面向空天地一體化網絡的移動邊緣計算技術

唐清清，李 斌

(1.北京理工大學，北京100081； 2.南京信息工程大學，江蘇 南京210044)

0 引言

空天地一體化網絡可以突破地表限制，實現全球全域無線覆蓋和大時空尺度的快速通信服務，因此成為未來6G網絡架構研究的核心方向之一[1]。面向6G的空天地一體化網絡架構主要由三部分組成：由各種軌道衛星構成的天基網絡，由高空平臺 (High Attitude Platforms, HAPs)/無人機(Unmanned Aerial Vehicle, UAV) 構成的空基網絡以及傳統的地基網絡。其中地基網絡又包括蜂窩無線網絡、衛星地面站、移動衛星終端以及地面的數據處理中心等。

空天地一體化網絡架構以地基網絡為基礎，結合衛星網絡覆蓋范圍廣以及HAPs/UAV靈活部署等優勢，通過多種異構網絡的深度融合來實現空、天、地三域的無縫覆蓋[2]。然而，隨著智能手機和平板電腦等設備的發展催生出了許多新的計算和能源密集型應用[3-4]，如語音識別、游戲、多媒體編碼/解碼及智能交通等。因此，空天地一體化網絡除了為移動用戶提供全球泛在連接以外，還需要提供各種各樣的計算服務支持。通常情況下，移動用戶可以將計算任務卸載到具有豐富計算資源的云數據中心處理，以彌補移動用戶設備計算及存儲資源受限的缺陷。然而，為了給不同地理位置的移動用戶提供計算服務，云數據中心與移動用戶的距離往往相距甚遠，從而導致移動業務的處理需要經歷較大的時延，這將難以滿足新興應用對于低至毫秒級端到端時延的需求。此外，對于沒有地面網絡通信設施支撐的海洋作業和偏遠山區用戶，其計算任務需要通過衛星網絡或者HAPs/UAV網絡作為中繼轉發至云數據中心處理。受限于衛星以及HAPs/UAV等跨域平臺的高度制約，移動用戶在空天地一體化網絡中的傳輸時延也會相應增加，難以滿足用戶的實時需求。因此，借鑒地面網絡移動邊緣計算 (Mobile Edge Computing, MEC) 的思想[5]，在空天地一體化網絡中引入MEC技術，其核心思想是將云數據中心豐富的計算和緩存資源下沉至距離移動用戶較近的網絡邊緣，為用戶提供多層次、異構的計算資源，使用戶能在全球范圍內獲得計算服務，從而提升用戶的體驗質量。

目前，工業界和學術界已有一些研究者針對空天地一體化網絡中的邊緣計算技術開展了相關研究工作。但是，在這些工作中，衛星網絡仍然被視為一個中繼網絡，即移動用戶的計算任務通過衛星中繼傳輸到遠程云數據中心進行數據處理，而忽視了直接在衛星上進行任務處理的可行性。在衛星上直接處理來自移動用戶的計算任務不僅可以減少回傳鏈路的流量負擔，還可以有效降低任務處理的時延，進而提升用戶的體驗質量。 因此，本文對基于MEC技術的空天地一體化網絡展開了研究。首先，分析了在LEO衛星、HAPs/UAV上部署MEC服務器的可能性并對其網絡架構進行了介紹。然后，討論了在空天地一體化網絡中引入MEC技術所帶來的優勢。最后，探討了基于MEC技術的空天地一體化網絡中存在的挑戰。

1 空天地一體化網絡概述

空天地一體化網絡架構如圖1所示。本節對空天地一體化網絡中的3個組成部分,即天基網絡、空基網絡和地基網絡分別進行了概述。

圖1 空天地一體化通信網絡架構Fig.1 Architecture of space-air-ground integrated network

1.1 天基網絡

天基網絡主要由不同軌道高度的衛星組成。根據不同的軌道高度，衛星可分為3種類型：地球同步 (Geostationary Earth Orbit, GEO) 衛星、中軌 (Medium Earth Orbit, MEO) 衛星和低軌 (Low Earth Orbit, LEO)衛星，其通信系統的特征如表1所示。

表1 衛星通信系統特征Tab.1 Characteristics of satellite communication system

GEO衛星的軌道高度為35 860 km，相比其他兩種衛星，GEO具有更廣的覆蓋范圍，且其覆蓋范圍相對地面固定。此外，單顆GEO衛星最大能覆蓋42%的地球面積，一般只需3～4顆衛星即可完成除極地地區之外的全球覆蓋。盡管GEO衛星具有很大的覆蓋面積，但由于其軌道高度過高導致移動用戶在數據傳輸時會有較大時延，因此GEO衛星適用于傳統的衛星廣播業務。此外，隨著星間激光通信技術的發展，GEO衛星不再是空天地一體化網絡中的必要部分[6]。

MEO衛星的軌道高度為2 000～20 000 km，其單星覆蓋面積約為地球表面積的12%～38%，與GEO衛星的覆蓋面積相比要小得多。此外，至少需要十幾顆到幾十顆MEO衛星才能完成全球覆蓋。

LEO衛星的軌道高度低于2 000 km，其覆蓋范圍比前兩種衛星小，需要多顆衛星組成大型衛星星座才能完成全球覆蓋。此外，與GEO衛星和MEO衛星相比，LEO衛星不僅具有低成本、小型化的特點，其傳輸時延也較小，通常在30 ms左右。大型LEO衛星星座是當前衛星通信系統的重要發展趨勢，通過增加衛星數量可以大幅提升系統容量。目前，多個國家已經啟動了幾個重大的LEO衛星研究項目，如OneWeb,SpaceX Starlink，O3b。不僅如此，我國關于空天地一體化網絡架構中天基網絡的研究也集中在LEO衛星。

1.2 空基網絡

空基網絡主要包括HAPs[7]和UAV[8]。其中，HAPs將無線基站安放在長時間停留在高空的飛行器上來提供通信業務，它使用已有的通信技術，可以與地面移動用戶直接通信。UAV作為空中飛行基站，能夠有效增強無線網絡覆蓋和容量。HAPs和UAV具有服務覆蓋范圍廣、受地面因素影響小以及布設機動靈活等優勢，可有效彌補地面網絡的不足。

HAPs利用距地面20～50 km的高空平臺作為基站來提供電信業務和廣播業務。HAPs的網絡容量主要由平臺的載荷決定，其中系留式氣球和飛艇的載荷比較大，通常為幾百千克，預計可以搭載1個宏基站設備。與衛星通信系統相比，HAPs具有高容量、高頻譜利用率、時延小、易維護、易升級以及可迅速建設等優點，可以以較低的成本覆蓋大面積區域。

UAV自身固有的機動性、靈活性等特性，使其成為公共安全場景中一種實現快速、靈活、便捷通信的潛在方案。根據不同的飛行高度，可分為高空UAV平臺和低空UAV平臺。與低空UAV平臺相比，高空UAV平臺具有更廣的覆蓋范圍，因此可為用戶提供更多的無線鏈路接入機會。

1.3 地基網絡

地基網絡主要由地面通信系統組成，包括蜂窩無線網絡、衛星地面站和移動衛星終端以及地面的數據處理中心。其中，蜂窩無線網絡具有覆蓋范圍廣和數據速率高的特點，能為用戶提供各種各樣的通信服務。目前，蜂窩無線網絡已經從第一代移動通信技術向第五代移動通信技術演進，支持海量連接的同時為用戶提供更高的數據傳輸速率。但是，地面網絡容易受到自然災害的破壞，并且由于覆蓋范圍有限而不能為偏遠地區的用戶提供通信服務[9]。

空天地一體化網絡融合了衛星網絡、HAPs/UAV網絡以及地面網絡的優勢，有助于運營商實現低成本的全球泛在覆蓋。此外，由于空天地一體化網絡的異構性，對于用戶不同的QoS需求可提供不同的通信服務，從而實現用戶的全球泛在接入，是未來6G網絡發展的重要趨勢。

2 MEC概述

MEC作為下一代互聯網的關鍵技術之一，在網絡發展過程中呈現出越來越重要的作用。本節首先對MEC的基本概念進行簡要概述，然后對在空天地一體化網絡中引入MEC的優勢進行討論。

2.1 MEC的基本概念

智能終端設備爆炸式增長，增強了用戶對新興業務高能效、低時延、高可靠及超高密度連接的需求。鑒于此，2009年工業界和學術界提出了移動云計算 (Mobile Cloud Computing, MCC) 網絡架構[10]。MCC的基本思想是將移動終端上的計算密集型任務上傳到具有豐富計算和緩存資源的云數據中心處理，以彌補移動終端設備計算及存儲資源受限的缺陷，進而為移動用戶提供高質量的服務和體驗[11]。此外，為了給不同地理位置的移動用戶提供MCC服務，服務器與移動終端的距離往往相距甚遠，從而導致移動業務的處理需要經歷較大的時延，這將難以滿足新興應用對于低至毫秒級端到端時延的需求。為了克服MCC架構的缺點，MEC網絡應運而生，其網絡架構如圖2所示。MEC網絡將云數據中心豐富的計算和緩存資源下沉至距離移動用戶較近的網絡邊緣，使移動用戶能將計算任務、數據緩存服務遷移至附近的邊緣服務器處理[12]，相比MCC網絡，MEC網絡進一步降低了移動用戶業務處理時延。

圖2 MEC網絡架構Fig.2 Architecture of MEC

隨著MEC技術的發展，歐洲電信標準化協會(European Telecommunication Standard Institute，ETS) 在2014年成立了MEC規范組(Industry Specification Group，ISG) 宣布正式推動 MEC 的標準化。隨著進一步研究，ESTI對MEC中的“M”進行重新定義。“M”被定義為“multi-access”, 因此“MEC”也被擴展為“多接入邊緣計算”[13]。

2.2 空天地一體化網絡引入MEC的優勢

在空天地一體化網絡中引入MEC的優勢主要體現在降低時延、緩存和節省回傳帶寬方面。

(1) 降低時延

在空天地一體化網絡中，LEO衛星與地面距離相距很遠，因此相對于傳統的地面網絡傳輸而言，其傳輸時延也會相應增加。因此，當空天地一體化網絡中引入了MEC技術，則來自地面移動用戶的計算任務可直接卸載到LEO衛星上處理，而不需要通過LEO衛星回傳鏈路將任務卸載到云數據中心。這不僅能夠避免因回傳鏈路流量大而導致的傳輸時延增加問題，還能減少星地節點間不必要的通信交互。

(2) 緩存

緩存資源是MEC網絡資源管理的一個重要內容，是提升用戶體驗質量的關鍵。在空天地一體化網絡邊緣部署MEC緩存技術，使其能夠根據網絡狀態利用閑時的回傳鏈路資源提前將移動用戶潛在的內容需求緩存到空天地一體化網絡的邊緣側。因此，當用戶發起內容請求時，能夠從MEC服務器的緩存空間中快速獲取所請求的內容，從而提升用戶的體驗質量，并在一定程度上緩解回傳鏈路的數據傳輸負擔。

(3) 節省回傳帶寬

在空天地一體化網絡中針對視頻監控類等需要數據采集的業務，一般都是將本地采集的大量業務數據先上傳到云數據中心存儲后再下發給本地數據顯示端，因此需要占用大量的衛星中繼或地面回傳帶寬。如果在空天地一體化網絡中部署MEC技術，則本地采集的業務可以直接存儲在就近的MEC服務器上，從而有效節省帶寬成本。

在空天地一體化網絡中部署MEC技術，可以有效降低業務傳輸時延以及帶寬成本，彌補空天地一體化網絡中星地鏈路傳輸時延大以及帶寬受限等問題。

3 MEC在空天地一體化網絡中的應用

相較于地面網絡單一的MEC服務器部署方式，MEC服務器在空天地一體化網絡中的部署更加多樣化。根據不同的網絡需求，MEC服務器可以部署在LEO衛星上、HAPs上以及UAV上。這3種不同部署的方式對應不同的網絡架構，即LEO-MEC融合網絡架構、HAPs-MEC融合網絡架構、UAV-MEC融合網絡架構以及SAGIN-MEC融合網絡架構。下面分別介紹這4種網絡架構。

3.1 LEO-MEC融合網絡架構

表2總結了現有的有關MEC在空天地一體化網絡中的研究。MEC服務器除了能夠部署在地面網絡中，還可以部署在LEO衛星上。如圖3所示，裝備有MEC服務器的LEO衛星構成了空天地一體化網絡中的衛星網絡，能夠處理來自地面移動用戶的業務請求。考慮到能源和載荷的影響，LEO衛星上的MEC服務器可以考慮采用Docker這樣的輕量級管理平臺。通過在LEO衛星上部署MEC服務器，使衛星具有了計算、內容分發等能力[14]，不僅可以有效減少LEO衛星與地面網絡之間頻繁的星地鏈路傳輸以及端到端業務傳輸時延，還可以有效節省星地鏈路之間的業務數據傳輸帶寬。此外，對于沒有地面網絡通信設施支撐的海洋作業和偏遠山區用戶可以直接將數據卸載到LEO衛星上處理。

表2 融合MEC的空天地一體化網絡架構相關工作總結Tab.2 Overview of mobile edge computing in space-air-ground integrated network

圖3 LEO-MEC融合網絡架構Fig.3 Architecture of LEO-MEC integrated network

為了給偏遠地區的用戶提供計算服務，文獻[15]提出了一種具有雙邊緣計算能力的星地融合網絡，其目的是降低能量消耗和時延。其中，MEC服務器分別部署在地面基站側以及LEO衛星上。考慮在一些網絡不密集、網絡部署不方便的偏遠地區，計算資源有限的MEC服務器在處理大量突發卸載任務時可能會出現過載現象，因此在這種情況下可以利用LEO衛星上的計算資源輔助地面網絡處理用戶的數據卸載請求。文獻[16]提出了一種基于博弈論的衛星邊緣計算網絡任務卸載策略優化方法，建立了多移動設備多衛星的排隊模型，并通過分析得到了計算卸載的博弈策略和代價函數。從理論上證明了納什均衡的存在性和唯一性。最后，通過數值仿真表明，該算法可以有效降低移動設備的平均成本。文獻[17]使用動態網絡虛擬化技術 (Network Functions Virtualization, NFV)[18]來整合LEO衛星覆蓋范圍內的計算資源，以最小化用戶感知時延和系統能耗為目標提出了一種衛星邊緣計算場景下的協同計算卸載方法，并討論了該場景可能的任務調度模型。文獻[19]提出了一個基于軟件定義 (Software-Defined Networking, SDN) 的衛星-地面網絡框架來動態地管理和協調網絡、緩存和計算資源，并采用深度Q學習方法對聯合資源分配優化問題求解。

3.2 HAPs-MEC融合網絡架構

如圖4所示，考慮到HAPs上載荷的限制，可在HAPs上裝備輕量級的MEC服務器，計算、內容分發等能力從核心網下沉到HAPs平臺，從而實現基于MEC的局域組網。HAPs傳輸鏈路通常存在視距傳輸信號，信號能量損耗小、傳輸質量高，可以與移動用戶直接通信，是地面網絡的有效延伸。在HAPs上裝備MEC服務器后，一方面，對于來自移動用戶的數據業務可以直接卸載到HAPs上處理，有效減輕地面核心網回傳鏈路的流量負擔以及節省回傳帶寬；另一方面，HAPs也可將接收到的數據通過衛星回傳鏈路轉發至云數據中心處理。文獻[20]提出了一種星-空融合計算(Satellite-Aerial Integrated Computing, SAIC) 架構，其中來自地面/空中用戶設備的計算任務既可以在HAPs上執行，也可以卸載到LEO衛星上。在SAIC架構下，研究了以最大化和速率為目標的兩層網絡中聯合用戶關聯和卸載決策問題。文獻[21]提出了一種利用地面基站、HAPs和衛星為地面用戶提供卸載服務的高效優化框架，其目標是通過優化基站的發射功率和HAPs的位置來最大化用戶的吞吐量。

圖4 HAPs-MEC融合網絡架構Fig.4 Architecture of HAPs-MEC integrated network

3.3 UAV-MEC融合網絡架構

如圖5所示，由于UAV具有高移動性和易于部署的優勢，MEC技術使能的UAV融合網絡架構因具有低時延和低傳輸能耗的特點而備受關注[22- 23]。

圖5 UAV-MEC融合網絡架構Fig.5 Architecture of UAV-MEC integrated network

為了增強UAV對計算密集型和時延敏感型任務的計算能力，文獻[24]提出了一種基于雙層無人機的MEC系統的卸載任務分配方法。在該系統模型中有兩層UAV平臺，分別為高空UAV平臺和低空UAV平臺。高空UAV 平臺離地距離比低空UAV高，因此高空UAV平臺的覆蓋范圍更加廣泛。利用MEC技術，在高空UAV平臺的邊緣提供類似云服務器的計算功能，使得低空UAV平臺可以將它們無法處理的計算密集型任務轉移到高空UAV平臺上執行。隨著海上網絡的快速發展，對計算密集型應用的需求越來越大，這些應用具有不同的能量消耗、傳輸帶寬和計算時延需求。為了給不同需求的用戶提供計算卸載服務，文獻[25]提出了一個具有邊緣云和中心云計算功能的空-地-海融合網絡架構，從而為海事服務提供靈活的混合計算服務。在該融合網絡中，衛星和UAV為用戶提供邊緣計算服務和網絡接入，在此基礎上將聯合通信計算資源分配問題建模為一個復雜的決策過程，并設計了一個基于深度強化學習的方案來解決該問題。文獻[26]提出了一種基于UAV微云的MEC機制。其中，移動UAV具有計算功能，可為本地處理能力有限的移動用戶提供計算卸載的機會。此外，在滿足移動用戶的QoS需求約束條件下，提出了一種聯合資源分配和UAV軌跡設計方案，以最大程度降低系統總能量消耗。不同于文獻[26]的UAV軌跡設計方案，文獻[27]提出了一個空天地融合網絡 (Space-Air-Ground Integrated Network, SAGIN) 邊緣/云計算架構。其中，飛行的UAV提供近用戶側邊緣計算，衛星提供云計算訪問。首先，基于SAGIN架構提出了一種聯合計算資源分配和任務調度方法，以有效地將計算資源分配給UAV邊緣服務器中的不同虛擬機。其次，研究了SAGIN中的計算卸載問題，并提出了一種基于深度學習的計算卸載方法來動態學習UAV的軌跡以及最優卸載策略。

3.4 SAGIN-MEC融合網絡架構

如圖6所示，為順應未來網絡發展的趨勢和滿足未來新型業務的差異性服務質量需求，提出了SAGIN-MEC融合網絡架構[28]。在該架構中，MEC服務器分別部署在地面基站側、UAV、HAPs以及LEO衛星上，為用戶提供多層次、異構的計算資源，使用戶能在全球范圍內獲得計算服務，從而提升用戶的體驗質量。

圖6 SAGIN-MEC融合網絡架構Fig.6 Architecture of SAGIN-MEC integrated network

由于SAGIN-MEC融合網絡架構中涉及到4個不同的異構網絡，如何解決異構網絡斷開、高網絡延遲、間歇性中斷以及網絡負載不平衡等問題是一個挑戰。針對上述問題，文獻[29]提出了一種新的面向任務的智能網絡體系結構(Task-Oriented Intelligent Networking Architecture, TOINA)。首先，在TOINA中應用邊緣云計算技術和網絡域劃分技術，實現了智能組網以及降低時延的目的。其次，提出了面向任務的網絡優化方法以提供個性化的網絡服務，從而提高網絡智能化程度。最后，利用信息中心網絡架構來構建空天地一體化網絡并優化內容命名規則，以實現空天地一體化網絡的異構融合。文獻[30]研究了空天地一體化網絡在海上覆蓋方面的潛在應用。考慮到在海上航行的船只具有分布稀疏的特點，而UAV具有靈活部署的特性，可為海上船只提供卸載服務。與UAV相比，HAPs和衛星具有更廣泛的覆蓋范圍，因此當UAV無法滿足覆蓋要求時，可將任務卸載到HAPs或者衛星上。

除了上述研究外，考慮到基于MEC的空天地一體化網絡中資源的異構性，如何對網絡中的緩存、計算等資源進行管理和協調是一個挑戰。SDN作為一種新興的網絡架構，可以實現對分布式網絡節點和移動設備的邏輯集中控制[31]。在空天地一體化網絡中引入SDN技術后可以從全局角度感知網絡狀態，并根據網絡的動態性和用戶的QoS需求對網絡資源進行實時分配。因此，在空天地一體化網絡中引入SDN技術能夠有效管理和協調網絡的資源，是未來空天地一體化網絡架構的重要研究方向之一。

4 存在的問題與挑戰

與傳統的通信網絡相比，在空天地一體化網絡中引入MEC技術可以有效提高網絡的性能，但是也會帶來一些關鍵挑戰。

4.1 安全性

由于空天地一體化網絡包含了衛星、星地鏈路、地面蜂窩網絡等多個網元，涉及到地面網關、數據中心、邊緣計算等多樣化的節點以及不同運營商之間的開放和共享。此外，由于衛星具有廣覆蓋和開放特性，利用衛星網絡進行數據傳輸時容易受到竊聽者的攻擊。區塊鏈作為一種分布式架構，以犧牲存儲效率為代價來保證鏈上節點數據防篡改，是一種對存儲資源、計算資源和網絡資源有較高要求的技術。可以預見，在基于MEC的空天地一體網絡中引入區塊鏈技術可為各節點提供一種可靠、高效的網絡接口和安全保障機制。

4.2 移動性管理

LEO衛星主要以點波束的形式對地面移動用戶進行覆蓋，然而由于LEO衛星高速運動或者用戶的移動會導致其離開服務衛星的覆蓋范圍而中斷服務。為了保障用戶通信的連續性，需要將用戶的業務切換至其他衛星，這個過程稱為鏈路層切換[32]。如圖7所示，鏈路層切換主要有波束間切換、星間切換和星地切換3種方式[33]。

(a) 波束和星間切換

波束間切換發生在同一顆衛星覆蓋范圍內，由于衛星或者用戶的移動導致用戶離開當前的波束覆蓋范圍而引起的切換。星間切換發生在兩顆不同的衛星之間，由于衛星的高速運動導致用戶移動至另一顆衛星的覆蓋范圍內而引起的切換。星地切換發生在衛星網絡和地面網絡之間，由于用戶離開當前的地面網絡覆蓋范圍移動至衛星的覆蓋范圍而引起的切換。在鏈路層切換中，由于通信鏈路不可用而導致的長切換延遲可能導致嚴重的分組丟失，并降低用戶體驗。此外，由于LEO衛星的運動軌道是固定的、可預知的，因此，可以運用深度學習算法去學習LEO衛星軌道運行的規律，從而設計出一種高效的切換方案來保證鏈路切換的順利和業務的連續性。

4.3 干擾管理

相比獨立的各個通信系統，空天地一體化網絡的空口鏈路則顯得復雜多樣。在空天地一體化網絡中引入MEC技術，會使得大量用戶同時接入鏈路進行業務處理。然而，無線電頻譜資源是有限的，用戶同時接入勢必會造成彼此之間嚴重的干擾。因此，設計一種智能、高效的頻譜共享和干擾消除方法是未來空天地一體化網絡的重要研究方向之一[34]。

5 結束語

MEC技術能夠有效提高網絡在響應速度和處理能力方面的性能，在空天地一體化網絡中引入MEC技術是未來6G網絡的重要發展趨勢。本文旨在對空天地一體化中的MEC融合網絡架構進行研究。首先對空天地一體化網絡中的天基網絡、空基網絡、地基網絡和MEC技術分別進行了概述，并討論了引入MEC技術對空天地一體化網絡帶來的優勢。接著，分別對LEO-MEC融合網絡架構、HAPs-MEC融合網絡架構、UAV-MEC融合網絡架構和SAGIN-MEC融合網絡架構進行了介紹，并闡述了這4種架構的應用場景。最后，對空天地一體化網絡架構中存在的問題與挑戰進行了探討。