[發(fā)明專利]分布式衛(wèi)星云霧網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及能耗約束下的時延優(yōu)化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710424109.1
• 申請日: 2017-06-07
• 公開（公告）號: CN107343025B
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 任智源;何秀麗;張海林;程文馳;陳晨
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號: H04L29/08
• 分類號: H04L29/08;H04W28/02;H04W28/08;H04W84/06;H04W84/08
• 代理公司: 北京世譽鑫誠專利代理有限公司 11368
• 代理人: 仲伯煊

1.能耗約束下的時延優(yōu)化方法，用于均衡分布式衛(wèi)星云霧網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)系統(tǒng)的衛(wèi)星霧層的負(fù)載，包括以下步驟：

(1)構(gòu)建分布式衛(wèi)星云霧網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)系統(tǒng)的無向圖G＝(V,E)，其中：

V＝{S₁,S₂,...,S_i,...,S_k,C}為頂點集，頂點S_i代表衛(wèi)星霧層中的衛(wèi)星，頂點C表示云計算層；

為邊集，邊表示衛(wèi)星S_i和衛(wèi)星S_j之間的通信鏈路；

(2)構(gòu)建能耗約束下的時延優(yōu)化模型

衛(wèi)星用戶每次將請求直接提交到接入的衛(wèi)星霧層的任一衛(wèi)星上，云計算層根據(jù)衛(wèi)星霧設(shè)備的計算能力和鏈路的通信時延將請求對應(yīng)的任務(wù)D劃分為若干子任務(wù)d_i，滿足d_i＝δ_iD，δ_i為比例系數(shù)；并且將計算得出的任務(wù)分配比例關(guān)系，發(fā)送給衛(wèi)星霧層，衛(wèi)星霧層處理任務(wù)D的總時間t(δ_i)可以表示為：

其中：

表示衛(wèi)星S_i處理子任務(wù)d_i的計算時延；

表示衛(wèi)星用戶的請求任務(wù)在傳輸過程中的通信時延，其表達(dá)式如下：

其中：

表示衛(wèi)星S_j向衛(wèi)星S_i傳輸數(shù)據(jù)的傳輸時延；

為{S_i,S_j}通信鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率；

表示{S_i,S_j}通信鏈路的傳播時延；

為信道長度；

為電磁波在信道中的傳播速度；

以子任務(wù)為單位，在分布式計算過程中，每個子任務(wù)i在分配執(zhí)行過程中產(chǎn)生的能耗E_i可以表示為：

E_i＝E_trans,i+E_proc,i (3)

其中，

E_trans,i表示子任務(wù)i在由源計算節(jié)點傳輸?shù)侥繕?biāo)計算節(jié)點過程中產(chǎn)生的傳輸能耗；

E_proc,i表示目標(biāo)計算節(jié)點執(zhí)行子任務(wù)i產(chǎn)生的處理能耗；

假設(shè)子任務(wù)i由衛(wèi)星S_j分配給衛(wèi)星S_i執(zhí)行，則產(chǎn)生的傳輸能耗和處理能耗分別為：

式中，

為傳輸單位比特數(shù)據(jù)產(chǎn)生的能耗；

為衛(wèi)星S_i處理單位比特數(shù)據(jù)產(chǎn)生的能耗；

則整個任務(wù)D在執(zhí)行過程中產(chǎn)生的總能耗E_sys為：

分布式計算總?cè)蝿?wù)的處理時間等于所有子任務(wù)中最大的計算時延，因此為了在衛(wèi)星霧整體耗能受限的條件下最大限度地降低處理時延，必須求一組最優(yōu)的δ_i，使得目標(biāo)函數(shù)t(δ_i)最小，綜上所述，衛(wèi)星霧的能耗約束下的時延模型如下：

對式(7)中衛(wèi)星霧中每個計算節(jié)點上應(yīng)處理的計算任務(wù)d_i的求解，即對任務(wù)向量d的求解，可歸結(jié)為如下優(yōu)化問題：

上述優(yōu)化問題的搜索空間I為：

(3)確定能耗約束條件下的時延優(yōu)化策略：

采用一種改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法求解式(8)中的優(yōu)化問題，該算法運行在云計算層的服務(wù)器上，包括以下步驟：

(31)初始化

設(shè)置粒子群規(guī)模n，粒子的最大速度v_imax，控制參數(shù)λ(0)，在搜索空間I內(nèi)隨機(jī)初始化粒子群位置和速度分別為初始化每個粒子的最優(yōu)經(jīng)歷位置及群體最優(yōu)經(jīng)歷位置分別為

(32)根據(jù)粒子的慣性權(quán)重ω，慣性權(quán)重ω的計算公式如下：

其中：

ω_min表示慣性權(quán)重ω的下邊界值，ω_min＝0.4；

ω_max表示慣性權(quán)重ω的上邊界值，ω_max＝0.9；

R_max表示最大迭代次數(shù)；

r表示當(dāng)前迭代次數(shù)；

(33)計算粒子群中的每個粒子的適應(yīng)度值f(X)，其計算公式如下：

其中：

F表示搜索空間I中的可行域；

α為懲罰因子；

t_m(X)為非可行粒子對第m約束的約束違背測度；

φ(X,r)表示在算法執(zhí)行到r代對于非可行粒子的附加啟發(fā)式值，t_m(X)和φ(X,r)的表達(dá)式分別為：

其中：

X(m)為粒子第m維的位置，控制參數(shù)λ(r)跟蹤記錄了算法進(jìn)化到第r代所獲得的擁有最大適應(yīng)度值的可行粒子，該值在迭代過程中確保所有可行粒子優(yōu)于所有非可行粒子，其表達(dá)式為：

(34)遍歷粒子群，將每個粒子的適應(yīng)度值與它的最優(yōu)適應(yīng)度值進(jìn)行比較，如果粒子的適應(yīng)度值優(yōu)于它的最優(yōu)適應(yīng)度值，則將當(dāng)前粒子位置作為該粒子的最優(yōu)位置p_i；

(35)將每個粒子的最優(yōu)適應(yīng)度值與粒子群最優(yōu)適應(yīng)度值進(jìn)行比較，如果粒子的最優(yōu)適應(yīng)度值優(yōu)于群體最優(yōu)適應(yīng)度值，則將當(dāng)前粒子位置作為粒子群的最優(yōu)位置g；

(36)更新粒子的速度和位置，并根據(jù)搜索空間I和M，判斷粒子的速度和位置是否超出邊界值，若超出邊界值，則用粒子的邊界值代替粒子的速度和位置，其中：

更新粒子的速度和位置的公式為：

其中：

ω稱為慣性權(quán)重；

rand()為均勻分布于區(qū)間[0,1]的隨機(jī)數(shù)；

c₁和c₂為2個加速因子，分別是粒子飛向局部和全局最好位置的速度權(quán)重；

p_i^r表示第r代粒子i在搜索空間中經(jīng)歷的最優(yōu)位置；

g^r表示在第r代整個群體經(jīng)歷的最優(yōu)位置；

(37)生成一個[0,n]內(nèi)的隨機(jī)數(shù)q作為變異粒子個數(shù)，然后分別更新變異粒子的速度和位置，其公式為：

其中：

表示更新之后的變異粒子的速度；

表示更新之前的變異粒子的速度；

表示更新之后的變異粒子的位置；

表示更新之前的變異粒子的位置；

(38)若迭代次數(shù)達(dá)到最大值R_max，則停止迭代，獲得粒子的最優(yōu)位置即最佳任務(wù)分配方式否則轉(zhuǎn)到步驟(32)，其中：分布式衛(wèi)星云霧網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)系統(tǒng)，包括：

衛(wèi)星霧層，用于提供通信服務(wù)、測繪服務(wù)和作戰(zhàn)指揮，接收衛(wèi)星用戶的請求，利用采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地分布式計算處理任務(wù)，并將處理結(jié)果直接反饋給衛(wèi)星用戶；

接入層，包括多個地面接收站，地面接收站與所述衛(wèi)星霧層通過電磁波通信互聯(lián)；

云計算層，與地面接收站通信互聯(lián)，用于處理一部分來自衛(wèi)星用戶的業(yè)務(wù)請求，并且負(fù)責(zé)衛(wèi)星霧層的網(wǎng)絡(luò)管理，控制衛(wèi)星編隊，輔助衛(wèi)星編隊飛行，均衡衛(wèi)星霧層的負(fù)載。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能耗約束下的時延優(yōu)化方法，其特征在于，衛(wèi)星霧層包括：

多個偵查衛(wèi)星，與相鄰的衛(wèi)星通過無線通信互聯(lián)，用于搜集地面目標(biāo)、海洋目標(biāo)和空中目標(biāo)的信息，對目標(biāo)實施偵查、監(jiān)視和跟蹤，獲取情報，同時進(jìn)行分布式計算處理用戶請求；

多個通信衛(wèi)星，與相鄰的衛(wèi)星通過無線通信互聯(lián)，用于轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號，實現(xiàn)兩個衛(wèi)星通信地球站之間或衛(wèi)星通信地球站與航天器之間的無線電通信，同時進(jìn)行分布式計算處理用戶請求；

多個遙感衛(wèi)星，與相鄰的衛(wèi)星通過無線通信互聯(lián)，用于收集并記錄地球或大氣目標(biāo)輻射或反射的電磁波信息，由信啟設(shè)備、傳輸設(shè)備發(fā)送回地面進(jìn)行處理和加工，判讀地球環(huán)境、資源和景物信息，同時進(jìn)行分布式計算處理用戶請求。