【技术实现步骤摘要】
一种空天地一体化网络系统中的HAP部署和资源分配方法
[0001]本专利技术涉及空天地一体化网络通信
，具体涉及一种空天地一体化网络系统中的HAP部署和资源分配方法。
技术介绍
[0002]近年来，随着日常生活中的可联网设备的数量呈爆炸性上涨，物联网在学术界和工业界成为了一种很重要的关键技术。然而在很多的应用场景中，物联网设备所处的区域是深山、海洋、森林等无法被地面网络覆盖的区域，借助卫星协助其通信成为了一种必要手段。相比于MEO和GEO卫星，LEO卫星系统有着更小的时延和更低的功耗，因此得到了广泛的应用。
[0003]由于多数IoT设备的功率是受限的，其信号无法保证能够传输到LEO卫星(近地球卫星，低轨道卫星)。而对于空天地一体化网络系统，HAP(高空平台)可以对信号进行放大转发，从而达到保障其有效的数据传输的目的。在此基础之上，HAP的部署位置和功率、频带的分配方案会影响到IoT系统的功耗以及容量。在基于IoRT的空天地一体化网络系统中，联合考虑HAP部署方案和资源分配策略是一个亟待解决的技术难题。
[0004]现有的空天地一体化网络系统中，考虑的是借助无人机作为中继去协助功率受限的物联网设备进行通信，但是无人机本身功率也十分受限，当设备数量较多时无法对其进行服务。并且，现有的研究多数是针对于系统的能效进行优化，但实际上物联网设备的速率要求普遍不高，如何降低系统的功耗才是实际应用中最需要关心的问题，为此，提出一种空天地一体化网络系统中的HAP部署和资源分配方法。
技术实现思路
>[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于：如何解决联合HAP部署方案和资源分配策略的技术难题，使空天地一体化网络系统的功耗得到降低并且提高系统的吞吐量，提供了一种空天地一体化网络系统中的HAP部署和资源分配方法，借助空天地一体化网络，使用HAP和LEO卫星作为中继平台，通过优化HAP的部署位置以及资源分配方案，降低了系统的功耗并且提高了系统的吞吐量。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本专利技术包括以下步骤：
[0007]S1：建立系统功耗优化目标函数
[0008]确定HAP的初始位置，对于整个系统，优化目标是最小化系统的总功耗，同时也要满足相应的约束条件，并以此建立优化目标函数；
[0009]S2：拆分优化问题并对优化目标函数进行求解
[0010]根据HAP的位置以及物联网设备所处位置，计算每一个设备到HAP的信道增益值，将优化目标函数对应的优化问题拆分为两个子问题进行求解，其中，第一个子问题为在HAP位置确定的情况下求解最优的子信道分配方案、设备的功率分配方案和HAP的功率分配方案，第二个子问题为在子信道分配方案确定的情况下，求解最优的HAP部署位置；
[0011]S3：联合资源分配方案和HAP部署位置
[0012]利用迭代的思想，循环往复求解步骤S2中的两个子问题，直至达到收敛条件。
[0013]更进一步地，在所述步骤S1中，根据HAP和LEO卫星的连接关系，定义T为HAP和LEO卫星的连接时间，将T划分为N个短时间间隔，即将(0，T)的连接时间划分为(0，τ)，(τ，2τ)，...，((N
‑
1)τ，Nτ)，并且在时间间隔τ内LEO卫星的位置看作是固定不变的。
[0014]更进一步地，空天地一体化网络系统中包含M个物联网设备，系统的总带宽为B，并且一共分成K个子信道，HAP用于将物联网设备的信号放大转发，并传送给LEO卫星，对于每一个设备，假设其随机分布在一定的范围之内，其功率是受限的并且具有相同的最小速率需求，HAP所处位置需要满足能够覆盖到所有的设备，且HAP也是功率受限的。
[0015]更进一步地，在所述步骤S1中，优化目标是在满足设备速率需求的前提下，最小化系统的总功耗，优化目标函数如下：
[0016][0017][0018][0019][0020][0021][0022][0023]其中，表示第n个时间间隔内第m个设备的发送功率，表示第n个时间间隔内HAP转发第m个设备的信号的发送功率，表示设备的最大发送功率，表示HAP的最大发送功率；c
m,n
表示n个时间间隔内第m个设备的速率；a
m,n,k
只能取0、1两个值，若取1则表示在第n个时间间隔内，第k个子信道被分配给了第m个设备，反之则取0；R
H
表示HAP可以覆盖区域的半径。
[0024]更进一步地，在所述步骤S2中，在HAP位置确定的情况下求解最优的子信道分配方案、设备的功率分配方案和HAP的功率分配方案，优化问题表示为：
[0025][0026]更进一步地，在所述步骤S2中，求解最优的子信道分配方案、设备的功率分配方案和HAP的功率分配方案的具体过程如下：
[0027]S201：设置物联网设备的发送功率为其最大值；
[0028]S202：计算满足设备需求的情况下分配的最少子信道数量；
[0029]S203：对于剩余的子信道，每一次分配时寻找在分配之后能够使得系统总功耗降低最多的那一个物联网设备，直至子信道被分配完全。
[0030]更进一步地，在所述步骤S2中，在固定资源分配方案的情况下，使得HAP的部署位置达到最优，则优化问题表示为：
[0031][0032][0033][0034][0035]其中，F
*
表示固定的资源分配方案，表示所有的物联网设备都以其最大的发射功率进行发送，限制条件C3表示HAP的部署位置如果发生了改变，仍需要对设备保持提供相同的速率；
[0036]在上式中，其变量只有HAP的部署位置L
H
，即HAP的横纵坐标，根据限制条件C3，通过运算得出L
H
＝(x,y,h)和的对应关系：
[0037][0038]其中，a和b中带星号的变量表示HAP初始位置对应的信道增益和功率值，d2＝(x
‑
x
m
)2+(y
‑
y
m
)2+h2，d
*
表示HAP初始位置时与各个物联网设备的距离。
[0039]更进一步地，在求解最优的HAP部署位置时，先对L
H
＝(x,y,h)和的对应关系
式在点进行二阶的泰勒展开，再分别对x和y求偏导，最后联立方程组对关系式进行求解。
[0040]更进一步地，所述步骤S3的具体过程如下：
[0041]S31：选定HAP的初始位置，求得最优的资源分配方案，最小化系统的总功耗；
[0042]S32：在步骤S32的资源方案基础上，求解最优的HAP部署位置，使得设备速率保持不变并且最小化系统的总功耗；
[0043]S33：重复步骤S31、S32，记第i次迭代得到的系统最小总功耗为则终止迭代的限制条件为其中Δ是根据精度需要设置的一个迭代终止阈值。
[0044]本专利技术相比现有技术具有以下优本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种空天地一体化网络系统中的HAP部署和资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：建立系统功耗优化目标函数确定HAP的初始位置，对于整个系统，优化目标是最小化系统的总功耗，同时也要满足约束条件，并以此建立优化目标函数；S2：拆分优化问题并对优化目标函数进行求解根据HAP的位置以及物联网设备所处位置，计算每一个设备到HAP的信道增益值，将优化目标函数对应的优化问题拆分为两个子问题进行求解，其中，第一个子问题为在HAP位置确定的情况下求解最优的子信道分配方案、设备的功率分配方案和HAP的功率分配方案，第二个子问题为在子信道分配方案确定的情况下，求解最优的HAP部署位置；S3：联合资源分配方案和HAP部署位置利用迭代的思想，循环往复求解步骤S2中的两个子问题，直至达到收敛条件。2.根据权利要求1所述的一种空天地一体化网络系统中的HAP部署和资源分配方法，其特征在于：在所述步骤S1中，根据HAP和LEO卫星的连接关系，定义T为HAP和LEO卫星的连接时间，将T划分为N个短时间间隔，即将(0，T)的连接时间划分为(0，τ)，(τ，2τ)，...，((N
‑
1)τ，Nτ)，并且在时间间隔τ内LEO卫星的位置看作是固定不变的。3.根据权利要求2所述的一种空天地一体化网络系统中的HAP部署和资源分配方法，其特征在于：空天地一体化网络系统中包含M个物联网设备，系统的总带宽为B，并且一共分成K个子信道，HAP用于将物联网设备的信号放大转发，并传送给LEO卫星，对于每一个设备，假设其随机分布在一定的范围之内，其功率是受限的并且具有相同的最小速率需求，HAP所处位置需要满足能够覆盖到所有的设备，且HAP也是功率受限的。4.根据权利要求3所述的一种空天地一体化网络系统中的HAP部署和资源分配方法，其特征在于：在所述步骤S1中，优化目标是在满足设备速率需求的前提下，最小化系统的总功耗，优化目标函数如下：s.t.C1:C2:C3:C4:C5:C6:其中，表示第n个时间间隔内第m个设备的发送功率，表示第n个时间间隔内HAP转发第m个设备的信号的发送功率，表示设备的最大发送功率，表示HAP的最
大发送功率；c
m,n
表示n个时间间隔内第m个设备的速率；a
m,n,k
只能取0、1两个值，若取1则表示在第n个时间间隔内，第k个子信道被分配给了第m个设备，反之则取0；R
H
表示HAP可以覆盖区域的半径。5.根据权利要求4所述的一种空天地一体化网络系统中的HAP部署和资源分...
【专利技术属性】
技术研发人员：姚艳军，任伟龙，周家喜，邹永庆，王烁，章仁飞，张正宇，王昕，贺超，黄永华，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十八研究所，
类型：发明
国别省市：
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