一种6g移动通信卫星地面网分布式资源分配方法
阅读说明：本技术 一种6g移动通信卫星地面网分布式资源分配方法 (Distributed resource allocation method for 6G mobile communication satellite ground network ) 是由 许海涛 林福宏 周贤伟 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种6G移动通信卫星地面网分布式资源分配方法,属于移动通信技术领域。所述方法包括：构建一个由多颗卫星和多个移动用户组成的6G移动通信卫星地面网；将6G移动通信卫星地面网中所有卫星分为从移动用户获得服务需求的猎物卫星和从猎物卫星中获取服务负载的捕食者卫星；基于Lotka-Volterra模型,分别构建猎物卫星和捕食者卫星服务负载动态变化函数来描述不同卫星间的负载平衡问题；对构建的猎物卫星和捕食者卫星服务负载动态变化函数进行求解,达到猎物卫星和捕食者卫星之间的负载均衡。采用本发明,能够实现猎物卫星和捕食者卫星之间的负载均衡以及通信网络资源的有效分配。(The invention provides a distributed resource allocation method for a 6G mobile communication satellite ground network, belonging to the technical field of mobile communication. The method comprises the following steps: constructing a 6G mobile communication satellite ground network consisting of a plurality of satellites and a plurality of mobile users; dividing all satellites in a 6G mobile communication satellite ground network into prey satellites for acquiring service requirements from mobile users and predator satellites for acquiring service loads from the prey satellites; based on a Lotka-Volterra model, constructing a prey satellite and predator satellite service load dynamic change function respectively to describe the load balance problem among different satellites; and solving the constructed dynamic change function of the service load of the prey satellite and the predator satellite to achieve load balance between the prey satellite and the predator satellite. By adopting the method and the system, the load balance between the prey satellite and the predator satellite and the effective allocation of communication network resources can be realized.)
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，特别是指一种6G移动通信卫星地面网分布式资源分配方法。
背景技术
随着互联网技术的发展、物流运输、物资勘探、数字城市的蓬勃发展，更高的数据通信要求和更准确的位置信息已成为信息时代的主要特征。仅仅依靠地面移动网络无法承受数据量的巨大冲击。考虑到近年来地面终端设施和卫星组网的快速变化，随着技术的快速发展，卫星网络在往返时延和覆盖性能方面具有较大优势，可以提供大范围的覆盖范围和远程通信。因此，大容量地面移动通信网联合建设卫星地面深度集成网是解决这一问题的有效途径，也是未来6G通信发展的重要方向。通过日益完善的地面网络和天基网络的广域覆盖，可以有效实现6G泛在连接和全息链路的思想。
然而，蜂窝移动网与卫星通信网的融合正面临着严峻的挑战。对于地面蜂窝网络，随着5G网络的覆盖和移动终端移动性的提高，小规模蜂窝网络的资源分配存在严重的不平衡。在卫星通信网络场景下，复杂的深空环境和复杂的卫星网络拓扑结构会导致一定的端到端通信时延。此外，考虑到现有卫星网络覆盖密度的区域性问题以及实际区域通信需求和服务分配问题，卫星网络流量分布不均。这些因素会导致卫星网络局部区域的网络拥塞，而部分区域的网络资源处于闲置状态。
针对上述问题，传统的通信网络路由算法已不再适用，需要考虑通过负载均衡算法减少拥塞链路的数量，实现有效的网络负载均衡。在通信网络中，负载均衡技术是在网络发生拥塞时，将过载的节点服务转移到负载不足的节点上，从而实现服务的均衡分配。传统的负载均衡路由算法是被动触发的，即只有在拥塞发生时才进行负载均衡，以节省处理资源。然而，面对当前巨大的数据通信需求和快速高效的业务处理需求，它无法提供有效的服务支持。
发明内容
本发明实施例提供了6G移动通信卫星地面网分布式资源分配方法，能够实现猎物卫星和捕食者卫星之间的负载均衡。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种6G移动通信卫星地面网分布式资源分配方法，包括：
构建一个由多颗卫星和多个移动用户组成的6G移动通信卫星地面网；
将6G移动通信卫星地面网中所有卫星分为从移动用户获得服务需求的猎物卫星和从猎物卫星中获取服务负载的捕食者卫星；
基于Lotka-Volterra模型，分别构建猎物卫星和捕食者卫星服务负载动态变化函数来描述不同卫星间的负载平衡问题；
对构建的猎物卫星和捕食者卫星服务负载动态变化函数进行求解，达到猎物卫星和捕食者卫星之间的负载均衡。
进一步地，基于Lotka-Volterra模型，构建猎物卫星服务负载动态变化函数包括：
基于Lotka-Volterra模型，确定猎物卫星在未发生卸载时服务负载的动态变化函数；
基于确定的猎物卫星在未发生卸载时服务负载的动态变化函数，确定当捕食者卫星的计算能力低于猎物卫星服务负载的卸载率时，在卸载发生情况下猎物卫星服务卸载的动态变化函数；
根据卫星群的内部影响，对卸载发生情况下的猎物卫星服务负载的动态变化函数进行重新表述；
将外部随机因素的干扰加在重新表述后的猎物卫星服务负载的动态变化函数上，得到外部随机因素干扰下的猎物卫星服务负载的动态变化函数。
进一步地，猎物卫星在未发生卸载时服务负载的动态变化函数表示为：
其中，x1(t)表示t时刻在猎物卫星s1上的服务负载，a1(t)表示猎物卫星s1服务负载的变化率，u1(t)表示猎物卫星s1吸引移动用户接入卫星网络的行为，ε1是用于表示转换百分比的相关加权参数。
进一步地，当捕食者卫星的计算能力低于猎物卫星服务负载的卸载率时，在卸载发生情况下猎物卫星服务卸载的动态变化函数表示为：
其中，b1表示从猎物卫星s1到捕食者卫星s2的服务负载的卸载比例，x2(t)表示t时刻在捕食者卫星s2上的服务负载。
进一步地，重新表述后的猎物卫星服务负载的动态变化函数表示为：
其中，c1表示卫星群内部的影响因素。
进一步地，外部随机因素干扰下的猎物卫星服务负载的动态变化函数表示为：
dx1(t)＝x1(t)[a1(t)-b1x2(t)-c1x1(t)+ε1u1(t)]dt+σ1(t)x1(t)dB1(t)
其中，σ1(t)表示外部随机因素干扰的加权参数，B1(t)表示外部随机因素干扰的分布函数。
进一步地，基于Lotka-Volterra模型，构建捕食者卫星服务负载动态变化函数包括：
基于Lotka-Volterra模型，确定捕食者卫星在未发生卸载时服务负载的动态变化函数；
基于确定的捕食者卫星在未发生卸载时服务负载的动态变化函数，确定当捕食者卫星的计算能力低于猎物卫星服务负载的卸载率时，在卸载发生情况下捕食者卫星服务卸载的动态变化函数；
根据卫星群的内部影响，对卸载发生情况下的捕食者卫星服务负载的动态变化函数进行重新表述；
将外部随机因素的干扰加在重新表述后的捕食者卫星服务负载的动态变化函数上，得到外部随机因素干扰下的捕食者卫星服务负载的动态变化函数。
进一步地，捕食者卫星在未发生卸载时服务负载的动态变化函数表示为：
其中，x2(t)表示t时刻在捕食者卫星s2上的服务负载，a2(t)表示捕食者卫星s2服务负载的变化率，u2(t)表示捕食者卫星s2吸引移动用户接入卫星网络的行为，ε2是用于表示转换百分比的相关加权参数；
当捕食者卫星的计算能力低于猎物卫星服务负载的卸载率时，在卸载发生情况下捕食者卫星服务卸载的动态变化函数表示为：
其中，x1(t)表示t时刻在猎物卫星s1上的服务负载，b2表示从猎物卫星s1到捕食者卫星s2卸载过程引起的服务负载的增长率。
进一步地，重新表述后的捕食者卫星服务负载的动态变化函数表示为：
其中，c2表示卫星群内部的影响因素。
进一步地，外部随机因素干扰下的捕食者卫星服务负载的动态变化函数表示为：
dx2(t)＝x2(t)[-a2(t)+b2x1(t)-c2x2(t)+ε2u2(t)]dt+σ2(t)x2(t)dB2(t)
其中，σ2(t)表示外部随机因素干扰的加权参数；B2(t)表示外部随机因素干扰的分布函数。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明实施例中，针对6G移动通信卫星地面网构建了一种新的负载均衡模型，即使用基于食饵-捕食者的Lotka-Volterra模型，构建猎物卫星和捕食者卫星服务负载动态变化函数来描述不同卫星间的负载平衡问题，对构建的猎物卫星和捕食者卫星服务负载动态变化函数进行求解，以达到猎物卫星和捕食者卫星之间的负载均衡，实现通信网络资源(具体指为用户提供服务所需要的各类资源，如计算、通信等资源)的有效分配，以解决现有负载均衡算法无法提供有效的通信网络资源分配的问题，且该负载均衡模型具有更高的数据处理效率和数据传输速率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的6G移动通信卫星地面网分布式资源分配方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供了一种6G移动通信卫星地面网分布式资源分配方法，包括：
S101，构建一个由多颗卫星和多个移动用户组成的6G移动通信卫星地面网；
S102，将所有卫星分为从移动用户获得服务需求的猎物卫星和从猎物卫星中获取服务负载的捕食者卫星；
S103，基于Lotka-Volterra(依逻辑斯蒂)模型(具体指：基于食饵-捕食者的Lotka-Volterra模型)，分别构建猎物卫星和捕食者卫星服务负载动态变化函数来描述不同卫星间的负载平衡问题；
S104，对构建的猎物卫星和捕食者卫星服务负载动态变化函数进行求解，达到猎物卫星和捕食者卫星之间的负载均衡。
本发明实施例所述的6G移动通信卫星地面网分布式资源分配方法，针对6G移动通信卫星地面网构建了一种新的负载均衡模型，即使用基于食饵-捕食者的Lotka-Volterra模型，构建猎物卫星和捕食者卫星服务负载动态变化函数来描述不同卫星间的负载平衡问题，对构建的猎物卫星和捕食者卫星服务负载动态变化函数进行求解，以达到猎物卫星和捕食者卫星之间的负载均衡，实现通信网络资源(具体指为用户提供服务所需要的各类资源，如计算、通信等资源)的有效分配，以解决现有负载均衡算法无法提供有效的通信网络资源分配的问题，且该负载均衡模型具有更高的数据处理效率和数据传输速率。
本实施例中，所述服务负载是指需要提供服务的负载量的多少。
本实施例中，移动用户可以从卫星上请求并获得6G移动通信服务，卫星可以为移动用户提供6G移动通信服务。随着卫星地面网的发展，越来越多的卫星被利用，为移动用户提供接入服务。由于不同卫星的通信和计算能力不同，因此它们将从移动用户中获得不同的服务负载。
本实施例中，将所有卫星分为两组，一组卫星被视为猎物卫星，可以从移动用户那里获得服务需求；另一组卫星被视为捕食者卫星，可以从猎物卫星中获取服务负载；其中，
捕食者卫星是一组具有较强通信和计算能力的卫星，这类卫星通常都是地球同步卫星，其比特率很高，传输延迟也很高。假设这类卫星由于传输延迟大，不能直接向移动用户提供接入服务。
猎物卫星是通信和计算能力有限的卫星，这类卫星都是近地轨道卫星，能够以较低的传输延迟为移动用户提供接入服务。
本实施例中，在通信和计算能力有限的情况下，由于卫星的容量有限，不能满足移动用户日益增长的服务需求，需要将移动用户的部分服务需求转移到通信和计算能力较强的卫星上，即猎物卫星应将服务负载卸载到捕食者卫星。
在前述6G移动通信卫星地面网分布式资源分配方法的具体实施方式中，进一步地，基于Lotka-Volterra模型，构建猎物卫星服务负载动态变化函数包括：
A1，基于Lotka-Volterra模型，确定猎物卫星在未发生卸载时服务负载的动态变化函数；
本实施例中，假设容量有限的卫星节点是以s1表示的猎物卫星，容量较大的卫星节点被认为是以s2表示的捕食者卫星，假设只有猎物卫星s1才能直接服务于移动用户。捕食者卫星s2只能获得从猎物卫星s1卸载的服务负载。在t时刻，假设在猎物卫星s1的服务负载为x1(t)，如果猎物卫星s1上的服务负载没有卸载到捕食者卫星s2上，那么基于Lotka-Volterra模型，猎物卫星s1在未发生卸载时服务负载的动态变化函数可以表示为：
其中，a1(t)表示猎物卫星s1服务负载的变化率，u1(t)表示猎物卫星s1吸引移动用户接入卫星网络的行为，ε1是用于表示转换百分比的相关加权参数。
A2，基于确定的猎物卫星在未发生卸载时服务负载的动态变化函数，确定当捕食者卫星的计算能力低于猎物卫星服务负载的卸载率时，在卸载发生情况下猎物卫星服务卸载的动态变化函数；
本实施例中，假设捕食者卫星s2的计算能力低于猎物卫星s1服务负载的卸载率，那么捕食者卫星s2上的服务负载随着从猎物卫星s1上卸载服务负载的过程而增加，随着服务负载向捕食者卫星s2的卸载过程，猎物卫星s1的服务负载降低。基于Lotka-Volterra模型，猎物卫星s1服务负载的动态变化可用以下函数来表示：
其中，b1表示从猎物卫星s1到捕食者卫星s2的服务负载的卸载比例，x2(t)表示t时刻在捕食者卫星s2上的服务负载。
A3，根据卫星群的内部影响，对卸载发生情况下的猎物卫星服务负载的动态变化函数进行重新表述；
本实施例中，随着越来越多的卫星被用来组成超密集卫星网络，每个卫星群中的卫星节点密度是需要被考虑的影响因素。猎物卫星s1服务负载的动态变化应考虑卫星群的内部影响，基于Lotka-Volterra模型，猎物卫星s1服务负载的动态变化可重新表述如下：
其中，c1表示卫星群内部的影响因素，包括：卫星群内不同卫星之间的资源竞争。
A4，将外部随机因素的干扰加在重新表述后的猎物卫星服务负载的动态变化函数上，得到外部随机因素干扰下的猎物卫星服务负载的动态变化函数。
本实施例中，在卫星网络中，由于通信环境的影响，各卫星群的负载不可避免地受到外部随机因素的干扰，如宇宙辐射、太阳黑子、降雨衰减等。需要将这些外部随机因素的干扰加在猎物卫星s1服务负载的动态变化上，得到：
dx1(t)＝x1(t)[a1(t)-b1x2(t)-c1x1(t)+ε1u1(t)]dt+σ1(t)x1(t)dB1(t) (4)
其中，σ1(t)表示外部随机因素干扰的加权参数；B1(t)表示外部随机因素干扰的分布函数，一般满足泊松分布。
在前述6G移动通信卫星地面网分布式资源分配方法的具体实施方式中，进一步地，基于Lotka-Volterra模型，构建捕食者卫星服务负载动态变化函数包括：
B1，基于Lotka-Volterra模型，确定捕食者卫星在未发生卸载时服务负载的动态变化函数；
本实施例中，在t时刻，假设在捕食者卫星s2的服务负载为x2(t)，如果猎物卫星s1上的服务负载没有卸载到捕食者卫星s2上，那么基于Lotka-Volterra模型，捕食者卫星s2在未发生卸载时服务负载的动态变化函数可以表示为：
其中，a2(t)表示捕食者卫星s2服务负载的变化率，u2(t)表示捕食者卫星s2吸引移动用户接入卫星网络的行为，ε2是用于表示转换百分比的相关加权参数。
B2，基于确定的捕食者卫星在未发生卸载时服务负载的动态变化函数，基于Lotka-Volterra模型，确定当捕食者卫星的计算能力低于猎物卫星服务负载的卸载率时，在卸载发生情况下捕食者卫星服务卸载的动态变化函数表示为：
其中，b2表示从猎物卫星s1到捕食者卫星s2卸载过程引起的服务负载的增长率。
B3，根据卫星群的内部影响，对卸载发生情况下的捕食者卫星服务负载的动态变化函数进行重新表述；
本实施例中，捕食者卫星s2服务负载的动态变化应考虑卫星群的内部影响，基于Lotka-Volterra模型，捕食者卫星s2服务负载的动态变化可重新表述如下：
其中，c2表示卫星群内部的影响因素。
B4，将外部随机因素的干扰加在重新表述后的捕食者卫星服务负载的动态变化函数上，得到外部随机因素干扰下的捕食者卫星服务负载的动态变化函数，表示为：
dx2(t)＝x2(t)[-a2(t)+b2x1(t)-c2x2(t)+ε2u2(t)]dt+σ2(t)x2(t)dB2(t) (8)
其中，σ2(t)表示外部随机因素干扰的加权参数；B2(t)表示外部随机因素干扰的分布函数，一般满足泊松分布。
本实施例中，分别构建猎物卫星服务负载动态变化函数(式(4))和捕食者卫星服务负载动态变化函数(式(8))来描述不同卫星间的负载平衡问题。
本实施例中，根据随机微分方程理论，证明式(4)和式(8)解的存在唯一性，具体的，证明定理：对于任何初值 表示实数，式(8)的解都是存在唯一的。
证明：根据随机微分方程理论，当式(4)和式(8)的系数满足局部Lipschitz(利普希茨)条件和线性增长条件时，满足初值条件的式(4)和式(8)的解是全局存在唯一的。显然，式(4)和式(8)的系数满足局部Lipschitz条件，但不满足线性增长条件。因此，式(4)和式(8)的解在有限时间内趋于无穷大。
由于式(4)和式(8)的系数满足局部Lipschitz条件，因此给定初始条件的式(4)和式(8)在时间间隔[0，τe)内具有唯一的局部解，其中τe表示爆炸时间。
本实施例中，只需要证明τe＝+∞时式(4)和式(8)的解是全局的。注意式(4)和式(8)的形式，可以在区间解[0，τe)中找到解析解，即x1(t)、x2(t)的最终解，表示为：
其中，s表示时间，是积分的变量；τ是计算当前时刻的具体的积分值。
本实施例中，根据求得的x1(t)、x2(t)的最终解，达到猎物卫星和捕食者卫星之间的负载均衡，实现通信网络资源的有效分配和6G移动通信卫星地面网的稳定运行。
显然，x1(t)＞0且x2(t)＞0。为了证明有界性，构造了下面的比较方程：
其中，分别表示有界性条件下的解。
其中初始条件是和可以获得式(11)的显示解如下所示：
根据随机微分方程的比较定理，可以知道且因为式(11)是常数函数或有界函数，和在有限时间内不趋于无穷。因此τe＝+∞时，x1(t)和x2(t)在有限的时间里不趋向于无穷大。
本实施例中，还使用MATLAB对式(4)和式(8)构成的负载平衡模型进行数值模拟，验证提出的负载平衡模型的有效性，实现通信卫星地面网资源的有效分配。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：基于深度强化学习的MEC计算卸载与资源分配方法