【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线通信。具体涉及一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法。
技术介绍
1、应急通信网络，一般是指在发生重大自然灾害或者突发紧急情况时，综合利用各种通信资源，为保障应急处置和必要通信而构建的特殊通信网络。随着技术的不断发展，应急通信网络已由地面固定或移动应急通信网络、星地双层应急通信网络发展到空天地一体化的应急通信网络。相比传统应急通信网络，空天地一体化应急通信网络具有全面的信息服务保障能力、可扩展的灵活组网能力、高效可靠的救灾能力和更高效的资源利用能力等优势。
2、空天地一体化应急通信网络架构具有节点种类多样、网络异构互联、空时行为复杂、拓扑动态变化、业务类型繁多、需求差异巨大等特性，使得数据传输效率低下、业务质量难以保障等问题尤为突出。解决这一难题的关键技术之一是任务调度技术。目前，基于任务资源匹配的卫星任务调度、基于位置部署和路径规划的无人机任务调度、基于mec的计算卸载调度、基于多目标决策和机器学习的动态任务调度已得到广泛研究。但空天地应急通信网络中多任务融合、快速响应和协同调度的趋势日益凸显，传统任务调度方案面临节点异构导致的任务资源不匹配、灾情数据实时性高导致的任务优先级多变、边缘服务器计算能力有限导致的系统吞吐量降低等问题。因此，如何在空天地一体化应急通信网络架构下进行多层次、多资源、多任务协同调度，设计多层协同的任务调度方案，最大化网络效用和资源利用率成为亟待解决的关键问题。
3、为了解决这些问题，本专利技术提出了一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法。
技术实现思路
1、本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法。本专利技术的技术方案如下：
2、一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法，其包括以下步骤：
3、s1：构建空天地应急通信网络中的任务模型，刻画任务需求，定义一种时变任务优先级来量化任务动态收益；
4、s2：通过协同考虑无人机轨迹设计、用户关联、高空平台带宽分配、上行连接选择和计算卸载决策来建模空天地应急通信中的任务调度过程；
5、s3：计算各节点之间通信链路的传输速率和系统吞吐量；
6、s4：构建高空平台队列模型，计算队列长度和存储容量；
7、s5：将空天地应急通信网络中的任务调度问题构建为一个通过协同设计无人机用户关联、轨迹设计、高空平台带宽分配、优化高空平台和卫星间的上行链路选择和计算卸载来最大化任务优先级和系统吞吐量乘积加权和的协同任务调度模型；
8、s6：应用块坐标下降方法，将协同任务调度模型分解为一个最大化优先级加权速率和的数据收集调度模型和一个最大化系统吞吐量的计算卸载调度模型；
9、s7：对于数据收集调度模型，采用线性松弛结合cvx求解的方法设计无人机用户关联方案；采用逐次凸逼近非凸问题转换方法结合cvx求解的方法设计无人机轨迹和高空平台回传带宽分配方案；提出模型收敛加速算法；
10、s8：对于计算卸载调度模型，提出基于有限二次邻域搜索的粒子群算法优化卫星和高空平台间的上行连接，提出基于优先级排序的部分卸载策略优化卸载决策；
11、s9：利用块坐标下降算法交替求解数据收集调度模型和计算卸载调度模型，并重构非可行解，生成最优空天地协同调度方案。
12、本专利技术的优点及有益效果如下：
13、本专利技术方案通过分析空天地应急通信中节点异构导致的任务资源不匹配、灾情数据实时性高导致的任务优先级多变的问题，提出了一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法。本专利技术的主要创新在于：1)针对任务优先级多变问题，根据灾情数据时效性和用户优先级，定义了一种时变任务优先级来量化任务动态收益；2)针对任务资源不匹配问题，提出一种利用块坐标下降方法协同优化无人机轨迹设计、用户关联和高空平台带宽分配、上行链路选择和计算卸载调度的空天地协同调度方法；3)针对边缘服务器计算能力有限问题，提出了一种基于有限二次邻域搜索的粒子群算法和一种基于优先级排序的部分卸载策略来优化计算卸载决策。在已有研究中，大多都是将任务优先级设置为固定值，而没有考虑到灾情数据实时性高导致的任务优先级多变问题。因此本专利技术提出的时变任务优先级定义及计算方法是现有技术人员不易想到的。进一步的，现有相关领域研究中，例如卫星任务调度和无人机调度，大多都是针对单一场景、优化单一变量的任务调度方案，难以有效解决任务调度过程中的任务资源不匹配问题。因此，本专利技术提出的空天地协同调度方法是具备完善性和独创性的。最后，本专利技术充分分析了高空平台和leo卫星之间上行连接的时变性以及边缘服务器计算能力有限、到达数据量过大导致的系统吞吐量降低的问题，开发了一种基于有限二次邻域搜索的粒子群算法优化高空平台上行传输连接，提出了一种基于优先级排序的部分卸载策略优化计算卸载决策，以最大化系统吞吐量。在已有研究中，大多都利用匹配算法进行上行连接设计规划，其性能不如经过多次邻域选优的粒子群算法，而在计算卸载调度中采用全部卸载模式，会导致资源利用率的降低。因此本专利技术在解决手段上具备创造性和可行性。
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1.一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法，其特征在于，所述步骤S1中定义一种时变任务优先级来量化任务动态收益，如下所示：
3.根据权利要求1所述的一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：
5.根据权利要求1所述的一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：将所有高空平台的队列集合表示为对于任意高空平台k，在时隙n+1开始时，计算队列的长度可表示为：
6.根据权利要求1所述的一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法，其特征在于，所述步骤S5中数据收集阶段任务优先级和传输速率的乘积加权和可表示为：
7.根据权利要求1所述的一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法，其
8.根据权利要求6所述的一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法，其特征在于，所述步骤S7中数据收集调度模型采用线性松弛的方法将用户关联子模型中的二进制变量ai,j,k[n]松弛为连续变量从而将非凸约束(C7)转换为CVX求解器可以解决的凸约束；对于轨迹优化和带宽分配子模型中的凸约束，采用逐次凸逼近方法对其进行松弛，即，在每次迭代中，在给定的局部点处用更容易处理的函数来逼近原始函数；根据实际情况应用不同定理对原函数进行松弛；定理1用于获取凸函数的凸下界或凹函数的凸上界，定理2和定理3用于获取非凸函数的凸上界；
9.根据权利要求1所述的一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法，其特征在于，所述步骤S8中提出基于有限二次邻域搜索的粒子群算法为每个高空平台选择出上行速率最大的链路，适应度函数为：
10.根据权利要求6所述的一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法，其特征在于，所述步骤S9具体包括：
...【技术特征摘要】
1.一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法，其特征在于，所述步骤s1中定义一种时变任务优先级来量化任务动态收益，如下所示：
3.根据权利要求1所述的一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法，其特征在于，所述步骤s2具体包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法，其特征在于，所述步骤s3具体包括以下步骤：
5.根据权利要求1所述的一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法，其特征在于，所述步骤s4具体包括：将所有高空平台的队列集合表示为对于任意高空平台k，在时隙n+1开始时，计算队列的长度可表示为：
6.根据权利要求1所述的一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法，其特征在于，所述步骤s5中数据收集阶段任务优先级和传输速率的乘积加权和可表示为：
7.根据权利要求1所述的一种保障任务优先级和系统吞吐量的空天地协同调度方法，其特征在于，所述步骤s6通过应用块坐标下降方法，将原协同任务调度优化模型ctsm分解为两个子模型：数据收集调度模型和计算卸载调度模...
【专利技术属性】
技术研发人员：戴翠琴，杜涛，王亮，廖明霞，唐宏，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：
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