張馨元，劉 江，2，張 然，2，黃 韜，2

(1.北京郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與交換國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876；2.網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211111)

0 引言

近年來，由于天地一體化網(wǎng)絡(luò)(Satellite-Terrestrial Networks,STNs)具有傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)無法比擬的優(yōu)勢，如全球覆蓋、抗自然災(zāi)害、低時(shí)延、高帶寬等，在通信、導(dǎo)航、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1]。然而，隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)(AR/VR)、4K/8K視頻和多方交互應(yīng)用等新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)僅作為遠(yuǎn)程地面數(shù)據(jù)中心的中繼，無法提供高效的數(shù)據(jù)處理響應(yīng)。因此，最近的研究考慮衛(wèi)星上的計(jì)算能力，將邊緣計(jì)算(Edge Computing,EC)與STNs相結(jié)合，提供在軌計(jì)算服務(wù)。

這種新模式有許多好處，在軌計(jì)算將傳統(tǒng)云計(jì)算“隨時(shí)計(jì)算”的承諾擴(kuò)展為“隨地隨時(shí)計(jì)算”。具體來說，一方面，利用衛(wèi)星的廣播/組播特性，在衛(wèi)星上預(yù)先緩存數(shù)據(jù)可以減少內(nèi)容獲取時(shí)延，避免相同內(nèi)容的重傳，大大減少了天地一體化網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星下行流量。另一方面，將計(jì)算轉(zhuǎn)移到更近的衛(wèi)星計(jì)算平臺，特別是在沒有邊緣站點(diǎn)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，可以為延遲敏感和計(jì)算密集型應(yīng)用提供更高效的服務(wù)保障。將部分天基數(shù)據(jù) (如地球圖像和天氣觀測) 的處理轉(zhuǎn)移到衛(wèi)星上，可以減少因天基數(shù)據(jù)回傳而帶來的星地鏈路的帶寬浪費(fèi)。

這種新的天地一體化邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)(Satellite-Terrestrial integrated Edge Computing Networks，STECNs)引起了研究者的極大興趣。通過將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)作為中繼，遠(yuǎn)離邊緣計(jì)算服務(wù)器的用戶設(shè)備也可以享受全球計(jì)算服務(wù)[2-3]。此外，通過直接在衛(wèi)星上處理任務(wù)，進(jìn)一步減少了帶寬浪費(fèi)和訪問延遲。文獻(xiàn)[4]提出了一種多層異構(gòu)的STECN架構(gòu)；文獻(xiàn)[5]提出了一種基于軟件定義的STN架構(gòu)，用于管理、整合網(wǎng)絡(luò)、緩存和計(jì)算資源；文獻(xiàn)[6]提出了一個(gè)由嵌入式硬件平臺和微服務(wù)軟件架構(gòu)組成的5G STECN框架；文獻(xiàn)[7]提出了服務(wù)于車聯(lián)網(wǎng)的STECN架構(gòu)；文獻(xiàn)[8]介紹了一種用于遙感的納米衛(wèi)星在軌邊緣計(jì)算體系架構(gòu)。此外，對STECN中的計(jì)算卸載[9-10]、任務(wù)調(diào)度[11-12]、內(nèi)容緩存[13]等具體問題也有進(jìn)一步的研究。

雖然已有許多關(guān)于STECN的研究，但在這些研究工作中，每個(gè)衛(wèi)星是作為獨(dú)立個(gè)體參與任務(wù)處理的，換言之，一個(gè)計(jì)算任務(wù)被卸載到單顆衛(wèi)星或遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心執(zhí)行。這些研究忽略了衛(wèi)星協(xié)同邊緣計(jì)算的可行性，即衛(wèi)星間協(xié)同參與任務(wù)處理，一個(gè)計(jì)算任務(wù)被卸載到衛(wèi)星協(xié)同計(jì)算群或遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心執(zhí)行。單顆衛(wèi)星參與邊緣計(jì)算的弊端有以下幾點(diǎn)：首先，單顆衛(wèi)星的計(jì)算資源和緩存能力有限，導(dǎo)致卸載到衛(wèi)星的任務(wù)接受率很低；大量的任務(wù)數(shù)據(jù)被送回到地面數(shù)據(jù)中心繼續(xù)處理，造成衛(wèi)星能源消耗巨大和下行鏈路過載問題。其次，全球人口分布不均，大部分地球表面的人口分布稀少，因此，大量的低軌衛(wèi)星計(jì)算資源在大部分時(shí)間都是閑置的，資源利用率較低。最后，衛(wèi)星星座節(jié)點(diǎn)規(guī)模巨大，拓?fù)漕l繁變化，以單顆星為單位進(jìn)行資源管理和任務(wù)分配，開銷巨大且十分復(fù)雜。因此，基于以上挑戰(zhàn)，需要提出新的衛(wèi)星協(xié)同天地一體化邊緣計(jì)算架構(gòu)。

大量已有研究證明，邊緣節(jié)點(diǎn)協(xié)同計(jì)算可以有效提高傳輸速率，減少處理延遲[14]，在多種場景中均有應(yīng)用，如物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備[15]、無人機(jī)[16]、車輛[17]、蜂窩接入點(diǎn)[18]等。邊緣節(jié)點(diǎn)協(xié)同計(jì)算的優(yōu)勢有以下四點(diǎn)：① 一個(gè)任務(wù)被分解為多個(gè)可并行化處理的子任務(wù)，同時(shí)在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上處理，加快了任務(wù)處理速度；② 同一計(jì)算集群的節(jié)點(diǎn)間，可以復(fù)用相似任務(wù)的處理結(jié)果，減少多余的資源消耗，如對同一地理位置的遙感圖像識別等；③ 計(jì)算集群可形成一個(gè)動(dòng)態(tài)資源池，節(jié)點(diǎn)間靈活地共享資源，接受更多的任務(wù)，平衡資源利用；④ 邊緣計(jì)算的任務(wù)分配、資源調(diào)度等問題，可以集群為單位進(jìn)行優(yōu)化求解，大大縮小了問題解空間的規(guī)模，提高求解效率。

盡管前人關(guān)于邊緣節(jié)點(diǎn)協(xié)同計(jì)算的研究很有價(jià)值，但它們并不適用于衛(wèi)星協(xié)同的天地一體化邊緣計(jì)算場景。由于衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)資源有限、負(fù)載隨時(shí)空變化、拓?fù)涓叨葎?dòng)態(tài)等特點(diǎn)，需要提出新的衛(wèi)星協(xié)同天地一體化邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。本文從衛(wèi)星邊緣計(jì)算硬件平臺、管控架構(gòu)及衛(wèi)星協(xié)同計(jì)算機(jī)制三方面，闡述衛(wèi)星協(xié)同下的天地一體化邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為后續(xù)天地一體化邊緣計(jì)算研究奠定基礎(chǔ)。

1 相關(guān)研究

文獻(xiàn)[2]提出將天地一體化網(wǎng)絡(luò)與邊緣計(jì)算融合，用于服務(wù)質(zhì)量的提升，使遠(yuǎn)離邊緣計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的用戶，也能通過衛(wèi)星鏈路，享受邊緣計(jì)算服務(wù)。在此架構(gòu)中，低軌/中軌/高軌衛(wèi)星都可以作為用戶和地面骨干網(wǎng)之間的中繼，具體衛(wèi)星的選擇根據(jù)時(shí)延、覆蓋范圍等需求決定。有基礎(chǔ)設(shè)施覆蓋、低級分布的用戶，通過擁有大功率衛(wèi)星天線的基站連接衛(wèi)星。處于偏遠(yuǎn)地區(qū)、稀疏分布的用戶，則通過個(gè)人的、功率有限的衛(wèi)星終端天線連入低軌衛(wèi)星。這些稀疏分布的用戶，可以是高空飛行器和飛機(jī)、應(yīng)急通信用戶、偏遠(yuǎn)地區(qū)和海洋通信用戶。除此之外，文獻(xiàn)[2]還給出了網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化和協(xié)同計(jì)算任務(wù)卸載模型。

文獻(xiàn)[4]在文獻(xiàn)[2]的基礎(chǔ)上，將衛(wèi)星的在軌處理能力納入考慮范圍，提出了星上可計(jì)算的天地一體化邊緣計(jì)算架構(gòu)。在此架構(gòu)中，用戶設(shè)備可根據(jù)地理位置、業(yè)務(wù)需求，選擇地面邊緣計(jì)算平臺、邊緣計(jì)算集群(車輛集群、船只集群、高空飛行器集群等)以及衛(wèi)星邊緣計(jì)算平臺、卸載計(jì)算任務(wù)。此外，文中還提出了天地一體化邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，如協(xié)同計(jì)算卸載、多節(jié)點(diǎn)任務(wù)規(guī)劃、移動(dòng)性管理等。

文獻(xiàn)[5]則面向資源感知，提出了基于軟件定義的(Software-defined Network,SDN)天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。此架構(gòu)中，衛(wèi)星作為通信資源的一種，與網(wǎng)絡(luò)資源、緩存資源、計(jì)算資源一起，用于動(dòng)態(tài)管理和聯(lián)合編排。文中還將資源分配問題建模為聯(lián)合優(yōu)化問題，使用馬爾可夫決策過程和深度Q學(xué)習(xí)來求解最佳資源分配策略。

以上工作提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，但都忽略了衛(wèi)星協(xié)同計(jì)算的場景?；谝陨涎芯浚瑢⑿l(wèi)星協(xié)同計(jì)算納入考量，并針對衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)資源有限、負(fù)載隨時(shí)空變化、拓?fù)涓叨葎?dòng)態(tài)等特點(diǎn)，深化衛(wèi)星邊緣計(jì)算硬件平臺及管控架構(gòu)的設(shè)計(jì)，給出新的衛(wèi)星協(xié)同下的天地一體化邊緣計(jì)算架構(gòu)。

2 衛(wèi)星邊緣計(jì)算硬件平臺

在一個(gè)計(jì)算協(xié)同域內(nèi)，有資源管理和資源兩種節(jié)點(diǎn)。圖1給出了一個(gè)衛(wèi)星計(jì)算協(xié)同域內(nèi)的硬件資源平臺。

圖1 硬件平臺Fig.1 Hardware platform

2.1 衛(wèi)星資源節(jié)點(diǎn)硬件平臺

衛(wèi)星資源節(jié)點(diǎn)有多種類型，如GPU資源節(jié)點(diǎn)、FPGA資源節(jié)點(diǎn)、存儲資源節(jié)點(diǎn)、通用資源節(jié)點(diǎn)等，衛(wèi)星資源種類與衛(wèi)星搭載的硬件平臺有關(guān)。

GPU資源節(jié)點(diǎn)搭載GPU NVIDIA jetson芯片，這種芯片包含多個(gè)GPU核和CPU核，可提供GPU計(jì)算資源，主要用于圖像處理、深度學(xué)習(xí)計(jì)算和其他計(jì)算密集型業(yè)務(wù)。

FPGA資源節(jié)點(diǎn)搭載Xilinx Zynq UltraScale + MPSoC FPGA平臺，包含多個(gè)CPU核和FPGA可編程邏輯單元，支持在軌動(dòng)態(tài)重配置，可作為多核處理器使用，支持加速處理視頻/圖像處理、深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析等業(yè)務(wù)。

存儲資源節(jié)點(diǎn)搭載大容量的固態(tài)硬盤和CPU，支持大量數(shù)據(jù)的存儲。

通用資源節(jié)點(diǎn)通常搭載CPU、內(nèi)存、存儲等多種硬件平臺，支持通用化的業(yè)務(wù)處理。

無論何種資源節(jié)點(diǎn)，考慮到能耗問題，節(jié)點(diǎn)上搭載的都是基于精簡指令集(RISC)的ARM CPU。相對于Intel X86處理器而言，ARM的指令集和硬件邏輯更加簡單，因此能耗更低，適用于功率、散熱受限的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)。

每個(gè)衛(wèi)星資源節(jié)點(diǎn)都使用基于容器的虛擬化技術(shù)，如Docker，用于自身資源的抽象。

除以上資源外，每個(gè)衛(wèi)星資源節(jié)點(diǎn)還擁有支持SDN的網(wǎng)絡(luò)接口，用于靈活的資源管理和配置。

2.2 衛(wèi)星資源管理節(jié)點(diǎn)硬件平臺

每個(gè)計(jì)算域內(nèi)存在一個(gè)資源管理節(jié)點(diǎn)和多個(gè)備用資源管理節(jié)點(diǎn)，在資源管理節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，迅速從備用資源管理節(jié)點(diǎn)中選出一個(gè)新代理節(jié)點(diǎn)，代替原節(jié)點(diǎn)工作。

通過資源節(jié)點(diǎn)中的資源虛擬化容器，資源節(jié)點(diǎn)將自身資源抽象，上報(bào)給資源管理節(jié)點(diǎn)。資源管理節(jié)點(diǎn)維護(hù)著高可靠性的數(shù)據(jù)庫，存儲計(jì)算域的資源信息，并將這些信息用于資源管理、業(yè)務(wù)部署、安全保障策略等。對各資源節(jié)點(diǎn)的配置則由資源管理節(jié)點(diǎn)通過SDN南向協(xié)議下發(fā)。

3 衛(wèi)星邊緣計(jì)算管控架構(gòu)

3.1 分級分域的控制器放置

衛(wèi)星邊緣計(jì)算控制器的分級分域放置如圖2所示，設(shè)計(jì)原則如下：

圖2 衛(wèi)星協(xié)同邊緣計(jì)算架構(gòu)Fig.2 Architecture of satellite cooperative edge computing

① 若以單顆星為單位進(jìn)行管控，則資源分配及任務(wù)規(guī)劃計(jì)算復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)資源狀態(tài)更新時(shí)全網(wǎng)洪泛開銷巨大，因此將整個(gè)衛(wèi)星邊緣計(jì)算平臺劃分為多個(gè)計(jì)算域，以域?yàn)閱挝贿M(jìn)行資源分配和任務(wù)規(guī)劃大大減少了求解復(fù)雜度，且將變動(dòng)開銷限制在域內(nèi)，減少了帶寬浪費(fèi)。

② 每個(gè)計(jì)算域選舉一個(gè)衛(wèi)星計(jì)算域控制器，保證域內(nèi)所有計(jì)算節(jié)點(diǎn)與控制器的時(shí)刻聯(lián)通，不同衛(wèi)星快照下，計(jì)算域控制器選舉可變動(dòng)。

③ 衛(wèi)星全球分布，且低軌衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度較快，若只在地面上放置一個(gè)衛(wèi)星邊緣計(jì)算平臺控制器，則計(jì)算域控制器需要經(jīng)過一整個(gè)星座周期才能與平臺控制器進(jìn)行一次通信，且通信時(shí)長十分有限，使新的配置要求無法迅速下發(fā)。因此，在地面上放置多個(gè)邊緣計(jì)算平臺控制器，增加星座周期內(nèi)域控制器與平臺控制器通信的機(jī)會，同時(shí)利用星間鏈路，向不在平臺控制器視線內(nèi)的域控制器下發(fā)指令。

④ 所有衛(wèi)星邊緣計(jì)算平臺控制器與全局控制器相連，接受集中化的管理控制。

3.2 基于資源感知的多級控制器協(xié)同機(jī)制

基于資源感知的多級控制器協(xié)同機(jī)制流程如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星邊緣計(jì)算管控流程Fig.3 Workflows among the framework of management and control of satellite edge computing

各級控制器功能如下：

衛(wèi)星計(jì)算域控制器收集域內(nèi)衛(wèi)星計(jì)算節(jié)點(diǎn)資源狀態(tài)及域內(nèi)拓?fù)湫畔?；域?nèi)資源管理、任務(wù)規(guī)劃、移動(dòng)性管理、故障恢復(fù)；根據(jù)域內(nèi)決策下發(fā)配置；抽象出域內(nèi)計(jì)算、緩存、網(wǎng)絡(luò)資源視圖，提供給衛(wèi)星邊緣平臺控制器；接收衛(wèi)星邊緣計(jì)算平臺控制器的指令。

衛(wèi)星邊緣計(jì)算平臺控制器匯總多個(gè)計(jì)算域的資源狀態(tài)及域間拓?fù)湫畔ⅲ幌掳l(fā)指令給衛(wèi)星計(jì)算域控制器；抽象出各域資源視圖及域間拓?fù)?，提供給全局控制器；接收全局控制器的指令。

全局控制器匯總各計(jì)算域的資源狀態(tài)及整個(gè)衛(wèi)星邊緣計(jì)算平臺的拓?fù)湫畔?；面向業(yè)務(wù)需求的全局資源管理、任務(wù)規(guī)劃、移動(dòng)性管理、故障恢復(fù)；邊緣計(jì)算業(yè)務(wù)登記、用戶準(zhǔn)入、業(yè)務(wù)周期管理等；向衛(wèi)星邊緣計(jì)算控制器下發(fā)決策。

此外，由應(yīng)用向全局控制器提出需求，并由衛(wèi)星計(jì)算節(jié)點(diǎn)提供實(shí)際邊緣計(jì)算資源，就此完成基于資源感知的衛(wèi)星邊緣計(jì)算管控流程閉環(huán)，集中與分布式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)靈活性、最優(yōu)性、可擴(kuò)展性。

4 天地一體化邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)協(xié)同計(jì)算機(jī)制

4.1 層間協(xié)同計(jì)算

天地一體化邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中各層間協(xié)同機(jī)制如圖2所示。根據(jù)不同的場景和用戶需求，用戶設(shè)備產(chǎn)生計(jì)算任務(wù)。當(dāng)本地資源(即設(shè)備本身的計(jì)算能力)充足時(shí)，計(jì)算任務(wù)在設(shè)備本地執(zhí)行。若本地資源無法滿足計(jì)算任務(wù)，則由用戶設(shè)備決策，將計(jì)算糞污卸載到邊緣計(jì)算層。

邊緣計(jì)算層中有多種邊緣計(jì)算平臺，圖2中所示的衛(wèi)星邊緣計(jì)算平臺只是其中一種。除衛(wèi)星邊緣計(jì)算平臺外，還有地面邊緣計(jì)算平臺、車輛邊緣計(jì)算集群、飛行器邊緣計(jì)算集群等[4]。當(dāng)邊緣計(jì)算平臺收到計(jì)算任務(wù)后，立即進(jìn)行處理，若單計(jì)算域的計(jì)算資源不足，則協(xié)同相鄰計(jì)算域共同處理任務(wù)，如圖2中衛(wèi)星邊緣計(jì)算域的域間協(xié)同。

若邊緣計(jì)算域及其相鄰域仍不具有充足的資源，則由邊緣計(jì)算平臺控制器決策，將計(jì)算任務(wù)卸載到云計(jì)算層的數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心具有足夠充分的資源來處理任務(wù)。在任務(wù)處理結(jié)束后，處理結(jié)果返回給用戶設(shè)備。

4.2 衛(wèi)星邊緣計(jì)算平臺的協(xié)同計(jì)算

衛(wèi)星邊緣計(jì)算平臺內(nèi)部有兩種協(xié)同計(jì)算形式，一是域間協(xié)同計(jì)算，發(fā)生在單個(gè)衛(wèi)星計(jì)算域資源不足以進(jìn)行任務(wù)處理時(shí)，由衛(wèi)星邊緣計(jì)算平臺控制器進(jìn)行域間協(xié)同計(jì)算規(guī)劃；二是域內(nèi)協(xié)同計(jì)算，發(fā)生在單個(gè)衛(wèi)星計(jì)算節(jié)點(diǎn)資源不足時(shí)，由衛(wèi)星計(jì)算域控制器進(jìn)行資源分配和任務(wù)規(guī)劃。

每個(gè)衛(wèi)星計(jì)算節(jié)點(diǎn)的計(jì)算、存儲、通信資源都將被放在所屬衛(wèi)星計(jì)算域的動(dòng)態(tài)資源池里。計(jì)算域可以靈活調(diào)配域內(nèi)的各種資源，支持任務(wù)協(xié)同計(jì)算，在提高資源利用率的同時(shí)，增加任務(wù)成功率。

4.3 衛(wèi)星協(xié)同計(jì)算的關(guān)鍵保障機(jī)制

衛(wèi)星協(xié)同計(jì)算需要由底層機(jī)制進(jìn)行支持和保障，衛(wèi)星協(xié)同計(jì)算的3種關(guān)鍵保障機(jī)制：協(xié)同計(jì)算域生成、任務(wù)規(guī)劃和故障應(yīng)對。

4.3.1 協(xié)同計(jì)算域生成

協(xié)同計(jì)算域的生成，是指預(yù)先規(guī)劃好對整個(gè)衛(wèi)星邊緣計(jì)算平臺的計(jì)算域劃分情況，為用戶的計(jì)算任務(wù)卸載及衛(wèi)星邊緣計(jì)算平臺的任務(wù)分配決策提供基礎(chǔ)。

協(xié)同計(jì)算域的生成以整個(gè)衛(wèi)星邊緣計(jì)算平臺的收益最大化為優(yōu)化目標(biāo)，與以下幾個(gè)因素有關(guān)：

① 用戶需求。由于衛(wèi)星圍繞地球旋轉(zhuǎn)，每顆衛(wèi)星服務(wù)的用戶流量隨空間、時(shí)間變化?？臻g上的變化是指地球上人口分布密集的區(qū)域，流量普遍較大，反之較小；時(shí)間上的變化是指單個(gè)用戶產(chǎn)生的流量在一天內(nèi)各時(shí)段波動(dòng)。衛(wèi)星服務(wù)的用戶流量隨時(shí)空變化，若用戶流量超過衛(wèi)星自身計(jì)算資源，則衛(wèi)星需要將多余的計(jì)算任務(wù)分給同一計(jì)算域的其他衛(wèi)星；若用戶流量少于衛(wèi)星資源，則衛(wèi)星愿意協(xié)同分擔(dān)同一計(jì)算域中其他衛(wèi)星的計(jì)算任務(wù)。通過衛(wèi)星間協(xié)同計(jì)算，衛(wèi)星盡可能地將協(xié)同計(jì)算域覆蓋的用戶流量，在本計(jì)算域內(nèi)處理完畢，避免因資源不足而卸載給地面數(shù)據(jù)中心，減少下行鏈路帶寬消耗，以及租用數(shù)據(jù)中心計(jì)算資源的開銷。

② 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｐl(wèi)星拓?fù)涮幱诟叨葎?dòng)態(tài)，星間鏈路頻繁通斷。采用快照思想，假設(shè)單個(gè)快照內(nèi)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔３朱o態(tài)，則必須保證在此快照下的協(xié)同計(jì)算域拓?fù)溥B通。拓?fù)溥B通，是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星計(jì)算域控制器實(shí)時(shí)管控、衛(wèi)星間協(xié)同計(jì)算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕緱l件。若某時(shí)刻拓?fù)洳贿B通，則需要重新選舉計(jì)算域控制器，帶來控制器遷移開銷；且在斷掉鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)需要重傳到其他計(jì)算節(jié)點(diǎn)，帶來重傳開銷。

③ 拓?fù)淇煽啃浴Ｍ負(fù)淇煽啃耘c拓?fù)涞倪B通度、邊的冗余程度等有關(guān)。因平臺抖動(dòng)、天線對準(zhǔn)等問題，衛(wèi)星鏈路的質(zhì)量不穩(wěn)定，容易帶來鏈路突然斷掉或鏈路丟包率很高等突發(fā)故障。此時(shí)，若與故障鏈路相連的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)周圍沒有其余節(jié)點(diǎn)可分擔(dān)計(jì)算任務(wù)，則需要將這部分計(jì)算任務(wù)卸載到地面數(shù)據(jù)中心，帶來業(yè)務(wù)遷移開銷，造成衛(wèi)星邊緣計(jì)算平臺收益的下降。

由于衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，協(xié)同計(jì)算域生成的計(jì)算復(fù)雜度很高，可以基于以上模型，用啟發(fā)式算法進(jìn)行離線求解。求出的協(xié)同計(jì)算域方案可作為后續(xù)任務(wù)規(guī)劃問題的輸入。

4.3.2 任務(wù)規(guī)劃

衛(wèi)星邊緣計(jì)算平臺的任務(wù)規(guī)劃及分配，需結(jié)合各計(jì)算域的資源利用情況、計(jì)算任務(wù)特性進(jìn)行，有以下4種任務(wù)分配方式：

① 一個(gè)衛(wèi)星對應(yīng)一個(gè)任務(wù)。一對一是最簡單的任務(wù)分配方式，若單個(gè)衛(wèi)星有充足的資源支持任務(wù)處理，則可選擇這種方式。

② 多個(gè)衛(wèi)星對應(yīng)一個(gè)任務(wù)。一個(gè)可以被并行化分解的計(jì)算任務(wù)，可以分配到多個(gè)衛(wèi)星上同時(shí)處理，以加快處理速度。

③ 一個(gè)衛(wèi)星對應(yīng)多個(gè)任務(wù)。通常來說，覆蓋相鄰地理區(qū)域的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)收到的計(jì)算任務(wù)相似，如針對同一區(qū)域的大氣層進(jìn)行觀測，并對觀測圖像進(jìn)行處理分析。一個(gè)衛(wèi)星對多個(gè)同類計(jì)算任務(wù)的計(jì)算結(jié)果可復(fù)用，如一段時(shí)間內(nèi)對云層的識別結(jié)果，這種方式可以節(jié)約計(jì)算資源。

④ 多個(gè)衛(wèi)星對應(yīng)多個(gè)任務(wù)。這種混合業(yè)務(wù)模式是多個(gè)衛(wèi)星對應(yīng)一個(gè)任務(wù)和一個(gè)微型對應(yīng)多個(gè)任務(wù)的結(jié)合，是最普遍的衛(wèi)星協(xié)同計(jì)算任務(wù)分配方式，是任務(wù)規(guī)劃問題求解的主要形式。

對衛(wèi)星協(xié)同計(jì)算任務(wù)規(guī)劃問題的求解，可以以離線形式，對提前已知需求的多項(xiàng)任務(wù)做規(guī)劃；也可以以在線形式，對新到來的任務(wù)做增量式規(guī)劃。

4.3.3 故障應(yīng)對

如前文所述，當(dāng)鏈路故障發(fā)生時(shí)，需進(jìn)行任務(wù)遷移。實(shí)際上，任務(wù)遷移在衛(wèi)星拓?fù)涓淖?、突發(fā)鏈路故障兩種情況下均會發(fā)生。由于衛(wèi)星拓?fù)涓淖兪且?guī)律性變化，可提前預(yù)知，可以由衛(wèi)星計(jì)算域控制器或計(jì)算節(jié)點(diǎn)自發(fā)地提前做好數(shù)據(jù)備份、在變動(dòng)時(shí)刻前后切換路徑。然而，突發(fā)鏈路故障不可預(yù)知，需要迅速應(yīng)對，減少對任務(wù)處理時(shí)延的影響。

① 故障檢測。故障檢測以控制器周期性探測和節(jié)點(diǎn)主動(dòng)上報(bào)的形式進(jìn)行。控制器周期性發(fā)包，詢問計(jì)算節(jié)點(diǎn)的鏈路狀況，周期越小，探測到故障的速度越快，但相應(yīng)地會帶來探測開銷大的弊端，需要在二者之間做權(quán)衡。另一種方式為節(jié)點(diǎn)檢測到端口異常，主動(dòng)發(fā)包給控制器上報(bào)故障。

② 路由計(jì)算。計(jì)算域控制器檢測到域內(nèi)故障，通過控制器維持的域內(nèi)資源視圖及拓?fù)湟晥D，計(jì)算出業(yè)務(wù)遷移路徑，即新的協(xié)同計(jì)算節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸路徑。若域內(nèi)控制器判斷當(dāng)前域的資源和拓?fù)錀l件無法支持業(yè)務(wù)遷移，則與相鄰域控制器通信，計(jì)算得到跨域的任務(wù)遷移方案。

③ 故障恢復(fù)。域控制器下發(fā)指令給相關(guān)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，若新舊協(xié)同計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間存在鏈路，則可由舊節(jié)點(diǎn)將已得到的計(jì)算結(jié)果和未計(jì)算的數(shù)據(jù)傳給新節(jié)點(diǎn)；若不存在，則由源計(jì)算節(jié)點(diǎn)將所有需要計(jì)算的數(shù)據(jù)傳給新節(jié)點(diǎn)。

5 結(jié)論

近年來，天地一體化的邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)受到廣泛關(guān)注。本文提出了衛(wèi)星協(xié)同的天地一體化邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從衛(wèi)星邊緣計(jì)算硬件平臺、衛(wèi)星邊緣計(jì)算管控架構(gòu)、天地一體化邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)協(xié)同計(jì)算機(jī)制三方面對架構(gòu)進(jìn)行闡述，并在最后針對衛(wèi)星協(xié)同邊緣計(jì)算的挑戰(zhàn)，提出了三種協(xié)同計(jì)算關(guān)鍵保障機(jī)制。本文拓展了以往天地一體化邊緣計(jì)算的研究，為后續(xù)工作打下基礎(chǔ)。