CN114465653A - 一种面向卫星集群的在轨边缘计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向卫星集群的在轨边缘计算方法，其基于“云‑边‑端”数据交互与处理架构实施，包括：当卫星集群中某颗卫星的边缘计算平台上有应用程序运行时，当前卫星的边缘计算平台通过星间通信单元搜集卫星集群中其他卫星的网络带宽信息和空闲计算资源；当前卫星的边缘计算平台通过边缘计算任务卸载决策公式，决定是否将当前卫星的部分计算任务卸载给其他卫星的边缘计算平台进行处理；待当前卫星及其他接收边缘计算任务的卫星运算结束后，当前卫星将计算结果整合，并下传至地面终端和/或卫星地面应用中心。本发明的方法实现了卫星集群、卫星地面应用中心、地面终端间的计算资源的共享，提升了计算资源的利用率和卫星应用程序的移植性。

Description

一种面向卫星集群的在轨边缘计算方法
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种面向卫星集群的在轨边缘计算方法。
背景技术
在轨数据处理可有效提升星地通信链路的传输效率和降低卫星的服务响应时间，是卫星能力发展的重要方向之一。此外，随着卫星单星计算能力的不断提升，如何有效利用星上计算资源，为多样化的卫星应用提供服务，一直是个难点问题。同时，近年来随着卫星集群/星座成为卫星部署的新方式，如何实现卫星集群间的计算资源高效协同利用成为研究热点。
现有技术中，卫星在轨计算主要为本星的有效载荷数据处理服务，而且应用程序直接安装并运行在物理计算单位上。现有卫星在轨数据处理方式存在以下问题：1)应用程序直接安装在物理计算单元上，由于应用程序包含各类插件、链接库等，因此，应用程序在星间的移植性较弱；2)由于星地通信链路资源有限，很难通过卫星地面应用中心实现细粒度的星间计算资源的共享。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种面向卫星集群的在轨边缘计算方法，所述面向卫星集群的在轨边缘计算方法基于“云-边-端”数据交互与处理架构实施，所述“云-边-端”数据交互与处理架构由卫星集群和卫星地面应用中心构成，其中，卫星集群包括多颗卫星，每颗卫星包含星间通信单元、星地通信单元、边缘计算平台，卫星地面应用中心包括云计算平台、地面终端和地面传感器，卫星的边缘计算平台通过星间通信单元进行交互，卫星的边缘计算平台与云计算平台、地面终端和地面传感器通过星地通信单元进行交互；卫星的边缘计算平台包括计算资源、管理计算资源的边缘计算框架、安装并运行应用程序的应用程序容器，其中：
所述面向卫星集群的在轨边缘计算方法包括卫星集群中卫星的边缘计算平台之间相互卸载计算任务，具体包括如下内容：
1)当卫星集群中某颗卫星的边缘计算平台上有应用程序运行时，当前卫星的边缘计算平台通过星间通信单元搜集卫星集群中其他卫星的网络带宽信息和空闲计算资源；
2)当前卫星的边缘计算平台通过如下边缘计算任务卸载决策公式，决定是否将当前卫星的部分计算任务卸载给其他卫星的边缘计算平台进行处理：
Figure BDA0003435345310000021
其中，C为当前卫星可以卸载给其他卫星的边缘计算任务量，C0为当前卫星可用的计算资源，D为当前卫星卸载边缘计算任务量C给其他卫星的边缘计算平台时需要传输的代码和数据量，Dr为运算边缘计算任务量C的结果数据量，Ci为第i颗卫星可用的空闲计算资源，Bi为当前卫星与第i颗卫星间的网络带宽，N为除当前卫星以外卫星集群中卫星的总数；
3)待当前卫星及其他接收边缘计算任务的卫星运算结束后，当前卫星将计算结果整合，并下传至地面终端和/或卫星地面应用中心。
进一步地，上述面向卫星集群的在轨边缘计算方法还包括地面终端向卫星集群中卫星的边缘计算平台卸载边缘计算任务，具体包括如下内容：
1)当地面终端选择将地面终端的部分计算任务卸载给卫星的边缘计算平台进行处理时，当前地面终端通过星地通信单元搜集卫星的网络带宽信息和空闲计算资源；
2)当前地面终端通过如下边缘计算任务卸载决策公式，决定是否将地面终端的部分计算任务卸载给卫星的边缘计算平台进行处理：
Figure BDA0003435345310000022
其中，T为当前地面终端可以卸载给卫星的边缘计算平台的边缘计算任务量，T0为当前地面终端可用的计算资源，S为当前地面终端卸载边缘计算任务量T给卫星的边缘计算平台时需要传输的代码和数据量，Sr为运算边缘计算任务量T的结果数据量，Ti为第i颗卫星可用的空闲计算资源，Wi为当前地面终端与第i颗卫星间的网络带宽。
进一步地，上述面向卫星集群的在轨边缘计算方法还包括：地面传感器直接将数据发送至卫星的边缘计算平台进行处理，卫星的边缘计算平台将处理结果再发送至卫星地面应用中心。
进一步地，在上述面向卫星集群的在轨边缘计算方法中，卫星集群中应用程序初始镜像存储在所有卫星的边缘计算平台应用程序容器中，实现卫星上应用程序的容器化管理。
本发明的基于“云-边-端”数据交互与处理架构的面向卫星集群的在轨边缘计算方法可实现卫星集群、卫星地面应用中心、地面终端间的计算资源的自主管理和共享，可有效提升整个系统内计算资源的利用率，提升卫星的在轨服务能力，降低能源开销。
本发明的基于“云-边-端”数据交互与处理架构的面向卫星集群的在轨边缘计算方法采用容器化的方式部署和管理卫星上应用程序，可有效提升卫星应用程序的移植性。
本发明的基于“云-边-端”数据交互与处理架构的面向卫星集群的在轨边缘计算方法利用边缘计算任务卸载决策公式判定是否卸载边缘计算任务，能在保证不增加能源消耗的情况下，提升数据处理速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，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。在附图中：
图1为本发明的面向卫星集群的在轨边缘计算方法所用的“云-边-端”数据交互与处理架构示意图。
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，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的面向卫星集群的在轨边缘计算方法基于“云-边-端”数据交互与处理架构实施，如图1所示，该“云-边-端”数据交互与处理架构由卫星集群和卫星地面应用中心构成，其中，卫星集群包括多颗卫星，每颗卫星包含星间通信单元、星地通信单元、边缘计算平台，卫星地面应用中心包括云计算平台、地面终端和地面传感器，卫星的边缘计算平台通过星间通信单元进行交互，卫星的边缘计算平台与云计算平台、地面终端和地面传感器通过星地通信单元进行交互。
在上述“云-边-端”数据交互与处理架构中，“云”为卫星地面应用中心的云计算平台，“边”为卫星集群中卫星上的边缘计算平台，“端”为地面终端和地面传感器。
在上述“云-边-端”数据交互与处理架构中，卫星的边缘计算平台包括计算资源、管理计算资源的边缘计算框架、安装并运行应用程序的应用程序容器。边缘计算框架对下实现对计算资源的虚拟化管理，为上层容器运行提供统一化的资源抽象；对上实现对容器、应用程序镜像、应用程序运行时的资源分配等进行管理。
基于上述“云-边-端”数据交互与处理架构，本发明的面向卫星集群的在轨边缘计算方法包括卫星集群中卫星的边缘计算平台之间相互卸载计算任务，从而实现计算资源共享，具体包括如下内容：
1)当卫星集群中某颗卫星的边缘计算平台上有应用程序运行时，当前卫星的边缘计算平台通过星间通信单元搜集卫星集群中其他卫星的网络带宽信息和空闲计算资源；
2)当前卫星的边缘计算平台通过如下边缘计算任务卸载决策公式，决定是否将当前卫星的部分计算任务卸载给其他卫星的边缘计算平台进行处理：
Figure BDA0003435345310000041
其中，C为当前卫星可以卸载给其他卫星的边缘计算任务量，C0为当前卫星可用的计算资源，D为当前卫星卸载边缘计算任务量C给其他卫星的边缘计算平台时需要传输的代码和数据量，Dr为运算边缘计算任务量C的结果数据量，Ci为第i颗卫星可用的空闲计算资源，Bi为当前卫星与第i颗卫星间的网络带宽，N为除当前卫星以外卫星集群中卫星的总数；
3)待当前卫星及其他接收边缘计算任务的卫星运算结束后，当前卫星将计算结果整合，并下传至地面终端和/或卫星地面应用中心。
进一步地，由于地面终端自身具有一定的计算能力，其可以选择卸载部分运算任务到卫星集群中某个卫星的边缘计算平台进行处理，从而降低自身的能源消耗，因此，本发明的面向卫星集群的在轨边缘计算方法还可以包括地面终端向卫星集群中卫星的边缘计算平台卸载边缘计算任务，具体包括如下内容：
1)当地面终端选择将地面终端的部分计算任务卸载给卫星的边缘计算平台进行处理时，当前地面终端通过星地通信单元搜集卫星的网络带宽信息和空闲计算资源；
2)当前地面终端通过如下边缘计算任务卸载决策公式，决定是否将地面终端的部分计算任务卸载给卫星的边缘计算平台进行处理：
Figure BDA0003435345310000042
其中，T为当前地面终端可以卸载给卫星的边缘计算平台的边缘计算任务量，T0为当前地面终端可用的计算资源，S为当前地面终端卸载边缘计算任务量T给卫星的边缘计算平台时需要传输的代码和数据量，Sr为运算边缘计算任务量T的结果数据量，Ti为第i颗卫星可用的空闲计算资源，Wi为当前地面终端与第i颗卫星间的网络带宽。
进一步地，由于地面传感器自身计算能力相对有限，而且通常采用大规模部署，因此，本发明的面向卫星集群的在轨边缘计算方法还可以包括：地面传感器直接将数据发送至卫星的边缘计算平台进行处理，卫星的边缘计算平台将处理结果再发送至卫星地面应用中心。
进一步地，在本发明的面向卫星集群的在轨边缘计算方法中，可将卫星集群中应用程序初始镜像都存储在所有卫星的边缘计算平台应用程序容器中，后续只需要更新最上层镜像即可得到最新的应用程序运行环境，由此可以降低星间和星地传输应用程序镜像带来的网络压力，同时，采用容器化的方式管理卫星上的应用程序，可有效提升卫星应用程序的移植性。
综上所述，与现有技术相比，本发明提出的基于“云-边-端”数据交互与处理架构的面向卫星集群的在轨边缘计算方法具有如下优点和有益效果：
(1)可实现卫星集群、卫星地面应用中心、地面终端间的计算资源的自主管理和共享，可有效提升整个系统内计算资源的利用率，提升卫星的在轨服务能力，降低能源开销。
(2)采用容器化的方式部署和管理卫星上应用程序，可有效提升卫星应用程序的移植性。
(3)利用边缘计算任务卸载决策公式判定是否卸载边缘计算任务，能在保证不增加能源消耗的情况下，提升数据处理速度。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种面向卫星集群的在轨边缘计算方法，所述面向卫星集群的在轨边缘计算方法基于“云-边-端”数据交互与处理架构实施，所述“云-边-端”数据交互与处理架构由卫星集群和卫星地面应用中心构成，其中，卫星集群包括多颗卫星，每颗卫星包含星间通信单元、星地通信单元、边缘计算平台，卫星地面应用中心包括云计算平台、地面终端和地面传感器，卫星的边缘计算平台通过星间通信单元进行交互，卫星的边缘计算平台与云计算平台、地面终端和地面传感器通过星地通信单元进行交互；卫星的边缘计算平台包括计算资源、管理计算资源的边缘计算框架、安装并运行应用程序的应用程序容器，其特征在于：
所述面向卫星集群的在轨边缘计算方法包括卫星集群中卫星的边缘计算平台之间相互卸载计算任务，具体包括如下内容：
1)当卫星集群中某颗卫星的边缘计算平台上有应用程序运行时，当前卫星的边缘计算平台通过星间通信单元搜集卫星集群中其他卫星的网络带宽信息和空闲计算资源；
2)当前卫星的边缘计算平台通过如下边缘计算任务卸载决策公式，决定是否将当前卫星的部分计算任务卸载给其他卫星的边缘计算平台进行处理：
Figure FDA0003435345300000011
其中，C为当前卫星可以卸载给其他卫星的边缘计算任务量，C0为当前卫星可用的计算资源，D为当前卫星卸载边缘计算任务量C给其他卫星的边缘计算平台时需要传输的代码和数据量，Dr为运算边缘计算任务量C的结果数据量，Ci为第i颗卫星可用的空闲计算资源，Bi为当前卫星与第i颗卫星间的网络带宽，N为除当前卫星以外卫星集群中卫星的总数；
3)待当前卫星及其他接收边缘计算任务的卫星运算结束后，当前卫星将计算结果整合，并下传至地面终端和/或卫星地面应用中心。
2.根据权利要求1所述的面向卫星集群的在轨边缘计算方法，其特征在于，还包括地面终端向卫星集群中卫星的边缘计算平台卸载边缘计算任务，具体包括如下内容：
1)当地面终端选择将地面终端的部分计算任务卸载给卫星的边缘计算平台进行处理时，当前地面终端通过星地通信单元搜集卫星的网络带宽信息和空闲计算资源；
2)当前地面终端通过如下边缘计算任务卸载决策公式，决定是否将地面终端的部分计算任务卸载给卫星的边缘计算平台进行处理：
Figure FDA0003435345300000012
其中，T为当前地面终端可以卸载给卫星的边缘计算平台的边缘计算任务量，T0为当前地面终端可用的计算资源，S为当前地面终端卸载边缘计算任务量T给卫星的边缘计算平台时需要传输的代码和数据量，Sr为运算边缘计算任务量T的结果数据量，Ti为第i颗卫星可用的空闲计算资源，Wi为当前地面终端与第i颗卫星间的网络带宽。
3.根据权利要求1所述的面向卫星集群的在轨边缘计算方法，其特征在于，还包括：地面传感器直接将数据发送至卫星的边缘计算平台进行处理，卫星的边缘计算平台将处理结果再发送至卫星地面应用中心。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的面向卫星集群的在轨边缘计算方法，其特征在于，卫星集群中应用程序初始镜像存储在所有卫星的边缘计算平台应用程序容器中，实现卫星上应用程序的容器化管理。
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