CN115459828A - 一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移系统，包括：地面云数据中心，与低轨卫星通信连接，用于提供用户终端所需的应用服务、以及完成对低轨卫星上运行的边缘算法的训练支持；多个低轨卫星，低轨卫星部署有边缘计算服务器，低轨卫星与用户终端通信连接，不同的低轨卫星之间通信连接，多个相邻的低轨卫星能够构成在轨边缘微云，在轨边缘微云用于缓存地面云数据中心生成的应用程序、以及为用户终端提供实时应用服务；以及用户终端。以及还公开了四种用于上述的服务自主迁移系统的服务自主迁移方法。本发明的系统及方法能实现低轨卫星构成的在轨边缘微云、地面云数据中心和用户终端之间的服务自主迁移，且服务响应时延低，服务质量高。

Description

一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移方法

技术领域

本发明涉及无线通信网络技术领域，尤其涉及一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移系统及方法。

背景技术

当前，低轨(Low Earth Orbit，LEO)卫星星座正处于高速发展阶段，星链、一网、鸿雁和虹云等LEO卫星星座建设计划陆续发布，旨在部署成百上千颗LEO小卫星，完成全球组网和通信覆盖，进而实现为全球用户提供高速率、低时延的卫星宽带互联网服务。为了提高LEO卫星的在轨计算、通信和缓存能力，目前有一些研究将边缘计算服务器直接部署在LEO卫星上形成卫星边缘计算节点，即卫星边节点。基于星间通信网络，多个邻近的卫星边节点组网构成单个卫星星群，即在轨边缘微云，以实现多星协同计算、通信和缓存，以此来减少星地和星间网络的业务数据传输时延和传输所需带宽资源，使得LEO卫星星座可以为用户终端提供更快速和更高质量的服务。

针对现有的在轨边缘微云，卫星边节点的计算平台上运行着多种边缘计算应用程序，可以为用户终端提供多种应用服务。但是，由于LEO卫星移动速度较快，而用户终端的位置相对固定且移动速度较慢，因此用户终端需要频繁地进行服务卫星边节点的切换。在进行服务卫星边节点切换时，源卫星边节点需要将用户终端所需的边缘计算应用程序自主迁移到目标卫星边节点。此时，服务迁移的效率和质量会对用户终端的服务质量造成很大的影响。然而，现有的在轨边缘微云服务迁移系统及方法仅能够实现点对点的应用服务单迁移，并未考虑点对多点的应用服务多迁移，迁移效率低，服务迁移时间较长，导致用户终端的服务质量较差。

因此，本领域需要一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移系统及方法，其可消除或至少缓解上述现有技术中的全部或部分缺陷。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移系统及方法。

本发明的技术方案如下：

第一方面，提供了一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移系统，所述系统包括：

地面云数据中心，与低轨卫星通信连接，用于提供用户终端所需的应用服务、以及完成对所述低轨卫星上运行的边缘算法的训练支持；

低轨卫星星座，包括多个所述低轨卫星，所述低轨卫星部署有边缘计算服务器，所述低轨卫星与所述用户终端通信连接，不同的所述低轨卫星之间通信连接，多个相邻的所述低轨卫星能够构成在轨边缘微云，所述在轨边缘微云用于缓存所述地面云数据中心生成的应用程序、以及为所述用户终端提供实时应用服务；

以及所述用户终端。

第二方面，还提供了一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移方法，所述方法用于上述的服务自主迁移系统，包括：

步骤1.1，地面云数据中心开发多个软件应用并制作应用镜像；

步骤1.2，地面云数据中心将包括迁移任务和迁移需求的应用服务迁移请求发送给自身服务范围内的一个未部署应用的低轨卫星；

步骤1.3，低轨卫星根据应用服务迁移需求、自身状态信息和星地通信网络资源，进行通信资源调度，并发送迁移请求应答消息到地面云数据中心；

步骤1.4，地面云数据中心在接收到低轨卫星的应答消息后，开始进行应用服务迁移，将应用镜像上传到低轨卫星；

步骤1.5，低轨卫星接收应用镜像并进行镜像加载工作，在完成应用部署后返回迁移完成消息到地面云数据中心；

步骤1.6，重复步骤1.2至步骤1.5；同时，已部署应用的低轨卫星将应用镜像分发给其他未部署应用的低轨卫星，未部署应用的低轨卫星接收应用镜像并进行镜像加载工作，在完成应用部署后返回迁移完成消息到分发应用镜像的低轨卫星，并重复执行此过程，直至所有低轨卫星完成应用部署。

在一些可能的实现方式中，利用以下公式计算完成全星座所有低轨卫星服务迁移所需的迁移时间；

T₁＝t₁₁+min((d₁₁-1)(t₁₁+t₃)，d₁₂t₁₂)

其中，T₁表示完成全星座所有低轨卫星服务迁移所需的迁移时间，t₁₁表示进行一次从地面云数据中心到低轨卫星的云边服务迁移所需时间，d₁₁表示从地面云数据中心到低轨卫星的云边服务迁移次数，d₁₂表示不包括并行完成的从低轨卫星到低轨卫星的边边服务迁移次数，t₁₂表示进行一次从低轨卫星到低轨卫星的边边服务迁移所需时间，t₃表示相邻的两个低轨卫星经过地面云数据中心上方的间隔时间。

第三方面，还提供了一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移方法，所述方法用于上述的服务自主迁移系统，包括：

步骤2.1，低轨卫星进行自身状态变化检测；

步骤2.2，当存在低轨卫星能够连接地面云数据中心时，低轨卫星将包括迁移任务和迁移需求的应用服务迁移请求发送给可连接的地面云数据中心；

步骤2.3，地面云数据中心根据应用服务迁移需求、自身状态信息以及星地通信网络资源，进行通信资源调度，并发送迁移请求应答消息到低轨卫星；

步骤2.4，低轨卫星在接收到地面云数据中心的应答消息后，开始进行卫星状态信息迁移，将自身状态信息和接收到的其他低轨卫星的状态信息下传到地面云数据中心；

步骤2.5，重复步骤2.2至步骤2.4，直至地面云数据中心接收到所有低轨卫星的状态信息；

其中，在执行步骤2.2至步骤2.4的过程中，未完成状态信息下传的低轨卫星将自身状态信息分发给下一个能够连接地面云数据中心的低轨卫星，低轨卫星接收状态信息并进行星上信息处理，在完成信息处理后返回迁移完成消息到分发状态信息的低轨卫星。

在一些可能的实现方式中，利用以下公式计算完成全星座所有低轨卫星状态信息迁移所需的迁移时间；

T₂＝t₂₁+(d₂₁-1)(t₂₁+t₃)

其中，T₂表示完成全星座所有低轨卫星状态信息迁移所需的迁移时间，t₂₁表示进行一次从低轨卫星到地面云数据中心的状态信息迁移所需时间，d₂₁表示从低轨卫星到地面云数据中心的状态信息迁移次数，t₃表示相邻的两个低轨卫星经过地面云数据中心上方的间隔时间。

第四方面，还提供了一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移方法，所述方法用于上述的服务自主迁移系统，包括：

步骤3.1，当前在轨边缘微云中的低轨卫星进行用户终端连接状态检测，若检测到用户终端处于通信连接中断状态，将用户终端所需的数据包发送给下一时刻距离用户终端最近的低轨卫星；

步骤3.2，低轨卫星接收数据包并进行星上信息处理，在完成信息处理后返回数据接收成功消息到发送数据包的低轨卫星；

步骤3.3，接收数据包的低轨卫星将组网控制信息和用户终端所需的数据包分发给邻近的低轨卫星；

步骤3.4，低轨卫星接收组网控制信息和数据包并进行星上信息处理和路由更新，在完成信息处理和路由更新后返回数据接收成功消息到分发数据包的低轨卫星；

步骤3.5，重复步骤3.3至步骤3.4，直至组网的低轨卫星能够构成为用户终端提供实时应用服务的在轨边缘微云。

在一些可能的实现方式中，利用以下公式计算完成在轨边缘微云服务重建所需的迁移时间；

T₃＝t₃₁+t₃₂

其中，T₃表示完成在轨边缘微云服务重建所需的迁移时间，t₃₁表示当前在轨边缘微云中的低轨卫星将用户终端所需的数据包发送给下一时刻距离用户终端最近的低轨卫星所需的时间，t₃₂表示距离用户终端最近的低轨卫星将组网控制信息和用户终端所需的数据包分发给邻近的低轨卫星所需的总时间。

第五方面，还提供了一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移方法，所述方法用于上述的服务自主迁移系统，包括：

步骤4.1，低轨卫星生成应用服务状态数据，并将应用服务状态数据发送给其覆盖范围内的用户终端；

步骤4.2，用户终端接收应用服务状态数据，进行数据解析和端状态更新。

在一些可能的实现方式中，利用以下公式计算完成边端应用服务状态数据迁移所需的迁移时间；

T₄＝t₄₁+t₄₂+t₄₃+t₄₄

其中，T₄表示完成边端应用服务状态数据迁移所需的迁移时间，t₄₁表示低轨卫星将应用服务状态数据发送给用户终端所需的时间，t₄₂表示用户终端完成数据接收所需的时间，t₄₃表示用户终端进行数据解析所需的时间，t₄₄表示用户终端进行端状态更新所需的时间。

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移系统及方法能够实现低轨卫星构成的在轨边缘微云、地面云数据中心和用户终端之间的服务自主迁移，通过将地面云数据中心生成的软件应用提前部署到在轨边缘微云的低轨卫星中，使得用户终端可以直接从边缘侧获取应用服务，进而降低服务响应时延，提高服务质量；并且，能够将低轨卫星的状态信息回传到地面云数据中心，完成对星载边缘算法的训练支持，降低低轨卫星的制造成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一实施例的面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例的一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移方法的流程图；

图3为图2所示的服务自主迁移方法对应的时序示意图；

图4为本发明一实施例的另一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移方法的流程图；

图5为图4所示的服务自主迁移方法对应的时序示意图；

图6为本发明一实施例的又一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移方法的流程图；

图7为图6所示的服务自主迁移方法对应的时序示意图；

图8为本发明一实施例的又一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移方法的流程图；

图9为图8所示的服务自主迁移方法对应的时序示意图。

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。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

参见图1，第一方面，本发明一实施例提供了一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移系统，该系统包括：

地面云数据中心，与低轨卫星通信连接，用于提供用户终端所需的应用服务、以及完成对低轨卫星上运行的边缘算法的训练支持；

低轨卫星星座，包括多个低轨卫星，低轨卫星部署有边缘计算服务器，低轨卫星与用户终端通信连接，不同的低轨卫星之间通信连接，多个相邻的低轨卫星能够构成在轨边缘微云，在轨边缘微云用于缓存地面云数据中心生成的应用程序、以及为用户终端提供实时应用服务；

以及用户终端。

本发明一实施例中，地面云数据中心可以采用服务器集群构成，以保证地面云数据中心具有强大的计算能力和存储能力，以用于提供用户终端所需的应用服务、以及完成对低轨卫星运行的边缘算法的训练支持，包括模型、算法和数据的后台支持等。

本发明一实施例中，低轨卫星通过星地通信网络与地面云数据中心和用户终端通信连接，不同的低轨卫星之间通过星间通信网络通信连接。其中，星地通信链路可以采用微波频段，星间通信链路可以采用微波或激光频段。

本发明一实施例中，用户终端可以包括地面用户终端和/或空中用户终端，例如手机终端，无人机等。

本发明一实施例提供的面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移系统能够实现低轨卫星构成的在轨边缘微云、地面云数据中心和用户终端之间的服务自主迁移，通过将地面云数据中心生成的软件应用提前部署到在轨边缘微云的低轨卫星中，使得用户终端可以直接从边缘侧获取应用服务，进而降低服务响应时延，提高服务质量；并且，能够将低轨卫星的状态信息回传到地面云数据中心，完成对星载边缘算法的训练支持，降低低轨卫星的制造成本。

第二方面，参见图2-3，本发明一实施例还提供了一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移方法，该方法用于上述的服务自主迁移系统，包括以下步骤：

步骤1.1，地面云数据中心开发多个软件应用并制作应用镜像；

步骤1.2，地面云数据中心将包括迁移任务和迁移需求的应用服务迁移请求发送给自身服务范围内的一个未部署应用的低轨卫星；

步骤1.3，低轨卫星根据应用服务迁移需求、自身状态信息和星地通信网络资源，进行通信资源调度，并发送迁移请求应答消息到地面云数据中心；

步骤1.4，地面云数据中心在接收到低轨卫星的应答消息后，开始进行应用服务迁移，将应用镜像上传到低轨卫星；

步骤1.5，低轨卫星接收应用镜像并进行镜像加载工作，在完成应用部署后返回迁移完成消息到地面云数据中心；

步骤1.6，重复步骤1.2至步骤1.5；同时，已部署应用的低轨卫星将应用镜像分发给其他未部署应用的低轨卫星，未部署应用的低轨卫星接收应用镜像并进行镜像加载工作，在完成应用部署后返回迁移完成消息到分发应用镜像的低轨卫星，并重复执行此过程，直至所有低轨卫星完成应用部署。

在上述步骤中，地面云数据中心通过星地通信网络将应用镜像上传到低轨卫星，已部署应用的低轨卫星通过星间通信网络将应用镜像分发给其他未部署应用的低轨卫星。

本发明一实施例中，利用上述步骤，能够实现云边全星座服务迁移，云边全星座服务迁移表示：地面云数据中心通过星地通信网络和星间通信网络将本地服务系统中的应用软件部署到全星座所有的低轨卫星中，低轨卫星根据服务迁移内容和任务管理调度软件启动软件服务。该云边全星座服务迁移的时间为从地面云数据中心开始向低轨卫星发送应用服务迁移请求到全星座所有低轨卫星完成应用部署且形成服务能力时的时间。

根据上述步骤，云边全星座服务迁移过程包含了若干个从地面云数据中心到低轨卫星的应用迁移的云边迁移过程、以及若干个从低轨卫星到低轨卫星的应用迁移的边边迁移过程。因此，在计算云边全星座服务迁移时间时，需要先确定单个云边迁移过程所需时间和单个边边迁移过程所需时间，再依据低轨卫星星座部署参数和运动状态参数分析给定时间范围内经过地面云数据中心的服务范围的低轨卫星数量和不经过地面云数据中心的服务范围的卫星数量，而后利用仿真软件和采用的路由策略确定遍历全星座所需的云边服务迁移次数和边边服务迁移次数，从而计算得到云边全星座服务迁移时间。

其中，在单个云边迁移过程中，迁移时间包括在轨服务响应时间和星地上行传输时延两部分。在轨服务响应时间为在轨边缘微云收到启动指令后加载镜像、启动好应用软件，直至应用软件具备提供服务能力所需的时间。星地上行传输时延为应用软件从地面云数据中心传输到低轨卫星过程中产生的时间，其与应用软件包大小和星地通信链路传输速率相关。在单个边边迁移过程中，迁移时间包括在轨服务响应时间和星间传输时延两部分。边边迁移过程中的在轨服务响应时间与云边迁移过程中的在轨服务响应时间相同，星间传输时延为应用软件从一个低轨卫星传输到另一个低轨卫星过程中产生的时间，其与应用软件包大小和星间通信链路传输速率相关。

具体地，设定：低轨卫星运行轨道高度为500km，低轨卫星星座网络节点规模为NM个，星座具有N个轨道面，每轨具有M颗星，星地链路上行通信速率为b₁ Mbps，星间链路通信速率为c Mbps，应用镜像大小为s₁ Mb，在轨边缘微云服务响应时间为g₁ s，k小时内经过地面云数据中心服务范围的卫星数量为w个，通过STK仿真软件和所采用的路由策略得到遍历全星座所需的从地面云数据中心到低轨卫星的云边服务迁移次数为d₁₁、不包括并行完成的从低轨卫星到低轨卫星的边边服务迁移次数为d₁₂、以及相邻的两个低轨卫星经过地面云数据中心上方的间隔时间t₃。

基于上述设定，可以利用以下公式计算完成全星座所有低轨卫星服务迁移所需的迁移时间，即云边全星座服务迁移时间：

T₁＝t₁₁+min((d₁₁-1)(t₁₁+t₃)，d₁₂t₁₂)

其中，T₁表示完成全星座所有低轨卫星服务迁移所需的迁移时间，t₁₁表示进行一次从地面云数据中心到低轨卫星的云边服务迁移所需时间，t₁₁＝s₁/b₁+g₁，t₁₂表示进行一次从低轨卫星到低轨卫星的边边服务迁移所需时间，t₁₂＝s₁/c+g₁。

第三方面，参见图4-5，本发明一实施例还提供了另一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移方法，该方法用于上述的服务自主迁移系统，包括以下步骤：

步骤2.1，低轨卫星进行自身状态变化检测；

步骤2.2，当存在低轨卫星能够连接地面云数据中心时，低轨卫星将包括迁移任务和迁移需求的应用服务迁移请求发送给可连接的地面云数据中心；

步骤2.3，地面云数据中心根据应用服务迁移需求、自身状态信息以及星地通信网络资源，进行通信资源调度，并发送迁移请求应答消息到低轨卫星；

步骤2.4，低轨卫星在接收到地面云数据中心的应答消息后，开始进行卫星状态信息迁移，将自身状态信息和接收到的其他低轨卫星的状态信息下传到地面云数据中心；

步骤2.5，重复步骤2.2至步骤2.4，直至地面云数据中心接收到所有低轨卫星的状态信息；

其中，在执行步骤2.2至步骤2.4的过程中，未完成状态信息下传的低轨卫星将自身状态信息分发给下一个能够连接地面云数据中心的低轨卫星，低轨卫星接收状态信息并进行星上信息处理，在完成信息处理后返回迁移完成消息到分发状态信息的低轨卫星。

在上述步骤中，低轨卫星通过星地通信网络将状态信息下传到地面云数据中心，未完成状态信息下传的低轨卫星通过星间通信网络将自身状态信息分发给下一个能够连接地面云数据中心的低轨卫星。

本发明一实施例中，利用上述步骤，能够实现边云全星座服务迁移，边云全星座服务迁移表示：全星座所有的低轨卫星通过星间通信网络和星地通信网络将自身服务运行状态、人工智能边云协同增量学习模型等信息迁移至地面云数据中心，地面云数据中心根据服务迁移内容和任务管理调度软件进行服务响应。该边云全星座服务迁移的时间为低轨卫星状态变化时刻开始到地面云数据中心形成更新的参数化模型的时间。

根据上述步骤，边云全星座服务迁移过程包含了若干个从低轨卫星到地面云数据中心的信息迁移的边云迁移过程、以及若干个从低轨卫星到低轨卫星的信息迁移的边边迁移过程。因此，在计算边云全星座服务迁移时间时，需要先确定单个边云迁移过程所需时间和单个边边迁移过程所需时间，再依据低轨卫星星座部署参数和运动状态参数分析给定时间范围内经过地面云数据中心的服务范围的低轨卫星数量和不经过地面云数据中心的服务范围的卫星数量，而后利用仿真软件和采用的路由策略确定遍历全星座所需的边云迁移次数，从而计算得到边云全星座服务迁移时间。

其中，在单个边云迁移过程中，迁移时间包括地面服务响应时间和星地下行传输时延两部分，地面服务响应时间为地面云数据中心收到低轨卫星的状态信息后完成参数化模型更新所需的时间，星地下行传输时延为状态信息从低轨卫星传输到地面云数据中心过程中产生的时间，其与状态信息包大小和星地通信链路传输速率相关。在单个边边迁移过程中，迁移时间包括在轨服务响应时间和星间传输延迟两部分，在轨服务响应时间为低轨卫星完成状态信息处理所需的时间，星间传输延迟为状态信息从一个低轨卫星传输到另一个低轨卫星过程中产生的时间，其与状态信息包大小和星间通信链路传输速率相关。

具体地，设定：低轨卫星运行轨道高度为500km，低轨卫星星座网络节点规模为NM个，星座具有N个轨道面，每轨具有M颗星，星地链路下行通信速率为b₂ Mbps，星间链路通信速率为c Mbps，低轨卫星状态信息包大小为s₂ Mb，在轨边缘微云服务响应时间为g₂ s，k小时内经过地面云数据中心服务范围的卫星数量为w个，通过STK仿真软件和所采用的路由策略得到遍历全星座所需的从低轨卫星到地面云数据中心的信息迁移次数为d₂₁、低轨卫星到低轨卫星的信息迁移次数为d₂₂、以及相邻的两个低轨卫星经过地面云数据中心上方的间隔时间t₃。

基于上述设定，由于低轨卫星到低轨卫星的信息迁移过程能够在进行从低轨卫星到地面云数据中心的信息迁移过程并行完成，因此可以利用以下公式计算完成全星座所有低轨卫星状态信息迁移所需的迁移时间，即边云全星座服务迁移时间：

T₂＝t₂₁+(d₂₁-1)(t₂₁+t₃)

其中，T₂表示完成全星座所有低轨卫星状态信息迁移所需的迁移时间，t₂₁表示进行一次从低轨卫星到地面云数据中心的状态信息迁移所需时间，t₂₁＝s₂/b₂+g₂。

第四方面，参见图6-7，本发明一实施例还提供了另一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移方法，该方法用于上述的服务自主迁移系统，包括以下步骤：

步骤3.1，当前在轨边缘微云中的低轨卫星进行用户终端连接状态检测，若检测到用户终端处于通信连接中断状态，将用户终端所需的数据包发送给下一时刻距离用户终端最近的低轨卫星；

步骤3.2，低轨卫星接收数据包并进行星上信息处理，在完成信息处理后返回数据接收成功消息到发送数据包的低轨卫星；

步骤3.3，接收数据包的低轨卫星将组网控制信息和用户终端所需的数据包分发给邻近的低轨卫星；

步骤3.4，低轨卫星接收组网控制信息和数据包并进行星上信息处理和路由更新，在完成信息处理和路由更新后返回数据接收成功消息到分发数据包的低轨卫星；

步骤3.5，重复步骤3.3至步骤3.4，直至组网的低轨卫星能够构成为用户终端提供实时应用服务的在轨边缘微云。

在上述步骤中，低轨卫星通过星间通信网络将数据包分发给其他低轨卫星。

本发明一实施例中，利用上述步骤，能够实现边边微云服务迁移，边边微云服务迁移表示：当前在轨边缘微云检测到用户终端即将脱离微云中所有低轨卫星的服务范围后，通过星间通信网络将此消息告知可对用户终端提供服务的低轨卫星，并由该低轨卫星更新路由策略，再通过星间通信链路与其他低轨卫星组成新的在轨边缘微云，进而为用户终端提供服务。该边边微云服务迁移的时间为当前在轨边缘微云中所有低轨卫星脱离用户终端可访问窗口时到新的在轨边缘微云构建形成时的时间。

根据上述步骤，边边微云服务迁移的服务迁移时间包括传输时延和组网时延两个部分，传输时延为当前在轨边缘微云中的低轨卫星将数据传递给下一时刻离用户终端最近的低轨卫星所需的时间，其与数据包大小和星间通信链路传输速率相关；组网时延为当前时刻离用户终端最近的低轨卫星根据路由策略将组网控制信息和数据包发送给邻近的低轨卫星所需的时间，其与组网控制信息和数据包大小、以及星间通信链路传输速率相关。

具体地，设定：低轨卫星运行轨道高度为500km，低轨卫星星座网络节点规模为NM个，星座具有N个轨道面，每轨具有M颗星，星间链路通信速率为c Mbps，用户终端所需的数据包大小为s₃ Mb，通过STK仿真软件和所采用的路由策略得到构建新在轨边缘微云所需的不包括并行完成的从低轨卫星到低轨卫星的数据迁移次数为d₃₁。

基于上述设定，可以利用以下公式计算完成在轨边缘微云服务重建所需的迁移时间，即边边微云服务迁移时间：

T₃＝t₃₁+t₃₂

其中，T₃表示完成在轨边缘微云服务重建所需的迁移时间，t₃₁表示当前在轨边缘微云中的低轨卫星将用户终端所需的数据包发送给下一时刻距离用户终端最近的低轨卫星所需的时间，t₃₁＝s₃/c，t₃₂表示距离用户终端最近的低轨卫星将组网控制信息和用户终端所需的数据包分发给邻近的低轨卫星所需的总时间，t₃₂≈d₃₁t₃₁。

第五方面，参见图8-9，本发明一实施例还提供了另一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移方法，该方法用于上述的服务自主迁移系统，包括以下步骤：

步骤4.1，低轨卫星生成应用服务状态数据，并将应用服务状态数据发送给其覆盖范围内的用户终端；

步骤4.2，用户终端接收应用服务状态数据，进行数据解析和端状态更新。

在上述步骤中，低轨卫星通过星端通信链路将应用服务状态数据下传到用户终端。

本发明一实施例中，利用上述步骤，能够实现边端微云服务迁移，边端微云服务迁移表示：将在轨边缘微云的低轨卫星上应用软件运行结果等迁移至用户终端，用户终端根据接收到的应用消息执行下一步行动并进行端状态更新。该边端微云服务迁移的时间为从在轨边缘微云将应用软件运行结果等开始迁移时到用户终端完成自身状态更新时的时间。

边缘微云服务状态迁移主要通过边缘微云数据共享引擎实现，数据共享引擎采用发布/订阅机制，通过边端协同主题将服务状态迁移至端侧。迁移时间主要与服务状态数据大小、星端链路传输方式及传输延迟、解析延迟、数据共享引擎协议机制等有关系。边到端迁移的服务状态是星上处理后的推理结果，主要包括区域级的目标判情、态势融合和区域级态势预测与行为意图推理等状态数据，数据量相比图像切片等较小，一般在KB(8Kb)量级或更小。

本发明一实施例中，可以利用以下公式计算完成边端应用服务状态数据迁移所需的迁移时间，即边端微云服务迁移时间：

T₄＝t₄₁+t₄₂+t₄₃+t₄₄

其中，T₄表示完成边端应用服务状态数据迁移所需的迁移时间，t₄₁表示低轨卫星将应用服务状态数据发送给用户终端所需的时间，t₄₂表示用户终端完成数据接收所需的时间，t₄₃表示用户终端进行数据解析所需的时间，t₄₄表示用户终端进行端状态更新所需的时间。

其中，t₄₁、t₄₂、t₄₃和t₄₄根据轨道高度、星端传输速率和数据包大小、以及数据解析算法进行计算。

本发明一实施例提供的面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移系统及方法能够实现低轨卫星构成的在轨边缘微云、地面云数据中心和用户终端之间的服务自主迁移，通过将地面云数据中心生成的软件应用提前部署到在轨边缘微云的低轨卫星中，使得用户终端可以直接从边缘侧获取应用服务，进而降低服务响应时延，提高服务质量；并且，能够将低轨卫星的状态信息回传到地面云数据中心，完成对星载边缘算法的训练支持，降低低轨卫星的制造成本。

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 (9)

1.一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移系统，其特征在于，所述系统包括：

地面云数据中心，与低轨卫星通信连接，用于提供用户终端所需的应用服务、以及完成对所述低轨卫星上运行的边缘算法的训练支持；

低轨卫星星座，包括多个所述低轨卫星，所述低轨卫星部署有边缘计算服务器，所述低轨卫星与所述用户终端通信连接，不同的所述低轨卫星之间通信连接，多个相邻的所述低轨卫星能够构成在轨边缘微云，所述在轨边缘微云用于缓存所述地面云数据中心生成的应用程序、以及为所述用户终端提供实时应用服务；

以及所述用户终端。

2.一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移方法，其特征在于，所述方法用于如权利要求1所述的服务自主迁移系统，包括：

步骤1.1，地面云数据中心开发多个软件应用并制作应用镜像；

步骤1.2，地面云数据中心将包括迁移任务和迁移需求的应用服务迁移请求发送给自身服务范围内的一个未部署应用的低轨卫星；

步骤1.3，低轨卫星根据应用服务迁移需求、自身状态信息和星地通信网络资源，进行通信资源调度，并发送迁移请求应答消息到地面云数据中心；

步骤1.4，地面云数据中心在接收到低轨卫星的应答消息后，开始进行应用服务迁移，将应用镜像上传到低轨卫星；

步骤1.5，低轨卫星接收应用镜像并进行镜像加载工作，在完成应用部署后返回迁移完成消息到地面云数据中心；

步骤1.6，重复步骤1.2至步骤1.5；同时，已部署应用的低轨卫星将应用镜像分发给其他未部署应用的低轨卫星，未部署应用的低轨卫星接收应用镜像并进行镜像加载工作，在完成应用部署后返回迁移完成消息到分发应用镜像的低轨卫星，并重复执行此过程，直至所有低轨卫星完成应用部署。

3.根据权利要求2所述的服务自主迁移方法，其特征在于，利用以下公式计算完成全星座所有低轨卫星服务迁移所需的迁移时间；

T₁＝t₁₁+min((d₁₁-1)(t₁₁+t₃),d₁₂t₁₂)

其中，T₁表示完成全星座所有低轨卫星服务迁移所需的迁移时间，t₁₁表示进行一次从地面云数据中心到低轨卫星的云边服务迁移所需时间，d₁₁表示从地面云数据中心到低轨卫星的云边服务迁移次数，d₁₂表示不包括并行完成的从低轨卫星到低轨卫星的边边服务迁移次数，t₁₂表示进行一次从低轨卫星到低轨卫星的边边服务迁移所需时间，t₃表示相邻的两个低轨卫星经过地面云数据中心上方的间隔时间。

4.一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移方法，其特征在于，所述方法用于如权利要求1所述的服务自主迁移系统，包括：

步骤2.1，低轨卫星进行自身状态变化检测；

步骤2.2，当存在低轨卫星能够连接地面云数据中心时，低轨卫星将包括迁移任务和迁移需求的应用服务迁移请求发送给可连接的地面云数据中心；

步骤2.3，地面云数据中心根据应用服务迁移需求、自身状态信息以及星地通信网络资源，进行通信资源调度，并发送迁移请求应答消息到低轨卫星；

步骤2.4，低轨卫星在接收到地面云数据中心的应答消息后，开始进行卫星状态信息迁移，将自身状态信息和接收到的其他低轨卫星的状态信息下传到地面云数据中心；

步骤2.5，重复步骤2.2至步骤2.4，直至地面云数据中心接收到所有低轨卫星的状态信息；

其中，在执行步骤2.2至步骤2.4的过程中，未完成状态信息下传的低轨卫星将自身状态信息分发给下一个能够连接地面云数据中心的低轨卫星，低轨卫星接收状态信息并进行星上信息处理，在完成信息处理后返回迁移完成消息到分发状态信息的低轨卫星。

5.根据权利要求4所述的服务自主迁移方法，其特征在于，利用以下公式计算完成全星座所有低轨卫星状态信息迁移所需的迁移时间；

T₂＝t₂₁+(d₂₁-1)(t₂₁+t₃)

其中，T₂表示完成所有低轨卫星状态信息迁移所需的迁移时间，t₂₁表示进行一次从低轨卫星到地面云数据中心的状态信息迁移所需时间，d₂₁表示从低轨卫星到地面云数据中心的状态信息迁移次数，t₃表示相邻的两个低轨卫星经过地面云数据中心上方的间隔时间。

6.一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移方法，其特征在于，所述方法用于如权利要求1所述的服务自主迁移系统，包括：

步骤3.1，当前在轨边缘微云中的低轨卫星进行用户终端连接状态检测，若检测到用户终端处于通信连接中断状态，将用户终端所需的数据包发送给下一时刻距离用户终端最近的低轨卫星；

步骤3.2，低轨卫星接收数据包并进行星上信息处理，在完成信息处理后返回数据接收成功消息到发送数据包的低轨卫星；

步骤3.3，接收数据包的低轨卫星将组网控制信息和用户终端所需的数据包分发给邻近的低轨卫星；

步骤3.4，低轨卫星接收组网控制信息和数据包并进行星上信息处理和路由更新，在完成信息处理和路由更新后返回数据接收成功消息到分发数据包的低轨卫星；

步骤3.5，重复步骤3.3至步骤3.4，直至组网的低轨卫星能够构成为用户终端提供实时应用服务的在轨边缘微云。

7.根据权利要求6所述的服务自主迁移方法，其特征在于，利用以下公式计算完成在轨边缘微云服务重建所需的迁移时间；

T₃＝t₃₁+t₃₂

其中，T₃表示完成在轨边缘微云服务重建所需的迁移时间，t₃₁表示当前在轨边缘微云中的低轨卫星将用户终端所需的数据包发送给下一时刻距离用户终端最近的低轨卫星所需的时间，t₃₂表示距离用户终端最近的低轨卫星将组网控制信息和用户终端所需的数据包分发给邻近的低轨卫星所需的总时间。

8.一种面向低轨星座边缘微云的服务自主迁移方法，其特征在于，所述方法用于如权利要求1所述的服务自主迁移系统，包括：

步骤4.1，低轨卫星生成应用服务状态数据，并将应用服务状态数据发送给其覆盖范围内的用户终端；

步骤4.2，用户终端接收应用服务状态数据，进行数据解析和端状态更新。

9.根据权利要求8所述的服务自主迁移方法，其特征在于，利用以下公式计算完成边端应用服务状态数据迁移所需的迁移时间；

T₄＝t₄₁+t₄₂+t₄₃+t₄₄

其中，T₄表示完成边端应用服务状态数据迁移所需的迁移时间，t₄₁表示低轨卫星将应用服务状态数据发送给用户终端所需的时间，t₄₂表示用户终端完成数据接收所需的时间，t₄₃表示用户终端进行数据解析所需的时间，t₄₄表示用户终端进行端状态更新所需的时间。

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