作为动态中继,为所有物联网终端提供服务,以满足物联网终端的通信需求。该无人机将采集来的数据通过卫星转发给数据处理中心进行处理,数据处理中心则将处理后的信息进一步反馈给卫星并指导卫星对无人机的动态信息进行实时管控。在星空地协同物联网通信系统中,K个单天线的物联网终端与同一个无人机进行通信,可视为该无人机管辖这个K个物联网终端,而这K个物联网终端所分布的一个圆形区域可视为一个小区。在物联网终端与无人机进行通信的过程中,并且为了避免物联网终端之间的干扰,使用时分多址(TDMA)模式进行通信。无人机飞行在该小区的正上方,优选的,其飞行轨迹遵循圆形的飞行轨迹,飞行半径为rU,速度为v,运行周期为T,在空间飞行的初始相位角为将无人机的飞行周期T等分为N个单位长度的子时隙,并且在每个子时隙内,无人机与物联网终端之间的大尺度衰落保持恒定,从而实现TDMA模式的通信方式。首先,在动态中继运行的一个周期内,需要获取每一物联网终端的空间位置信息、动态中继的空间位置信息和动态中继的运行参数。在该星空地协同物联网通信系统中,物联网终端i的空间位置信息用其空间位置坐标来表示,表示为(ricosθi,risinθi,0),其中,ri为物联网终端i与小区中心的水平距离,θi为相应的水平角度。由于物联网终端和动态中继之间使用TDMA模式进行通信,动态中继的轨迹遵循圆形的运行轨迹,运行半径为rU,速度为v,运行周期为T,在空间运行的初始相位角为将动态中继的运行周期T等分为N个单位长度的子时隙,并且在每个子时隙内,动态中继与物联网终端之间的大尺度衰落保持恒定,则在第n个子时隙内,动态中继的空间位置信息用其空间位置坐标可表示为:由于动态中继的运行高度h对星空地协同物联网通信系统的通信效率和质量影响较大,为了便于计算,动态中继的运行半径为rU,速度为v,运行周期为T,在空间运行的初始相位角为均为预设值,直接获取这些运行参数。而动态中继的运行高度h,需要进行优化计算,获得最佳值。然后,基于每一物联网终端的空间位置信息、动态中继的空间位置信息和动态中继的运行参数,构建优化问题模型,构建该优化问题模型的目的是在保证所有物联网终端与动态中继通信的和速率最大的前本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种星空地协同物联网通信方法,其特征在于,包括:在动态中继运行的一个周期内,基于获取到的每一物联网终端的空间位置信息、所述动态中继的空间位置信息和所述动态中继的运行参数,构建优化问题模型,所述周期包含若干个时隙;计算所述优化问题模型的最优解,所述最优解包括每一物联网终端的发射功率,所述动态中继的运行高度,以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息,并根据所述最优解实现每一物联网终端与所述动态中继之间的通信。

【技术特征摘要】
1.一种星空地协同物联网通信方法,其特征在于,包括:在动态中继运行的一个周期内,基于获取到的每一物联网终端的空间位置信息、所述动态中继的空间位置信息和所述动态中继的运行参数,构建优化问题模型,所述周期包含若干个时隙;计算所述优化问题模型的最优解,所述最优解包括每一物联网终端的发射功率,所述动态中继的运行高度,以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息,并根据所述最优解实现每一物联网终端与所述动态中继之间的通信。2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述动态中继的运行参数包括:运行的圆形轨迹的半径、运行速率和运行周期。3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述优化问题模型的目标为:最大化所有物联网终端与所述动态中继通信的和速率;所述优化问题模型的约束条件为:a、每一物联网终端在每一时隙内的调度信息只能为第一调度值或者第二调度值;所述第一调度值用于指示某一物联网终端在某一时隙内被调度,与所述动态中继进行通信;所述第二调度值用于指示某一物联网终端在某一时隙内未被调度,不与所述动态中继进行通信;b、在每一时隙内最多只能有一个物联网终端被调度;c、每一物联网终端的发射功率均大于零,且小于等于预设功率阈值;d、所述动态中继的运行高度大于零。4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述计算所述优化问题模型的最优解,具体包括:对所述优化问题模型的约束条件进行简化松弛;利用块坐标下降法计算所述优化问题模型的最优解。5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述利用块坐标下降法计算所述优化问题模型的最优解,具体包括:对参数变量进行交互迭代,获取当前迭代周期的最优的参数变量,所述参数变量为每一物联网终端的发射功率,所述动态中继的运行高度,以及每一时隙内对每一物联网终端的调度信息;根据当前迭代周期的最优的参数变量,计算所述优化问题模型的目标函数的增量...

【专利技术属性】
技术研发人员:冯伟王宣宣葛宁
申请(专利权)人:清华大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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