面向6G 的低軌衛(wèi)星邊緣計(jì)算架構(gòu)研究*

吳健，賈敏，張 良

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150006）

0 引言

隨著移動(dòng)應(yīng)用程序的快速增長(zhǎng)，虛擬現(xiàn)實(shí)、高清直播、自動(dòng)駕駛、工業(yè)自動(dòng)化、智能家居等眾多具有發(fā)展前景的應(yīng)用和服務(wù)應(yīng)運(yùn)而生。廣泛的應(yīng)用也需要海量的計(jì)算能力，如虛擬現(xiàn)實(shí)[1]和高清視頻流[2]。這些計(jì)算密集型應(yīng)用對(duì)資源受限的終端設(shè)備提出了很高的要求，用戶僅僅依靠自身微弱的計(jì)算能力來處理這些海量的計(jì)算任務(wù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

在這種需求下，移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）的概念被提出[3]。通過將電信、IT 和云計(jì)算結(jié)合在一起，將邊緣服務(wù)器放置在靠近用戶的位置，直接為用戶提供計(jì)算服務(wù)。MEC不僅可以節(jié)約用戶的能耗和延遲，而且由于邊緣服務(wù)器靠近用戶終端，MEC 可以快速地對(duì)任務(wù)做出響應(yīng)。因此，工業(yè)界[4]和學(xué)術(shù)界[5]最近都做出了很多努力。

全覆蓋是未來6G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的重要方向。但是，由于缺乏通信基礎(chǔ)設(shè)施，在偏遠(yuǎn)/農(nóng)村地區(qū)提供通信計(jì)算服務(wù)成為一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。對(duì)于沙漠、森林、山地、海洋等一些惡劣環(huán)境，地面網(wǎng)絡(luò)也無法完全覆蓋。此外，在遭遇自然災(zāi)害時(shí)這種極端環(huán)境時(shí)，地面網(wǎng)絡(luò)也無法為需要應(yīng)急通信的用戶提供計(jì)算服務(wù)。低地球軌道（LEO）衛(wèi)星作為6G 的重要研究方向[6]，具有廣泛的覆蓋范圍、高吞吐量以及優(yōu)秀的系統(tǒng)魯棒性，可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全覆蓋，并且在極端環(huán)境中功能也很強(qiáng)大。它們可以為地面用戶提供無處不在的接入服務(wù)，因而備受關(guān)注。

因此，本文將MEC 和低軌衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，通過將邊緣服務(wù)器放置在低軌衛(wèi)星上，使得衛(wèi)星具有計(jì)算能力。無論用戶是在極端的偏遠(yuǎn)地區(qū)，還是在發(fā)生災(zāi)害時(shí)地面網(wǎng)絡(luò)受損時(shí)地區(qū)，低軌衛(wèi)星都可以為地面用戶提供無處不在的接入以及計(jì)算服務(wù)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“萬物互聯(lián)”[7]。不僅如此，由于用戶傳輸?shù)男畔⒃谶吘壏?wù)器上執(zhí)行，信息的集中度較低，MEC 服務(wù)器受到攻擊的可能性較小，因此邊緣計(jì)算模式可以保證用戶信息的安全性和私密性[8]。

近些年，芯片得到了快速的發(fā)展[9]，越來越多的處理器模塊在衛(wèi)星上得到了應(yīng)用，使得衛(wèi)星獲得了更強(qiáng)的計(jì)算能力。芯片技術(shù)的快速發(fā)展為衛(wèi)星邊緣計(jì)算的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐。

1 衛(wèi)星邊緣計(jì)算現(xiàn)狀

目前，在衛(wèi)星側(cè)部署MEC 服務(wù)器已成為一個(gè)新興的關(guān)注點(diǎn)。在衛(wèi)星邊緣計(jì)算的場(chǎng)景下，用戶將計(jì)算任務(wù)卸載到衛(wèi)星上，以獲得更小的延遲和能耗。

文獻(xiàn)[10]研究了一種星空集成邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)（SAIECN），將低軌衛(wèi)星和空中高空平臺(tái)（HAP）相結(jié)合為地面用戶提供計(jì)算服務(wù)。作者將優(yōu)化目標(biāo)定義為最小化SAIECN 的加權(quán)和能耗，為了解決這個(gè)問題，作者將這個(gè)優(yōu)化問題分解為4 個(gè)子問題進(jìn)行求解。對(duì)于GUE 關(guān)聯(lián)子問題，使用了基于二次變換的分?jǐn)?shù)規(guī)劃（QTFP）和凸函數(shù)差分。發(fā)射預(yù)編碼子問題通過QTFP 和加權(quán)最小均方法求解。計(jì)算任務(wù)分配使用內(nèi)點(diǎn)方法求解，計(jì)算資源分配子問題以封閉形式推導(dǎo)。作者對(duì)4 個(gè)問題分別迭代求解，使得系統(tǒng)的能耗可以維持在較低的水平。

文獻(xiàn)[11]利用虛擬化，設(shè)計(jì)了資源立方體來描述多維虛擬資源的整合和狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)更高的資源利用率和更智能的連接，作者提出了分層架構(gòu)和多個(gè)M/M/1 排隊(duì)模型，然后設(shè)計(jì)了資源立方體算法來降低系統(tǒng)總延遲。

文獻(xiàn)[12]提出了一種新型衛(wèi)星邊緣計(jì)算框架。為了最小化用戶側(cè)的加權(quán)和能量消耗，作者將公式化的問題分解為兩個(gè)分層的子問題。通過順序分?jǐn)?shù)規(guī)劃方法和應(yīng)用拉格朗日對(duì)偶分解方法解決了兩層子問題，有效地降低了用戶端的能耗，而且提高了卸載率。

文獻(xiàn)[13]提出了一種具有3 層計(jì)算架構(gòu)的混合云和邊緣計(jì)算低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，它可以為地面用戶提供異構(gòu)計(jì)算資源，并使地面用戶能夠獲得全球計(jì)算服務(wù)。使用CECLS 架構(gòu)，研究了計(jì)算卸載決策，以最小化地面用戶的總能耗，同時(shí)滿足每個(gè)LEO 衛(wèi)星的覆蓋時(shí)間和計(jì)算能力方面的限制。作者提出了一種分布式算法逼近最優(yōu)解，可以有效降低地面用戶的總能耗。

文獻(xiàn)[14]介紹了一種對(duì)于具有多顆衛(wèi)星和多顆衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)的MEC 增強(qiáng)型SAT-IoT 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。MEC 增強(qiáng)型SAT-IoT 網(wǎng)絡(luò)的延遲和能量?jī)?yōu)化被表述為一個(gè)動(dòng)態(tài)混合整數(shù)規(guī)劃問題，作者將這個(gè)復(fù)雜問題分解為兩個(gè)子問題，并基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)（DRL）對(duì)這兩個(gè)問題進(jìn)行求解，獲得了較低的系統(tǒng)延遲和能耗。

在衛(wèi)星邊緣計(jì)算中，計(jì)算卸載問題和資源分配問題也得到了廣泛的研究。

文獻(xiàn)[15]研究了星地邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的任務(wù)卸載問題，其中任務(wù)可以由衛(wèi)星或地面云中心執(zhí)行。作者提出一種學(xué)習(xí)類算法，可以通過調(diào)整候選位置的數(shù)量來加速學(xué)習(xí)過程，可以用極少的運(yùn)行時(shí)間消耗實(shí)現(xiàn)接近最優(yōu)的卸載成本。

文獻(xiàn)[16]針對(duì)一種新型星地雙邊緣計(jì)算系統(tǒng)，提出基站任務(wù)執(zhí)行順序和衛(wèi)星資源分配算法使得MEC 資源提供者獲得滿意的效益。

文獻(xiàn)[17]提出了一種航天輔助混合云邊緣計(jì)算框架，優(yōu)化目標(biāo)是最小化系統(tǒng)終端用戶之間的最大計(jì)算延遲。在保證收斂的前提下，本文提出了一種替代優(yōu)化算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了更好的收斂性和更低的計(jì)算延遲。

文獻(xiàn)[18]介紹了在一些特殊的極端場(chǎng)景下，空天地一體化網(wǎng)絡(luò)（SAGIN）結(jié)合邊緣計(jì)算可以為偏遠(yuǎn)地區(qū)的用戶提供車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。作者提出了預(yù)分類方案和基于DIL的決策算法，得到了最短的任務(wù)完成時(shí)間。

2 衛(wèi)星邊緣計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)

衛(wèi)星邊緣計(jì)算的系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1 所示，其中每個(gè)LEO 衛(wèi)星上都配置了MEC 服務(wù)器，可以為偏遠(yuǎn)地區(qū)的用戶或者地面基礎(chǔ)設(shè)施受損需要應(yīng)急通信的用戶提供計(jì)算服務(wù)，用戶可以將計(jì)算任務(wù)卸載到低軌衛(wèi)星上進(jìn)行計(jì)算，也可以將任務(wù)通過低軌衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)處的云中心進(jìn)行計(jì)算。

圖1 衛(wèi)星邊緣計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 所示的衛(wèi)星邊緣計(jì)算的系統(tǒng)架構(gòu)圖中出現(xiàn)的模塊解釋如下：

（1）LEO 衛(wèi)星：配備MEC 服務(wù)器的LEO 衛(wèi)星為地面用戶提供服務(wù)，或者將用戶卸載的計(jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)處的云計(jì)算中心進(jìn)行計(jì)算。如果衛(wèi)星想將計(jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)處的云計(jì)算中心進(jìn)行計(jì)算，需要先將任務(wù)卸載到地面站，地面站再將任務(wù)發(fā)送給遠(yuǎn)處的云計(jì)算中心。

（2）地面站：地面站可以分析從LEO 衛(wèi)星接收到的原始數(shù)據(jù)，或?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程云計(jì)算中心。有計(jì)算需求的地面用戶分為兩類：一類是分布密集的密集用戶，一類是分布稀疏或者需要應(yīng)急通信的稀疏用戶。

（3）云計(jì)算中心：計(jì)算資源豐富，而且可以為外界提供高性能計(jì)算服務(wù)、存儲(chǔ)服務(wù)的機(jī)構(gòu)。

針對(duì)本文提出的衛(wèi)星邊緣計(jì)算的系統(tǒng)架構(gòu)圖，本文考慮了兩種應(yīng)用場(chǎng)景：（1）針對(duì)密集用戶，當(dāng)用戶分布得比較密集，而且地面基礎(chǔ)設(shè)施可用的情況下，用戶可以通過具有強(qiáng)大功能的地面站與衛(wèi)星連接通信，對(duì)于地面系統(tǒng)，可以通過搭建基站來構(gòu)造地面網(wǎng)絡(luò)為用戶提供計(jì)算服務(wù)；（2）針對(duì)稀疏用戶，當(dāng)用戶分布稀疏時(shí)，例如當(dāng)用戶處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，或者當(dāng)發(fā)生自然災(zāi)害基礎(chǔ)設(shè)施受損時(shí)，地面用戶需要應(yīng)急通信，地面網(wǎng)絡(luò)此時(shí)可能無法為用戶提供計(jì)算服務(wù)。本文考慮配備MEC 服務(wù)器的LEO衛(wèi)星為地面用戶提供服務(wù)，也可以將用戶卸載的計(jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)處的云計(jì)算中心進(jìn)行計(jì)算。

3 衛(wèi)星邊緣計(jì)算機(jī)遇、優(yōu)勢(shì)與未來展望

機(jī)遇：對(duì)于衛(wèi)星邊緣計(jì)算架構(gòu)來說，無論是產(chǎn)業(yè)界還是學(xué)術(shù)界，相關(guān)的成果都是很有限的。目前關(guān)于衛(wèi)星邊緣計(jì)算的文獻(xiàn)研究還不是很多，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還在討論和制定過程中，相關(guān)的白皮書還比較空缺，通信的技術(shù)細(xì)節(jié)還有待商榷。針對(duì)為偏遠(yuǎn)地區(qū)的用戶或者地面基礎(chǔ)設(shè)施受損需要應(yīng)急通信的用戶提供的業(yè)務(wù)來說，衛(wèi)星邊緣計(jì)算系統(tǒng)目前可能只能提供簡(jiǎn)單的話音通信業(yè)務(wù)或者視頻通信業(yè)務(wù)，所以需要對(duì)衛(wèi)星邊緣計(jì)算的業(yè)務(wù)范圍進(jìn)行擴(kuò)展，以滿足不同用戶的不同業(yè)務(wù)需求。對(duì)于這些空缺和需求，相關(guān)領(lǐng)域的機(jī)構(gòu)和人員仍然需要開展大量的工作。

衛(wèi)星邊緣計(jì)算具有很大的優(yōu)勢(shì)，主要有3 點(diǎn)：（1）計(jì)算卸載，可以為計(jì)算能力受限的地面用戶提供更強(qiáng)大的計(jì)算能力；（2）內(nèi)容緩存/存儲(chǔ)，它能夠緩存內(nèi)容并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件，以減少相同內(nèi)容的重復(fù)傳輸；（3）安全性，由于邊緣計(jì)算減少了傳輸?shù)皆浦行牡臄?shù)據(jù)數(shù)量，使得用戶數(shù)據(jù)可以在邊緣進(jìn)行處理，這大大增加了用戶信息的安全性。

計(jì)算卸載：對(duì)于計(jì)算資源有限的地面用戶，通過將計(jì)算任務(wù)卸載到具有MEC 服務(wù)器的低軌衛(wèi)星中，可以大大減少用戶處理任務(wù)所需的延遲和能耗，用戶可以得到更好的體驗(yàn)質(zhì)量。而且當(dāng)用戶處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，或者當(dāng)發(fā)生自然災(zāi)害基礎(chǔ)設(shè)施受損時(shí)，地面用戶需要應(yīng)急通信時(shí)，由于低軌衛(wèi)星具有廣泛的覆蓋范圍和高吞吐量以及優(yōu)秀的系統(tǒng)魯棒性，低軌衛(wèi)星可以為任何位置的用戶提供計(jì)算服務(wù)。

內(nèi)容緩存/存儲(chǔ)：隨著用戶數(shù)據(jù)的爆炸增長(zhǎng)，用戶每天需要處理海量的數(shù)據(jù)，尤其是多媒體數(shù)據(jù)，給移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)帶來了很大的壓力。針對(duì)數(shù)據(jù)的爆炸性增長(zhǎng)問題，其中一種有效的解決方法是使用緩存[19]來減少系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸，通過將內(nèi)容緩存在衛(wèi)星或地面站中，可以避免相同內(nèi)容的重傳，大大減少系統(tǒng)的流量。

安全性：對(duì)用戶信息的隱私保護(hù)和安全能力是MEC的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。對(duì)于傳統(tǒng)的云計(jì)算，用戶將計(jì)算任務(wù)卸載到公共的遠(yuǎn)程云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算，如AWS[20]和微軟Azure[21]。由于用戶的信息都高度集中地處理，因此這種模式下的用戶信息安全性得不到保證，很容易受到攻擊?，F(xiàn)在將用戶的信息卸載到攜帶邊緣服務(wù)器的低軌衛(wèi)星上，由于用戶的信息不再集中處理，而是在邊緣服務(wù)器上處理，因此用戶信息的安全性可以得到保障。

對(duì)6G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究，全覆蓋、大規(guī)模、快速的通信服務(wù)是一項(xiàng)重要要求，尤其是在偏遠(yuǎn)或極端環(huán)境下，為用戶提供接入服務(wù)更為重要。星地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[22]，可以覆蓋天、空、陸、海等自然空間。它可以為用戶提供全覆蓋、大規(guī)模、快速的通信服務(wù)，可以為偏遠(yuǎn)地區(qū)的用戶提供計(jì)算服務(wù)。未來的研究方向是邊緣計(jì)算在星地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，星地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、快速的通信服務(wù)?？紤]將移動(dòng)邊緣計(jì)算的思想應(yīng)用到星地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中，可以為地球上任何偏遠(yuǎn)或極端環(huán)境的用戶提供快速、安全的計(jì)算服務(wù)。

4 衛(wèi)星邊緣計(jì)算面臨的挑戰(zhàn)

雖然衛(wèi)星邊緣計(jì)算具有很多優(yōu)勢(shì)，但仍面臨以下挑戰(zhàn)：

（1）對(duì)于低軌衛(wèi)星邊緣計(jì)算場(chǎng)景，輻射是衛(wèi)星邊緣計(jì)算場(chǎng)景的一大威脅，因?yàn)樾酒菀资艿教栆吆陀钪孑椛涞挠绊慬23]。輻射會(huì)導(dǎo)致RAM 中的“位翻轉(zhuǎn)”并重新啟動(dòng)應(yīng)用程序執(zhí)行。因此，芯片的設(shè)計(jì)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

（2）低軌衛(wèi)星的能源供應(yīng)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)[24]。衛(wèi)星必須從太空收集能量以進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)處理。然而，由于低軌衛(wèi)星體積小，太陽能電池板表面積有限，衛(wèi)星上的邊緣服務(wù)器獲得的能源是有限的。對(duì)于一些需要較高能耗的計(jì)算任務(wù)，例如人工智能領(lǐng)域的一些學(xué)習(xí)類算法，直接使用衛(wèi)星上的邊緣服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算可能是比較困難的，所以低軌衛(wèi)星的能源供應(yīng)面臨挑戰(zhàn)。

（3）在太空中，衛(wèi)星的狀態(tài)是一直高速動(dòng)態(tài)變化的。很多時(shí)候，對(duì)于一些較復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，衛(wèi)星可能無法在一次對(duì)地面用戶服務(wù)時(shí)間范圍內(nèi)完成這個(gè)計(jì)算任務(wù)，所以任務(wù)的遷徙[25]與計(jì)算任務(wù)的卸載比例問題[26]是一個(gè)需要考慮的問題。而且在不同的時(shí)刻，衛(wèi)星邊緣服務(wù)器的資源狀態(tài)也是不同的，對(duì)于不同用戶生成的不同的計(jì)算任務(wù)，如何動(dòng)態(tài)地進(jìn)行資源分配也是需要解決的問題。

（4）長(zhǎng)傳播延遲是衛(wèi)星邊緣計(jì)算的一個(gè)挑戰(zhàn)。在星地鏈路中，往往會(huì)有比較大的單向延遲，這種延遲通常會(huì)降低實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的性能。在太空中，星群的行為和架構(gòu)是通過地面站統(tǒng)一調(diào)配控制的，這些復(fù)雜的控制過程是通過信令交互實(shí)現(xiàn)的[27]，而在星地之間遠(yuǎn)距離的多重信令交互過程中，可能會(huì)影響系統(tǒng)的服務(wù)響應(yīng)速度。另一方面，在一些時(shí)候，衛(wèi)星和地面站之間的下行鏈路不可靠。衛(wèi)星相對(duì)于地面站的高移動(dòng)性[28]使衛(wèi)星邊緣計(jì)算復(fù)雜化，并限制了鏈路可用性。因此，間歇性可用的下行鏈路會(huì)在衛(wèi)星邊緣計(jì)算中產(chǎn)生高延遲[29]，這種高延遲有時(shí)可能無法滿足6G 所需的服務(wù)時(shí)延需求，會(huì)影響用戶的體驗(yàn)質(zhì)量[30]。

5 結(jié)論

由于邊緣服務(wù)器相比于用戶終端有更強(qiáng)大的計(jì)算能力和快速的響應(yīng)速度，低軌衛(wèi)星有廣泛的覆蓋范圍，可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全覆蓋，因此，考慮在低軌衛(wèi)星上部署邊緣服務(wù)器，為偏遠(yuǎn)地區(qū)的用戶或者遇到自然災(zāi)害導(dǎo)致地面基礎(chǔ)設(shè)施受損時(shí)需要應(yīng)急通信的用戶提供計(jì)算服務(wù)。本文首先對(duì)MEC 技術(shù)和低軌衛(wèi)星進(jìn)行了基本介紹；接著闡述了衛(wèi)星邊緣計(jì)算的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀；然后描述了一種衛(wèi)星邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)，針對(duì)該架構(gòu)，詳細(xì)地討論了結(jié)構(gòu)中各個(gè)模塊的功能并給出了該架構(gòu)不同的應(yīng)用場(chǎng)景；最后本文總結(jié)了衛(wèi)星邊緣計(jì)算的機(jī)遇、優(yōu)勢(shì)、未來的展望和面臨的挑戰(zhàn)。