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北京郵電大學張興，石浩洋

1　目標和概述

星地融合信息網絡作為未來互聯網新型網絡架構，融合了地面網絡和衛星網絡，覆蓋了太空、航空、陸地、海洋等自然空間，保障了天基、陸基、海基等各類用戶活動的信息需求，受到了產業界和學術界的廣泛關注。隨著語音識別、人臉識別、智能交通和3D游戲等各種計算密集型應用及時延敏感型應用的快速發展，星地融合網絡需要為用戶提供各種各樣的計算服務。在這種情況下，人們可以通過計算卸載的方式將用戶終端的部分或全部計算任務卸載到數據中心，利用數據中心的計算資源來完成這些任務。但是，數據中心通常建在距離用戶終端很遠的地面區域。這將導致高傳輸成本和服務時延，可能無法滿足網絡中各類用戶對服務質量的不同需求，如高數據速率、低時延通信和低處理能耗等。

圖1 星地融合信息網絡場景圖

本方案在星地融合信息網絡中引入了多級邊緣智能計算技術，如圖2所示，其核心思想是將云計算平臺擴展到不同級別的網絡邊緣甚至用戶終端本身，為用戶提供多層次、異構的計算資源，使用戶能夠在全球任何位置就近獲得計算服務，能快速響應用戶的計算處理請求，提升用戶的服務體驗，減少網絡的冗余流量，并且從運營商角度則主要可以進一步降低核心網流量、提高網絡的可伸縮性和安全性。

圖2 多級邊緣計算示意圖

本方案創新性分析如下：

實時QoS保障：通過邊緣計算，用戶的計算需求可以按需、按QoS等級直接在不同級別的邊緣服務器得到處理而不需要傳輸到遠程云服務器，從而大大降低了任務的處理時延，提高了用戶的體驗質量。

能耗優化：與云服務器相比，將任務按需卸載到多級邊緣服務器可以有效地降低設備終端的能耗。

核心網流量調度優化：業務能夠在星地融合網絡的多級邊緣被滿足，大大減輕了核心網絡的負擔，并且優化了帶寬利用率。網絡的這種轉變防止了邊緣數十億設備消耗核心網絡的有限帶寬，因此，核心網絡所負責的業務在規模上變得可管理，并且簡化了操作。

可伸縮性：在多級邊緣服務器上以容器或虛擬機的形式分發服務和應用程序并進行復制。此外，通過多級邊緣計算可以對星地融合網絡邊緣的數據進行多次不同等級的預處理，從而極大地降低了轉發給云服務器的流量，減輕了云的可伸縮性負擔，極大地提高了整個系統的可伸縮性。

安全性和可靠性：分布式的多級邊緣計算將在不同的數據中心和設備之間分配數據處理工作。因此，攻擊者無法通過攻擊一臺設備來影響整個網絡。邊緣計算服務器部署在更靠近用戶的位置，網絡中斷的可能性也大大降低了。

2　方案介紹

在星地融合信息網絡中，結合現有工業互聯網及智慧城市等場景，往往涉及海量的前端嵌入式設備，并且采用的計算架構不同。本方案通過多級邊緣算力網絡將整個云、邊、端的計算資源協同起來，并采用分級、多集群的方式統一管理。在多級邊緣或遠端設備上的計算資源通過云原生Kubernetes、輕量級KubeEdgeI-Paas和A-PaaS等進行計算資源和應用能力的管理。

輕量級的容器調度平臺，一方面，適配于開放式嵌入式邊緣計算集群；另一方面，實現了多級邊緣計算集群的統一調度和動態擴縮容的資源協同。本項目通過采用“Kubernetes+KubeEdge”的分級云原生容器資源調度方案，實現多級邊緣節點集群和邊緣前端嵌入式設備的分級資源納管和協同。如圖3所示，本方案采用分級聯動的架構來實現統一的邊緣側資源調度管理，即邊緣計算節點采用傳統Kubernetes云原生實現邊緣計算節點側的資源納管，而前端嵌入式終端集群采用更加輕量級的KubeEdge云原生集群實現資源管理。

圖3 分級邊緣系統技術架構圖

按照現有電信運營商在邊緣側的基礎設施部署情況，邊緣計算節點主要是部署在邊緣機房或客戶自己數據中心內部的通用型服務器，這部分計算節點的硬件性能相對較高，同時可以支持GPU、FPGA等多種加速硬件資源。因此，可以相對集中部署完整的Kubernetes集群，甚至可以部署輕量級的OpenStack云計算集群，用于邊緣數據中心的計算資源管理，而前端設備則主要連接海量的嵌入式設備，從而實現數據采集、工業控制以及用戶交互訪問等功能。

設備的實際部署情況如圖4所示。空間段由高低軌衛星鏈路作為遠程設備間的通信鏈路；地面段由衛星天線、地面站、核心網、數據網絡、邊緣計算節點組成，其中關鍵計算節點可配置多種不同類型的算力能力，例如針對輕量級應用可以配置4核i7CPU、32G內存、Linux操作系統；用戶段包含各種終端如手機等。具有核心網和基站功能的邊緣節點可為本地用戶提供5G通信服務以及部署的相關應用服務，并可以通過高低軌鏈路訪問遠程互聯網。

圖4 設備實際部署場景圖

本方案通過云原生統一編排調度平臺實現底層資源的調度及上層服務編排。基于云原生的服務編排層架構如圖5所示。

圖5 基于云原生的服務編排層架構圖

（1）資源調度管理層：采用通用的Kubernetes、KubeEdge方式對算力網絡的計算、存儲、網絡等資源進行統一管理。

（2）編排調度能力層：根據大數據計算能力、深度學習能力、網絡控制能力的不同需求，分場景地有序構建中臺能力。

（3）服務能力開放層：面向服務使用方和開發者提供不同的入口。其中在應用商店提供算力網絡服務目錄，可以實現算力網絡能力一鍵部署，而在DevOps入口提供函數服務功能，可以進一步滿足開發者結合中臺能力根據業務場景進行開發和創新的需求。

同時本方案開發了面向星地融合信息網絡多級邊緣設備的管控平臺，其前端界面如圖6所示。

圖6 前端界面

管控平臺中的主要監測功能包括：節點的地理信息、已安裝的應用、微服務資源用量、節點的資源信息、物理資源監控、服務組件監控、日志查詢與收集等。除此之外，其可根據實際業務需求快捷地在各個邊緣節點上傳、下發、部署不同的微服務或者應用。

3　代表性及推廣價值

此方案主要應用于星地融合信息網絡，意味著將衛星通信、地面網絡和邊緣計算等多種技術融合，這種創新可以為未來6G通信帶來啟發與借鑒，也為各種應用提供了更廣闊的可能性。多級邊緣設備允許在接近數據源的地方進行數據處理和分析，節省了通信資源，提高了計算效率，保障了數據安全。這對于需要不同等級的實時反饋和決策支持的應用非常重要，例如物聯網、智能城市、自動駕駛汽車和工業自動化。

這一方案提供了廣泛的商業機會，包括衛星通信設備制造、邊緣計算技術開發、應用開發和服務提供等方面，有助于激發創新，促進產業鏈的發展，為經濟增長和就業創造機會。推廣這一方案需要各個領域的合作和生態系統的建設，涉及衛星運營商、通信服務提供商、設備制造商、應用開發者和政府監管部門等多個利益相關者，這將有助于構建一個健康、可持續的信息通信生態系統。

摘自《自動化博覽》2024年第二期暨《邊緣計算2024專輯》