[0001] 本发明涉及卫星物联网技术领域，特别是涉及一种低轨卫星绿色物联网系统、资源分配方法及装置。

[0002] 全球卫星通信网络是科技创新2030的重大工程项目之一，主要由天基骨干网、天基接入网和地基节点网组成，实现“全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信”。为满足航空航海、应急通信等特殊需求，广覆盖、抗毁灭等特性使得低轨卫星通信网络应运而生。国外早已提出OneWeb、O3b和Starlink为代表的低轨星座建设方案，而在近年来，国内也正大力发展低轨卫星星座建设。相较于地面通信网络，低轨卫星通信网络覆盖范围广、系统容量大、可全天时工作、抗毁性强，能有效补充地面网络在山区、沙漠、海洋等领域的不足。

[0003] 在5G通信中，无线技术不断发展，努力打造万物移动互联的全球网络。物联网是一种具有唯一可识别设备的智能基础设施，能够通过互联网使所有事物进行大范围的无线通信。随着物联网应用渗透到人类活动的各个领域，其在一些大范围、跨地域、极端环境等的数据采集，由于空间、环境等限制，地面物联网无法满足实际应用需求。因此，如果选择卫星作为物联网基站，即建立天基物联网，使之成为地面网络的补充和延伸，可以实现全球覆盖，且抗毁性强。

[0004] 海量连接的低轨卫星物联网作为重要应用场景受到广泛关注。低轨卫星物联网是由成百上千颗低轨小卫星组成的信息获取、传输与分发网络。但是，在低轨卫星物联网的主要应用场景(如山区、沙漠、海洋)中，提供电力服务困难，且更换电池不方便，物联网设备的使用寿命严重受限。而且，随着无线数据服务的空前增涨，无线设备对能量的需求也不断提高，这导致了低轨卫星物联网严重的能量供应不足问题。在极端环境下，无线能量收集技术被看作绿色物联网的有力解决方案，将射频信号用作可再生能源提供新的电力供应。

[0005] 目前，在地面网络中，已存在大量的无线能量收集技术研究内容。但是，相对于地面网络，低轨卫星具有高动态、低信噪比的特性，且卫星发射信号能力受限，提供射频能量更困难。为了提供足够的能量以自给自足的方式运营低轨卫星物联网，这需要无线能量和信息传输的联合设计。对于不同的服务质量要求，通过调节时间和功率等参数，设备可以无线地获得稳定的能量供应，保证通信性能。

[0006] 综上，低轨卫星物联网的能量收集技术较地面网络更复杂。而如何设计能量收集与信息传输算法进行资源分配，保证低轨卫星物联网的稳定有效运行也显得更加重要。

[0031] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0032] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0033] 在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

[0034] 本发明公开了一种低轨卫星绿色物联网系统，在一种优选实施方式中，如图1所示，该系统包括卫星、以及在卫星的波束覆盖区域内的K个用户，K为正整数。比如，卫星向地面发射如图1所示的波束，波束在地面具有一个覆盖范围，在该覆盖范围内的用户可以与卫星建立通信链路，虽然低轨卫星是运动的，但是其对一个用户的覆盖时间远超过一个通信周期，比如可达十几分钟。用户例如是卫星物联网中位于地面上的终端设备。

[0035] 在本实施方式中，优选的，对K个用户进行编号，分别编号为第一个用户、第二个用户、……、第K个用户，优选的，用户的编号可根据距离远近进行编号，比如，任意指定一个用户为第一个用户后，将距离第一个用户距离最近的用户作为第二个用户，依此类推得到所有用户编号，由于无线信号的强度随着传输距离衰减，这样能够便于后续能量收集模型计算，使得该模型精度更高。

[0036] 在本实施方式中，为了节省频率资源和更好地实现能量传输，将通信周期划分为下行链路时间段和上行链路时间段，下行链路时间段主要是卫星向个用户广播信息以及用户收集广播信息能量，上行链路时间段主要用户向卫星上传终端信息，并且系统中未上传终端信息的用户收集正在上传的终端信息的能量。一个通信周期的时间可以是卫星物联网传输一个数据帧的时间。

[0037] 在本实施方式中，在覆盖时间内的每个通信周期中卫星和K个用户执行以下操作：

[0038] 在通信周期的下行链路时间段，卫星向K个用户通过卫星波束向覆盖区域内的用户发送广播信息，用户接收广播信息并收集广播信息的能量。例如，用户设置有无线射频信号能量接收模块和射频信号接收处理模块，通过无线射频信号能量接收模块可以接收任何发射至该用户以及该用户附近的无线射频信号的能量，射频信号接收处理模块用于接收广播信息并从广播信息中提取出卫星传输给用户的信息，比如该信息为通信周期时间分配信息，通信周期时间分配信息包含了给该用户指定的时隙以及指定的时隙的时长。

[0039] 在通信周期的上行链路时间段，K个用户利用收集的能量依次向卫星上传终端信息，在某个用户正在向卫星上传终端信息时，K个用户中除正在上传终端信息的用户之外的全部或部分用户收集正在上传终端信息的用户所上传的终端信息的能量。比如，设第k个用户在时隙k正在上传终端信息，那么在时隙k所有编号不等于k(k≠1)的用户均可以收集第k个用户正在上传终端信息。由于能量收集和转化的损耗，经过两跳及以上传递的能量可忽略不计。另外，由于能量存储的高放电性，并且下次用户再上传信息的时间可能较长，用户在其指定传输时隙之后获取的能量可忽略，因此，优选的，在第k个用户向卫星上传终端信息时，k∈[1,K]，第k+1到K个用户接收第k个用户上传的终端信息的能量。

[0040] 在本实施方式中，优选的，为保证每个用户有足够的能量上传信息，一方面，将下行链路时间段设置于上行链路时间段之前，使用户收集广播信息赋能后再上传终端信息，另一方面，作为备用，可为每个用户设置一个电池单元，当下行链路时间段设置于上行链路时间段之后时，各用户可在首个通信周期使用电池单元能量上传信息，后续通信周期使用收集的无线信号能量，或者当用户收集的无线能量不足时，用户使用电池单元能量上传信息并上报电量信息给卫星，以便卫星调整发射功率和/或增加时隙τ0时长。再一方面，可设置一个最小卫星发射功率，卫星利用卫星波束发送广播信息时实际发射功率应大于最小卫星发射功率，最小卫星发射功率可通过多次试验选取。

[0041] 在一种优选实施方式中，将一个通信周期划分为K+1个时隙，在时隙τ0卫星向K个用户发送广播信息，用户接收广播信息并收集广播信息的能量，为第k个用户分配时隙τk。引入线性能量收集模型，该模型适用于我们所提出的低功率应用场景，因为当入射功率较低时，线性和非线性能量收集模型是非常相似的。为了确保能量的充分利用，用户上传信息时会完全使用所获取的能量。因此，用户k的平均发射功率Pk＝Ek/τk，第k个用户收集的总能量Ek为：Ek＝pt0χk；其中，p表示卫星发射功率；t0表示时隙τ0的时长；χk表示第k个用户的能量系数，χk为： 其中，gk表示第k个用户与卫星之间的信道
功率增益；g1表示第一个用户与卫星之间的信道功率增益；υ1表示第一个用户的能量收集效率；gi表示第i个用户与卫星之间的信道功率增益；υk表示第k个用户的能量收集效率；υi表示第i个用户的能量收集效率；hi,k表示第i个用户到第k个用户的信道功率增益。其中，卫星发射功率p和时隙τ0的时长t0为未知的需要优化的量，gk、g1、υ1、gi、υk、υi、hi,k均为已知参数。

[0042] 本发明还公开了一种基于上述低轨卫星绿色物联网系统的资源分配方法，在一种优选实施方式中，资源分配方法的流程示意图如图2所示，包括：

[0043] 步骤S101，获取当前通信周期中K个用户分别与卫星之间的信道功率增益。优选的，为了便于获取，如图3所示，获取当前通信周期中K个用户分别与卫星之间的信道功率增益的过程具体包括：在当前通信周期的时隙τ0内，用户进行信道测试获取用户与卫星间的信道功率增益，信道测试可采用现有技术，例如采用公开号为CN101159516A的中国专利所公开的技术方案，在此不再赘述；在当前通信周期的时隙τk内，第k个用户向卫星上传在时隙τ0内获取的第k个用户与卫星间的信道功率增益。

[0044] 步骤S102，基于K个用户的信道功率增益，构建以系统能效最大化为目标的目标函数，设置目标函数的约束条件，求解目标函数获得优化卫星发射功率和优化通信周期时间分配信息，优化通信周期时间分配信息包括每个时隙的时长，系统能效为K个用户的上行吞吐量之和与卫星的总发射能量之比。

[0045] 步骤S103，在下一通信周期中，按照优化通信周期时间分配信息分配各时隙时长，卫星基于优化卫星发射功率向K个用户发送广播信息。

[0046] 在本实施方式中，在低轨卫星绿色物联网系统的首个通信周期中，卫星可按照预设的卫星发射功率和预设的通信周期时间分配信息向用户发送广播信息，该广播信息包括预设的通信周期时间分配信息，并在接收广播信息能量和信息的同时进行信道测试，各用户可按照通信周期时间分配信息中为其指定的时隙以及时隙时长依次上传终端信息和该用户与卫星间的信道功率增益。之后的通信周期中就按照优化卫星发射功率和优化通信周期时间分配信息发送广播信息和分配时隙。

[0047] 在一种优选实施方式中，约束条件包括下列条件中的全部或部分：

[0048] 卫星功率约束条件：卫星发射功率p不大于预设的功率峰值Pth，即p≤Pth；

[0049] 卫星总发射能量约束条件：卫星的总发射能量不大于预设的能量峰值Eth，即pt0≤Eth；

[0050] 时间约束条件：通信周期总时长不大于一帧数据传输时长T，即 tk表示时隙τk的时长；

[0051] 卫星广播容量约束条件：卫星广播信息的信号量Cd不小于预设的信号量阈值Ith，d即C≥Ith，考虑信道互易性，上下行信道功率增益相同， 表示
2
k可以为1到K中的任意一个数，σ表示卫星处的噪声功率。

[0052] 在一种优选实施方式中，目标函数表示为：

[0053] 其中， 表示第k个用户的上行吞吐量，考虑信道互易性，上下行信道功率增益相同， 表示k可以为1到K中的
任意一个数，ck表示第k个用户的上行吞吐量系数，

[0054] 在本实施方式中，求解目标函数的过程包括：

[0055] 从K个用户与卫星之间的信道功率增益中获取用户与卫星之间的信道功率增益的最小值 表示k可以是任意的，只要第k个用户满足与卫星信道功
率增益是所有用户与卫星信道功率增益中最小的。

[0056] 因为发射功率和传输时间相互耦合，该问题是非凸的，优化复杂度非常高。因此，需要根据实际约束考虑功率优化问题。将卫星功率约束条件、卫星总发射能量约束条件、时间约束条件和卫星广播容量约束条件联合分析，具体包括：

[0057] 将卫星总发射能量约束条件、卫星广播容量约束条件联合表示为：

[0058]

[0059] 因此，要求卫星能量、容量与信道情况满足：

[0060]

[0061] 结合联合分析结果、min(gk)和卫星功率约束条件将目标函数的约束条件转换为：

[0062]

[0063] 令p＝p0时，不等式 中的等号成立，即：0
将优化卫星发射功率p*设置为：p*＝min(Pth,p)。因此，优
化卫星发射功率和优化通信周期时间分配信息表示为：

[0064] 其中，λk表示优化通信周期时间分配信息中时隙τk的时长tk*与时隙τ0的时长t0*之比，即 λk通过公式 求取。

[0065] 图4给出了本发明提供的资源分配方法与现有的平均方法的系统能效随卫星发射功率门限变化的变化趋势。显然，可以观察到，本发明的资源分配方法优于均匀分配方法，本发明提供的资源分配方法有效。从总体上看，本发明提供的资源分配方法的系统能效随着发射功率门限的增加而增加，因为功率越高，信号越强，每个用户收获的能量就越多，但增加逐渐平缓。另外，当功率门限很低时，系统能效为0，因为此时无法满足广播量的约束；
当功率门限很高时，系统能效不再增加，因为此时受到卫星能量总量的约束，这些都与实际相符合。说明本发明提供的资源分配方法有效可用。

[0066] 本发明还提供了一种基于上述低轨卫星绿色物联网系统的资源分配装置，该资源分配装置的具体实体优选但不限于为卫星上的星载基站，为减少处理时延星载基站可以在当前卫星上，或者为了减少卫星能量开销也可以基于边缘计算方法将星载基站放在其它空闲卫星中。该资源分配装置包括：信道功率增益获取模块，获取当前通信周期中K个用户分别与卫星之间的信道功率增益。优化模块，基于K个用户的信道功率增益，构建以系统能效最大化为目标的目标函数，设置目标函数的约束条件，求解目标函数获得优化卫星发射功率和优化通信周期时间分配信息，优化通信周期时间分配信息包括每个时隙的时长，系统能效为K个用户的上行吞吐量之和与卫星的总发射能量之比。卫星波束发送模块，在下一通信周期中，基于优化通信周期时间分配信息在时隙τ0内按照优化卫星发射功率向K个用户发送广播信息，广播信息中包含有优化通信周期时间分配信息。

[0067] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0068] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。