北京邮电大学张兴，石浩洋

1　目标和概述

星地融合信息网络作为未来互联网新型网络架构，融合了地面网络和卫星网络，覆盖了太空、航空、陆地、海洋等自然空间，保障了天基、陆基、海基等各类用户活动的信息需求，受到了产业界和学术界的广泛关注。随着语音识别、人脸识别、智能交通和3D游戏等各种计算密集型应用及时延敏感型应用的快速发展，星地融合网络需要为用户提供各种各样的计算服务。在这种情况下，人们可以通过计算卸载的方式将用户终端的部分或全部计算任务卸载到数据中心，利用数据中心的计算资源来完成这些任务。但是，数据中心通常建在距离用户终端很远的地面区域。这将导致高传输成本和服务时延，可能无法满足网络中各类用户对服务质量的不同需求，如高数据速率、低时延通信和低处理能耗等。

图1 星地融合信息网络场景图

本方案在星地融合信息网络中引入了多级边缘智能计算技术，如图2所示，其核心思想是将云计算平台扩展到不同级别的网络边缘甚至用户终端本身，为用户提供多层次、异构的计算资源，使用户能够在全球任何位置就近获得计算服务，能快速响应用户的计算处理请求，提升用户的服务体验，减少网络的冗余流量，并且从运营商角度则主要可以进一步降低核心网流量、提高网络的可伸缩性和安全性。

图2 多级边缘计算示意图

本方案创新性分析如下：

实时QoS保障：通过边缘计算，用户的计算需求可以按需、按QoS等级直接在不同级别的边缘服务器得到处理而不需要传输到远程云服务器，从而大大降低了任务的处理时延，提高了用户的体验质量。

能耗优化：与云服务器相比，将任务按需卸载到多级边缘服务器可以有效地降低设备终端的能耗。

核心网流量调度优化：业务能够在星地融合网络的多级边缘被满足，大大减轻了核心网络的负担，并且优化了带宽利用率。网络的这种转变防止了边缘数十亿设备消耗核心网络的有限带宽，因此，核心网络所负责的业务在规模上变得可管理，并且简化了操作。

可伸缩性：在多级边缘服务器上以容器或虚拟机的形式分发服务和应用程序并进行复制。此外，通过多级边缘计算可以对星地融合网络边缘的数据进行多次不同等级的预处理，从而极大地降低了转发给云服务器的流量，减轻了云的可伸缩性负担，极大地提高了整个系统的可伸缩性。

安全性和可靠性：分布式的多级边缘计算将在不同的数据中心和设备之间分配数据处理工作。因此，攻击者无法通过攻击一台设备来影响整个网络。边缘计算服务器部署在更靠近用户的位置，网络中断的可能性也大大降低了。

2　方案介绍

在星地融合信息网络中，结合现有工业互联网及智慧城市等场景，往往涉及海量的前端嵌入式设备，并且采用的计算架构不同。本方案通过多级边缘算力网络将整个云、边、端的计算资源协同起来，并采用分级、多集群的方式统一管理。在多级边缘或远端设备上的计算资源通过云原生Kubernetes、轻量级KubeEdgeI-Paas和A-PaaS等进行计算资源和应用能力的管理。

轻量级的容器调度平台，一方面，适配于开放式嵌入式边缘计算集群；另一方面，实现了多级边缘计算集群的统一调度和动态扩缩容的资源协同。本项目通过采用“Kubernetes+KubeEdge”的分级云原生容器资源调度方案，实现多级边缘节点集群和边缘前端嵌入式设备的分级资源纳管和协同。如图3所示，本方案采用分级联动的架构来实现统一的边缘侧资源调度管理，即边缘计算节点采用传统Kubernetes云原生实现边缘计算节点侧的资源纳管，而前端嵌入式终端集群采用更加轻量级的KubeEdge云原生集群实现资源管理。

图3 分级边缘系统技术架构图

按照现有电信运营商在边缘侧的基础设施部署情况，边缘计算节点主要是部署在边缘机房或客户自己数据中心内部的通用型服务器，这部分计算节点的硬件性能相对较高，同时可以支持GPU、FPGA等多种加速硬件资源。因此，可以相对集中部署完整的Kubernetes集群，甚至可以部署轻量级的OpenStack云计算集群，用于边缘数据中心的计算资源管理，而前端设备则主要连接海量的嵌入式设备，从而实现数据采集、工业控制以及用户交互访问等功能。

设备的实际部署情况如图4所示。空间段由高低轨卫星链路作为远程设备间的通信链路；地面段由卫星天线、地面站、核心网、数据网络、边缘计算节点组成，其中关键计算节点可配置多种不同类型的算力能力，例如针对轻量级应用可以配置4核i7CPU、32G内存、Linux操作系统；用户段包含各种终端如手机等。具有核心网和基站功能的边缘节点可为本地用户提供5G通信服务以及部署的相关应用服务，并可以通过高低轨链路访问远程互联网。

图4 设备实际部署场景图

本方案通过云原生统一编排调度平台实现底层资源的调度及上层服务编排。基于云原生的服务编排层架构如图5所示。

图5 基于云原生的服务编排层架构图

（1）资源调度管理层：采用通用的Kubernetes、KubeEdge方式对算力网络的计算、存储、网络等资源进行统一管理。

（2）编排调度能力层：根据大数据计算能力、深度学习能力、网络控制能力的不同需求，分场景地有序构建中台能力。

（3）服务能力开放层：面向服务使用方和开发者提供不同的入口。其中在应用商店提供算力网络服务目录，可以实现算力网络能力一键部署，而在DevOps入口提供函数服务功能，可以进一步满足开发者结合中台能力根据业务场景进行开发和创新的需求。

同时本方案开发了面向星地融合信息网络多级边缘设备的管控平台，其前端界面如图6所示。

图6 前端界面

管控平台中的主要监测功能包括：节点的地理信息、已安装的应用、微服务资源用量、节点的资源信息、物理资源监控、服务组件监控、日志查询与收集等。除此之外，其可根据实际业务需求快捷地在各个边缘节点上传、下发、部署不同的微服务或者应用。

3　代表性及推广价值

此方案主要应用于星地融合信息网络，意味着将卫星通信、地面网络和边缘计算等多种技术融合，这种创新可以为未来6G通信带来启发与借鉴，也为各种应用提供了更广阔的可能性。多级边缘设备允许在接近数据源的地方进行数据处理和分析，节省了通信资源，提高了计算效率，保障了数据安全。这对于需要不同等级的实时反馈和决策支持的应用非常重要，例如物联网、智能城市、自动驾驶汽车和工业自动化。

这一方案提供了广泛的商业机会，包括卫星通信设备制造、边缘计算技术开发、应用开发和服务提供等方面，有助于激发创新，促进产业链的发展，为经济增长和就业创造机会。推广这一方案需要各个领域的合作和生态系统的建设，涉及卫星运营商、通信服务提供商、设备制造商、应用开发者和政府监管部门等多个利益相关者，这将有助于构建一个健康、可持续的信息通信生态系统。

摘自《自动化博览》2024年第二期暨《边缘计算2024专辑》