一种基于传算资源联合分配的多波束卫星业务计算方法及系统技术方案

一种基于传算资源联合分配的多波束卫星业务计算方法及系统，卫星收集一个调度周期内的终端的计算任务，基于可用资源列表和业务申请列表对资源进行终端业务卸载的决策和传算资源联合分配，传算资源联合分配包括卫星上行链路的分配和下行链路的分配，可以合理地分配卫星网络计算资源和带宽资源，缩短终端计算业务完成时间并能节省卫星终端能耗。务完成时间并能节省卫星终端能耗。务完成时间并能节省卫星终端能耗。

【技术实现步骤摘要】
一种基于传算资源联合分配的多波束卫星业务计算方法及系统


[0001]本专利技术涉及一种基于传算资源联合分配的多波束卫星业务计算方法及系统，属于卫星通信


技术介绍

[0002]在当前的卫星系统中，卫星将终端获取的数据或自身产生的数据转发到地面云平台进行处理。随着技术的发展和需求的不断提升，传感器产生的数据量越来越大，数据处理计算越来越复杂，为了实现更精确的信息提取，计算依赖越来越严重。另外，通过卫星提供服务的业务差异性大、类型和需求多样、时间和空间分布严重不均，导致通信资源的使用极不平衡，部分波束高负载运行，部分波束通信资源闲置，这对卫星网络的传输和计算资源的高效利用提出了很高的要求。在传统的多波束卫星通信系统中，分配给每个波束的功率和频率资源是固定不变的，且仅是全部卫星资源的一部分，而且现有资源分配算法以数据通信为主，在数据传输过程中不考虑数据内容，不对数据进行业务处理，没有充分利用天基计算平台计算资源，导致传输数据量大、传输时延长，终端能耗高，业务处理时延长。在新一代的卫星通信系统中，卫星具备在轨处理能力，卫星终端业务完成的时间和能耗代价与终端资源分配有极大的关系。目前卫星通信资源分配和计算资源分配是独立的，未将数据处理时延和能耗与通信时延和能耗综合考虑。因此，如何联合考虑有限的天基传输资源、计算资源、功率资源，实现终端业务的传输处理成为需要迫切解决的问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术解决的技术问题是：针对目前现有技术中存在的不足，提出了一种基于传算资源联合分配的多波束卫星业务计算方法及系统，能实现载荷资源的实时分配，适应网络流量变化和节点计算负载变化，提高卫星资源利用率。
[0004]本专利技术解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
[0005]一种基于传算资源联合分配的多波束卫星业务计算方法，包括：
[0006]卫星接收一个调度周期T内所有终端发送的计算任务需求信息，生成业务申请列表，卫星根据可用带宽资源、处理器计算资源，生成卫星可用资源列表；
[0007]根据可用资源列表、业务申请列表进行传算资源联合分配，确定最终卸载终端列表及最终无线资源分配方案；
[0008]将最终卸载终端列表及最终无线资源分配方案传输至各终端；
[0009]根据最终无线资源分配方案进行资源调度；
[0010]根据卫星已调度任务占用的资源生成并实时更新卫星可用资源列表，各终端根据卫星的资源调度结果进行数据传输或于各终端内进行数据计算；
[0011]完成所述数据计算任务后，更新卫星可用资源列表；
[0012]将数据计算结果由卫星传输至各终端，完成当前调度周期的业务计算，进入下个
调度周期。
[0013]所述传算资源联合分配具体为：
[0014]根据可用资源列表获取上行无线资源、下行无线资源、处理器计算资源并进行联合分配，上行无线资源包括卫星连接的各终端的带宽、发射功率，下行无线资源包括卫星连接的各终端的带宽及卫星接收到的各波束的可用时间，并执行卸载策略。
[0015]所述卸载策略具体如下：
[0016]计算各终端单独卸载时的卫星系统代价；
[0017]对各终端单独卸载时的卫星系统代价进行由小到大排序；
[0018]建立卸载终端列表U
s
并添加空值初始值，对应初始卫星系统代价为所有终端均不卸载时的系统代价，按照排序后卫星系统代价逐一加入卸载终端列表U
s
，每新加入一个终端及对应的卫星系统代价，则重新对卸载终端列表U
s
的所有终端进行无线资源分配。
[0019]重新对卸载终端列表U
s
的所有终端进行无线资源分配的具体步骤包括：
[0020]重新进行星上计算资源、卫星接收到的各波束的可用时间、各终端的带宽、各终端的发射功率进行联合分配；
[0021]根据重新进行的联合分配，重新计算卫星系统代价，当各终端的卫星系统代价不再降低时，由卸载终端列表U
s
中删除最后加入的终端，删除后获取最终卸载终端列表，以最终卸载终端列表对应的无线资源分配方案为最终无线资源分配方案。
[0022]所述计算任务需求信息包括：
[0023]数据位置L
u
，用于描述数据位置，包括星上数据及终端本地数据；
[0024]待计算数据量执行该计算的程序i
u
，程序数据量计算后结果数据量计算任务所需的浮点运算次数c
u
，本地计算耗能e
u
，终端最大数据传输发射功率P
u
，各终端计算资源为F
u
浮点运算次数/s，P
s
卫星每波束的下行发射功率，其中：
[0025]本地计算耗能e
u
由在相同计算环境的实际测试的平均能耗获得，业务申请列表为卫星可用资源列表包括{可用带宽资源，可用计算资源}。
[0026]计算任务的待传输数据量d
u
包括任务待计算数据量和任务程序数据任务程序数据，当任务程序数据已在卫星上存储时，待传输数据量d
u
仅包括待处理数据量
[0027]各终端单独卸载时的卫星系统代价S计算方法为：
[0028]根据终端业务完成时间、终端业务完成能耗确定，具体公式为：
[0029][0030]式中，T
u
为终端业务完成时间，E
u
为终端业务完成能耗，α为优化值，若
[0031]仅优化时间则取α＝1，若仅优化能耗则取α＝0。
[0032]终端业务完成时间根据当前终端的业务完成时延确定，其中：
[0033]当计算任务所需数据储存于终端本地时，若计算任务于星上计算，则确定业务完成时延为上行传输时延、星上计算时延、计算结果下行传输时延之和，其中：
[0034]上行传输时延为星上计算时延为其中为卫星分配给终端u的计算资源，下行传输时延为端u的计算资源，下行传输时延为为u所在波束分配的工作时隙数占总时隙数的比例，为上行传输速率，为终端u下传速率；其中，N0背景噪声功率谱密度，为终端u到卫星上行信道增益，为卫星到终端u的下行信道增益，包括路损和天线增益；
[0035]如果计算任务于终端本地计算，则业务完成时延为c
u
/F
u
。
[0036]当计算任务所需数据储存于星上时，若计算任务于星上计算，则业务完成时延为星上计算时延、计算结果下行传输时延之和，其中：
[0037]星上计算时延为下行传输时延为
[0038]如果计算任务于终端本地计算，则业务完成时延为下行传输时延与本地计算时延之和，下行传输时延为本地计算时延为c
u
/F
u
。
[0039]终端业务完成时间的计算方法为：
[0040][0041]终端业务完成能耗的计算方法为：
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于传算资源联合分配的多波束卫星业务计算方法，其特征在于包括：卫星接收一个调度周期T内所有终端发送的计算任务需求信息，生成业务申请列表，卫星根据可用带宽资源、处理器计算资源，生成卫星可用资源列表；根据可用资源列表、业务申请列表进行传算资源联合分配，确定最终卸载终端列表及最终无线资源分配方案；将最终卸载终端列表及最终无线资源分配方案传输至各终端；根据最终无线资源分配方案进行资源调度；根据卫星已调度任务占用的资源生成并实时更新卫星可用资源列表，各终端根据卫星的资源调度结果进行数据传输或于各终端内进行数据计算；完成所述数据计算任务后，更新卫星可用资源列表；将数据计算结果由卫星传输至各终端，完成当前调度周期的业务计算，进入下个调度周期。2.根据权利要求1所述的一种基于传算资源联合分配的多波束卫星业务计算方法，其特征在于：所述传算资源联合分配具体为：根据可用资源列表获取上行无线资源、下行无线资源、处理器计算资源并进行联合分配，上行无线资源包括卫星连接的各终端的带宽、发射功率，下行无线资源包括卫星连接的各终端的带宽及卫星接收到的各波束的可用时间，并执行卸载策略。3.根据权利要求2所述的一种基于传算资源联合分配的多波束卫星业务计算方法，其特征在于：所述卸载策略具体如下：计算各终端单独卸载时的卫星系统代价；对各终端单独卸载时的卫星系统代价进行由小到大排序；建立卸载终端列表U
s
并添加空值初始值，对应初始卫星系统代价为所有终端均不卸载时的系统代价，按照排序后卫星系统代价逐一加入卸载终端列表U
s
，每新加入一个终端及对应的卫星系统代价，则重新对卸载终端列表U
s
的所有终端进行无线资源分配。4.根据权利要求3所述的一种基于传算资源联合分配的多波束卫星业务计算方法，其特征在于：重新对卸载终端列表U
s
的所有终端进行无线资源分配的具体步骤包括：重新进行星上计算资源、卫星接收到的各波束的可用时间、各终端的带宽、各终端的发射功率进行联合分配；根据重新进行的联合分配，重新计算卫星系统代价，当各终端的卫星系统代价不再降低时，由卸载终端列表U
s
中删除最后加入的终端，删除后获取最终卸载终端列表，以最终卸载终端列表对应的无线资源分配方案为最终无线资源分配方案。5.根据权利要求1所述的一种基于传算资源联合分配的多波束卫星业务计算方法，其特征在于：所述计算任务需求信息包括：数据位置L
u
，用于描述数据位置，包括星上数据及终端本地数据；
待计算数据量执行该计算的程序i
u
，程序数据量计算后结果数据量计算任务所需的浮点运算次数c
u
，本地计算耗能e
u
，终端最大数据传输发射功率P
u
，各终端计算资源为F
u
浮点运算次数/s，P
s
卫星每波束的下行发射功率，其中：本地计算耗能e
u
由在相同计算环境的实际测试的平均能耗获得，业务申请列表为卫星可用资源列表包括{可用带宽资源，可用计算资源}。6.根据权利要求5所述的一种基于传算资源联合分配的多波束卫星业务计算方法，其特征在于：计算任务的待传输数据量d
u
包括任务待计算数据量和任务程序数据任务程序数据，当任务程序数据已在卫星上存储时，待传输数据量d
u
仅包括待处理数据量7.根据权利要求5所述的一种基于传算资源联合分配的多波束卫星业务计算方法，其特征在于：各终端单独卸载时的卫星系统代价S计算方法为：根据终端业务完成时间、终端业务完成能耗确定，具体公式为：式中，T
u
为终端业务完成时间，E
u
为终端业务完成能耗，α为优化值，若仅优化时间则取α＝1，若仅优化能耗则取α＝0。8.根据权利要求7所述的一种基于传算资源联合分配的多波束卫星业务计算方法，其特征在于：终端业务完成时间根据当前终端的业务完成时延确定，其中：当计算任务所需数据储存于终端本地时，若计算任务于星上计算，则确定业务完成时延为上行传输时延、星上计算时延、计算结果下行传输时延之和，其中：上行传输时延为星上计算时延为其中为卫星分配给终端u的计算资源，下行传输时延为的计算资源，下行传输时延为为u所在波束分配的工作时隙数占总时隙数的比例，为上行传输速率，为终端u下传速率；其中，N0背景噪声功率谱密度，为终端u到卫星上行信道增益，为卫星到终端u的下行信道增益，包括路损和天线增益；如果计算任务于终端本地计算，则业务完成时延为c
u
/F
u
。...

【专利技术属性】
技术研发人员：方海，杨旭，贾洋洋，王显煜，赵扬，高媛，陈显舟，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：