一种基于COTS器件的卫星边缘计算平台架构设计_高吉星.pdf

1 引言随 着 空 间 与 信 息 技 术 的 进 步，卫 星系 统 逐 渐 向 网 络 化、智 能 化 的 方 向 发【摘 要】随着空间与信息技术的进步，在卫星网络中部署边缘计算资源已成为满足新兴应用服务质量要求的主要方法之一。本文在分析卫星边缘计算平台研究现状的基础上，描述了卫星边缘计算平台的功能需求与特点；针对卫星边缘计算平台的功能需求提出了硬件架构的设计，描述了平台的硬件组成、内外部接口，并分析了平台上应用的关键技术；对卫星边缘计算平台的发展方向进行展望。【关键词】卫星网络 边缘计算 开放式架构 信息处理载荷【中图分类号】TN927.2；TP393.08 【文献标识码】A展。卫 星 网 络 具 有 广 域 覆 盖 的 特 点，是 偏 远 地 区 各 类 信 息 技 术 应 用 的 重 要支 撑，可 以 为 用 户 提 供 泛 在 可 靠 的 网络 服 务1。一种基于 COTS 器件的卫星边缘计算平台架构设计*高吉星 虞志刚 丁文慧 徐志平 /中国电子科技集团公司电子科学研究院*本文系“基于虚拟化技术的空间智能计算平台”（2020YFB1806002）与“复杂电子系统仿真重点实验基金项目”（614201004032101）的成果。2022 年 10 月|保密科学技术|27特别策划为 满 足 移 动 物 联 网、虚 拟 现 实、智 能 物 流、目 标 识 别 与 跟 踪 等 新 兴 应用 对 响 应 时 间 和 处 理 能 力 的 更 高 要求，在 卫 星 网 络 中 部 署 边 缘 计 算 资 源已 成 为 全 球 各 界 研 究 人 员 关 注 的 重 要方 向 之 一2，3。文 献4提 出 了 一 种 集成 了 卫 星 和 互 联 网 虚 拟 化 资 源 的 卫 星云 计 算 新 概 念，并 讨 论 了 卫 星 在 云 计算 基 础 设 施 中 的 具 体 作 用 及 卫 星 云 计算 的 实 践 意 义。文 献5提 出 了 卫 星 边缘 计 算 的 概 念，考 虑 利 用 动 态 网 络 虚拟 化 技 术 整 合 网 络 资 源，此 外，为 实现 系 统 并 行 计 算，进 一 步 设 计 了 一 种协 同 计 算 卸 载 方 案。卫 星 边 缘 计 算 平 台 是 在 卫 星 上 部署 的 一 种 集 成 网 络 与 计 算 功 能 的 信 息处 理 载 荷，各 卫 星 边 缘 计 算 平 台 通 过星 间 链 路 进 行 组 网，在 卫 星 网 络 的 基础 上，利 用 虚 拟 化 和 边 缘 计 算 技 术 实现 计 算 资 源 共 享4，实 现 基 于 卫 星 的网 络 计 算。平 台 通 过 接 收 来 自 地 面 终端 计 算 任 务，降 低 服 务 的 响 应 时 延，减 少 由 回 传 计 算 中 心 带 来 的 链 路 带 宽消 耗，同 时 保 障 用 户 数 据 安 全 性。本 文 在 分 析 卫 星 边 缘 计 算 平 台 研究 现 状 的 基 础 上，描 述 了 卫 星 边 缘 计算 平 台 的 功 能 需 求 与 特 点，提 出 了 卫星 边 缘 计 算 平 台 的 硬 件 架 构 并 分 析 其中 的 关 键 技 术，进 而 对 卫 星 边 缘 计 算平 台 的 发 展 方 向 进 行 展 望。2 研究现状传 统 卫 星 在 轨 计 算、存 储 资 源 极 其有 限，通 常 仅 能 对 电 磁 信 号 进 行 物 理层 的 弯 管 转 发，无 法 对 其 承 载 的 数 据内 容 进 行 识 别 和 处 理。随 着 近 年 来 电子 技 术 的 发 展，星 载 计 算 资 源 性 能 迅速 提 升，为 构 建 新 一 代 低 轨 星 座 通 信网 络 边 缘 计 算 架 构 提 供 了 前 提 条 件。美 国 太 空 发 展 局 在 下 一 代“国 防太 空 架 构”中 要 求 战 斗 管 理 指 挥、控制 和 通 信（B M C3）模 块 可 以 接 入 并处 理 全 球 定 位 系 统（G P S）、星 间 激光 链（O I S L）、数 据 链-1 6（L i n k-1 6）、商 用 卫 星 通 信（I B S）等 多 种有 效 载 荷 的 数 据，并 具 备 在 轨 功 能 更新 的 能 力，同 时 重 量 不 超 过1 0千 克，功 耗 不 超 过2 5 0瓦。美 国 国 防 部 高 级 研究 计 划 局（D A R PA）在2 0 1 8年4月1 9日 发 布 了“黑 杰 克”（B l a c k j a c k）低 轨 星 座 项 目。B l a c k j a c k卫 星 搭 载了“赌 台 官”（P i t B o s s）系 统，利用 全 新 高 效 的 星 上 计 算 载 荷 在 轨 处 理各 类 业 务 应 用 数 据，并 能 在 相 邻 卫 星间 进 行 数 据 自 主 传 输 和 协 同 处 理，构建 面 向 未 来 军 事 任 务 需 求 的、覆 盖 全球 的 在 轨 边 缘 计 算 架 构6。B l a c k j a c k卫 星 架 构 如 图1所 示。于2 0 1 8年1 2月7日 成 功 发 射 的“T F S TA R号”卫 星 搭 载 了 由 电 子 科技 大 学 参 与 设 计 开 发 的 第 二 代 星 上 人工 智 能（A I）计 算 载 荷，具 备 全 球 同量 级 商 业 卫 星 在 轨 图 像 处 理 的 最 强 算力，其 图 片 处 理 能 力 是 同 重 量 卫 星 的1 0 0 0倍7。由 北 京 邮 电 大 学、华 为 等 单 位 联 合研 发 的 搭 载“天 算 星 座”计 算 平 台 的试 验 卫 星 已 于2 0 2 1年1 2月1 0日 在 轨 稳定 运 行。该 平 台 通 过 部 署 云 平 台 软 件及 机 器 学 习 框 架 为“天 算 星 座”提 供统 一 的 资 源 管 理 与 在 轨A I计 算 能 力。28|保密科学技术|2022 年 10 月特别策划3 卫星边缘计算平台功能需求与特点3.1 卫星边缘计算平台的功能需求（1）网 络 协 议 处 理随 着 空 间 信 息 技 术 的 迅 速 发 展，通 过 星 间 链 路 构 成 的 新 型 网 络 体 系已 成 为 全 新 的 全 球 通 信 模 式。星 链（Starlink）计 划 利 用 卫 星 取 代 传 统 的地 面 通 信 设 施，通 过 卫 星 之 间 的 激 光链 路 实 现 数 据 的 灵 活 传 输8。我 国 提 出“天 地 一 体 化 信 息 网 络 重 大 工 程”，按 照“天 基 组 网、天 地 互 联、全 球 服务”的 思 路，通 过 优 化 和 创 新 天 地 网络 体 系 空 间 布 局，建 立 天 地 协 同 的 一体 化 传 输 组 网9。卫 星 边 缘 计 算 平 台 需要 在 连 接 星 间 链 路 的 基 础 上，通 过 运行 路 由 控 制 软 件 实 现 星 间 组 网。（2）在 轨 边 缘 计 算针 对 战 地、灾 区、海 上 实 时 态 势感 知 等 特 殊 场 景 的 计 算 密 集 型 业 务 需求，需 要 在 卫 星 网 络 的 基 础 上，引 入 边缘 计 算 技 术，将 计 算、存 储 等 硬 件 设备 部 署 在 卫 星 上，以 实 现 数 据 的 在 轨采 集、接 收、处 理 和 分 发，将 计 算 扩展 到 网 络 边 缘，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，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 冗 余 流 量1 0。3.2 卫星边缘计算平台的特点（1）低 成 本目 前 卫 星 互 联 网 主 要 采 用 大 规 模 部署 的 方 式。一 网（O n e We b）项 目 计 划图1 B l a c k j a c k 卫星架构路由器Pit BoSS（控制单元）P调度/L管理P/L任务P/L调度卫星资源管理星座管理时钟管理有效载荷1数据加密分组路由P/L调度数据生成初始数据加工有效载荷2数据生成初始数据加工有效载荷3数据生成初始数据加工加密电气接口机电网络电源姿态推进测控网络卫星网络公共平台黑杰克航天器节点商用航天器节点网络电信星座优先DOD C3用户终端地面测控/网关黑杰克卫星2022 年 10 月|保密科学技术|29特别策划部 署6 5 0颗 低 轨 卫 星 组 成 星 座，为 全 球用 户 提 供 互 联 网 接 入 服 务；太 空 探 索科 技 公 司（S p a c e X）提 出 的S t a r l i n k卫 星 互 联 网 星 座 计 划 由1.2万 颗 卫 星 组成 星 群，实 现 全 球 覆 盖8。为 实 现 卫 星的 大 量 快 速 部 署，越 来 越 多 的 卫 星 项目 开 始 使 用 非 航 天 级 别 的 商 业 现 货 部件（C O T S），以 此 降 低 卫 星 的 成 本 并缩 短 研 制 周 期。例 如，B l a c k j a c k使 用工 业 化 元 器 件 代 替 宇 航 级 产 品，单 星制 造 成 本 不 超 过200万 美 元。（2）低 功 耗卫 星 平 台 受 限 于 星 上 供 电 与 散 热 方式，对 有 效 载 荷 的 功 率 有 着 严 格 限 制。在 目 前 的 卫 星 网 络 中，O n e We b卫 星 平台 质 量 约 为1 4 5k g，S p a c e X卫 星 平 台质 量 约 为3 8 6k g，而B l a c k j a c k聚 焦 于质 量 为1 5 0k g的 卫 星 平 台，这 意 味 着卫 星 平 台 都 向 着 低 功 率 的 目 标 进 行 研发。小 型 号 的 卫 星 平 台 要 求 星 上 载 荷具 有 更 小 的 重 量、体 积 及 更 低 的 功 耗。（3）高 性 能为 了 满 足 卫 星 网 络 多 样 化 业 务的 需 求，卫 星 网 络 对 星 上 处 理 能 力的 要 求 在 日 益 增 强。B l a c k j a c k项目 中 的P i t B o s s分 系 统 采 用 先 进 的空 间 处 理 器 架 构，通 过 应 用 可 编 程门 阵 列（F P G A）、数 字 模 拟模 拟数 字 转 换（A D D A）、专 用 集 成 电路（A S I C）等 技 术，实 现 在 轨 边 缘计 算、数 据 传 输、链 路 管 理、数 据 加密 等 功 能，可 提 供 卫 星 目 标 跟 踪、定位、导 航 与 授 时 能 力，以 及 覆 盖 全 球的 快 速 通 信 等 服 务6。（4）开 放 性卫 星 边 缘 计 算 平 台 的 开 放 性 体 现为 接 口 开 放、硬 件 架 构 开 放、应 用 开放。接 口 开 放 即 通 过 配 置 通 用 的 标 准化 数 据 接 口 连 接 多 种 有 效 载 荷；采 用开 放 式 的 硬 件 架 构 可 以 使 平 台 根 据 不同 的 应 用 场 景 和 能 力 需 求 配 置 相 应 的模 块，实 现 功 能 的 灵 活 配 置 与 快 速 更新；应 用 开 放 即 通 过 虚 拟 化 技 术 形 成统 一 的 资 源 池，为 应 用 的 部 署 屏 蔽 底层 硬 件 差 异，以 实 现 第 三 方 应 用 的 快速 部 署。4 卫星边缘计算平台的架构4.1 系统架构卫 星 边 缘 计 算 平 台 采 用 开 放 式 架构，系 统 架 构 如 图2所 示。卫 星 边 缘计 算 平 台 主 要 包 括 主 控 板、路 由 交 换板、存 储 板 及 计 算 处 理 板。卫 星 边 缘计 算 平 台 通 过 与 卫 星 平 台 相 连 获 取 姿态、轨 道、遥 控 等 信 息，通 过 与 星间、星 地 链 路 相 连 接 实 现 星 间 组 网，图2 卫星边缘计算平台架构路由交换板计算处理板存储板CPUCPUFPGAFPGAFPGANPUFPGAGPU卫星边缘计算平台星间链路载荷星地链路载荷感知载荷用户链路载荷卫星平台主控板30|保密科学技术|2022 年 10 月特别策划与 用 户 链 路、感 知 载 荷 相 连 接 实 现 用户 数 据 的 接 入 与 反 馈。各 板 卡 功 能 如 下：（1）主 控 板 主 要 用 于 实 现 其 他 板卡 工 作 状 态 监 管、数 据 调 度、星 务 计算、时 钟 管 理 等 功 能，对 卫 星 提 供 控制 接 口，采 用 主 备 配 置；（2）路 由 交 换 板 主 要 用 于 完 成平 台 内 外 各 板 卡 的 数 据 交 换 和 星 间、星 地 链 路 之 间 的 路 由 转 发，对 平 台内 部 和 外 部 提 供 传 输 业 务 数 据 的 高 速接 口；（3）存 储 板 主 要 用 于 为 平 台 提 供存 储 扩 展；（4）计 算 处 理 板 主 要 用 于 完 成 星上 的 计 算 任 务。4.2 系统组成卫 星 边 缘 计 算 平 台 的 硬 件 部 分 采 用V P X标 准 的 开 放 式 平 台 架 构。背 板 上部 署 的 总 线 主 要 包 括 用 于 传 输 控 制 数据 的 低 速 总 线 和 用 于 传 输 业 务 数 据 的高 速 总 线。其 中，常 用 的 低 速 总 线 有 集 成电 路 间 总 线（I2C）、现 场 控 制 中线（C A N）等，可 以 用 于 实 现 时 钟管 理、板 卡 简 况 管 理 和 供 电 管 理 等功 能，以 总 线 形 式 部 署 于 背 板；常用 的 高 速 总 线 包 括 外 围 组 件 快 速 互连 总 线（P C I e）、以 太 网 及 快 速I O（R a p i d I O）等，P C I e总 线 部 署 于C P U处 理 板 与 其 他 处 理 板 卡 之 间；以太 网 或R a p i d I O部 署 在 路 由 交 换 板 和其 他 板 卡 之 间，并 与 外 部 高 速 接 口 互通，可 实 现 平 台 内 外 部 的 高 速 数 据 交换，如 图3所 示。主 控 板、路 由 板 和 存 储 板 可 以 选择C P U加 可 编 程 门 阵 列（F P G A）的 架 构。其 中，C P U主 要 用 于 部 署控 制 类 软 件，如 主 控 板 的 工 作 状 态 监管、数 据 调 度、星 务 计 算、时 钟 管 理等 软 件，路 由 板 的 路 由 控 制 软 件，存储 板 的 存 储 管 理 软 件 等；F P G A主 要用 于 主 控 板 和 存 储 板 接 口 的 扩 展，图3 卫星边缘计算平台内外部接口CPU以太网/RapidIOPCIeCAN/RS422/I2CFPGANPUGPUCAN2022 年 10 月|保密科学技术|31特别策划以 及 路 由 交 换 板 上 转 发 引 擎 的 实 现。在 器 件 选 型 方 面 可 以 考 虑 采 用 片 上 系统（S O C）芯 片 以 降 低 功 耗 和 空 间占 用。计 算 处 理 板 可 根 据 平 台 对 数 据 处 理能 力、能 耗 比 的 不 同 要 求，灵 活 配 置CPU处 理 板、FPGA处 理 板、神 经 网 络处 理 器（N P U）处 理 板 及 图 形 处 理 器（G P U）处 理 板，以 为 卫 星 边 缘 计 算平 台 提 供C P U、F P G A、N P U、G P U4种 计 算 资 源。其 中，F P G A可 以 针 对 特 定 应 用算 法 定 制 硬 件 架 构，实 现 灵 活 的 功 能配 置，通 过 建 立 流 水 线 并 行 处 理 的 架构 实 现 快 速 的 批 量 数 据 处 理。随 着 更先 进 半 导 体 工 艺 的 应 用，加 之 优 化 的算 法，F P G A可 在 特 定 应 用 中 实 现 比CPU、GPU更 佳 的 性 能 功 耗 比。C P U具 有 最 好 的 灵 活 性 与 通 用性，可 以 通 过 部 署 操 作 系 统 与 应 用 软件 完 成 复 杂 计 算 任 务。但 较 低 计 算 效率 使 得C P U在 面 对 计 算 性 能 要 求 较 高的 任 务 时 需 要 与 其 他 计 算 资 源 进 行 协同 处 理。GPU专 注 于 计 算 的 硬 件 化，内 部 集成 有 大 量 计 算 单 元，这 些 计 算 单 元 可以 进 行 计 算 密 集 型 批 量 处 理 任 务，主要 用 于 图 形、图 像 处 理 及 人 工 智 能 计算 等 领 域。N P U是 专 为 人 工 智 能 计 算 加 速 而设 计 的 芯 片，该 类 芯 片 采 用 数 据 驱 动并 行 计 算 的 架 构，可 以 将C P U、G P U处 理 器 需 要 用 数 千 条 指 令 完 成 的 神 经元 处 理 压 缩 到 几 条 指 令 之 内，在 深 度学 习 等A I计 算 方 面 的 能 效 比 有 明 显 的优 势。5 卫星边缘计算平台的关键技术（1）星载异构处理资源虚拟化技术为 实 现 计 算 资 源 的 统 一 管 理，需 要对 硬 件 计 算 源 进 行 虚 拟 化 抽 象，形 成统 一 的 计 算 资 源 池。资 源 的 异 构 性、有 限 性、动 态 性 等 特 点，需 要 一 种 轻量 化、高 灵 活 度 及 高 故 障 隔 离 度 的 异构 资 源 虚 拟 化 技 术，对 硬 件 计 算 源 进行 虚 拟 化 抽 象。目 前 虚 拟 化 技 术 可 分 为 完 全 虚 拟 化和 操 作 系 统 虚 拟 化，其 中 完 全 虚 拟 化技 术 占 用 资 源 相 对 较 多，不 适 用 于 资源 受 限 的 星 上 环 境，因 此 需 要 采 用 更加 轻 量 级 的 容 器 技 术 进 行 虚 拟 化。目前 的 虚 拟 化 技 术 主 要 为C P U资 源 的 虚拟 化，针 对G P U/F P G A等 异 构 资 源 还需 提 出 不 同 的 虚 拟 化 方 案，最 终 实 现对 异 构 处 理 资 源 的 调 用。（2）异 构 资 源 智 能 管 控 技 术为 了 卫 星 边 缘 计 算 平 台 的 计 算、存 储 等 资 源，需 要 针 对 平 台 资 源 异 构性、任 务 多 样 性 的 特 点，研 究 异 构 资源 智 能 管 控 技 术，在 物 理 资 源 和 虚拟 资 源 之 间 建 立 映 射，构 建 全 局 的 虚拟 资 源 池，实 现 资 源 的 动 态 发 现 和 共享，可 根 据 任 务 的 特 征 和 需 求，智 能调 用 平 台 的 资 源。（3）空 间 分 布 式 协 同 处 理 技 术由 于 单 星 上 的 边 缘 计 算 平 台 处 理 能力 受 限，处 理 复 杂 业 务 时，需 要 多 节点 协 同 处 理 完 成。在 多 节 点 协 同 处 理应 用 的 场 景 中，需 要 多 个 边 缘 计 算 平台 进 行 协 同 处 理。星 载 异 构 资 源 表 征难 度 大、协 同 管 控 复 杂，需 要 提 出 多节 点 间 的 分 布 式 虚 拟 资 源 协 同 算 法，32|保密科学技术|2022 年 10 月特别策划通 过 构 建 统 一 完 整 的 资 源 定 义 与 表达，形 成 网 络 化 分 布 式 异 构 资 源 池，利 用 机 器 学 习 技 术 实 现 协 同 策 略 的 自学 习 和 自 演 进。（4）基 于 虚 拟 化 的 网 络 安 全 技 术由 于 边 缘 计 算 平 台 处 理 的 网 络、计算 业 务 日 益 复 杂，用 户 类 型 也 随 之 增加，需 要 对 各 类 用 户 的 网 络 数 据 流 进行 划 分 隔 离，以 增 强 网 络 安 全 性。通 过 采 用 容 器 技 术 在 边 缘 计 算 平台 上 部 署 虚 拟 的 转 发 节 点 和 虚 拟 计算 终 端 节 点，结 合 网 桥、虚 拟 局 域网（V L A N）等 技 术 实 现 信 息 流 的 隔离，在 物 理 网 络 上 形 成 多 个 相 互 隔 离的 虚 拟 网 络。来 自 用 户 的 数 据 在 进 入网 络 时 会 被 打 上 相 应 的 标 签 并 进 入 对应 的 虚 拟 网 络，以 此 实 现 用 户 数 据 隔离，增 强 网 络 的 安 全 性。6 结语随 着 技 术 的 进 步，未 来 卫 星 计 算 平台 将 会 朝 着 更 加 开 放、更 加 智 能 化 的方 向 发 展。开 放 性 方 面：未 来 部 署 在 卫 星 边缘 计 算 平 台 的 应 用 会 不 断 增 加，需 要建 立 更 加 开 放 的 云 平 台 以 便 应 用 的 部署 和 维 护。目 前 在 地 面 互 联 网 环 境中 管 理 基 于 容 器 集 搭 建 云 平 台 主 要 采K u b e r n e t e s软 件，该 软 件 可 以 实 现 应用 部 署、规 划、更 新 与 维 护 等 功 能。但 是 这 类 软 件 需 要 轻 量 化 和 边 缘 自 制等 方 面 的 改 进，以 适 应 星 上 的 通 信 与计 算 环 境。智 能 化 方 面：随 着 图 像 处 理、目 标识 别、导 航 等 业 务 对 星 上 智 能 处 理 能力 的 需 求 日 益 增 长，未 来 卫 星 计 算 平台 必 然 会 向 智 能 化 方 向 发 展。目 前，随 着 电 子 技 术 的 进 步，多 种 智 能 处 理芯 片 的 出 现 为 人 工 智 能 技 术 在 卫 星 边缘 计 算 平 台 上 的 应 用 夯 实 了 基 础。参考文献1 庞勇,李增元,陈博伟,等.星载激光雷达森林探测进展及趋势J.上海航天,2019,36(03):2027.2 Raaen k,Ecr,Kjellmo I.Playing with Delay:anInteractive VR DemonstrationC.The 11th ACM Workshop on Immersive Mixed and Virtual Environment Systems(MMVE19).Association for Computing Machinery,2019:1921.3 Denby B,Lucia B M.Orbital Edge Computing:Nanosatellite Constellations as a New Class of Computer SystemC.The Twenty-Fifth International Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems(ASPI_OS20).Association for Computing Machinery,2020:939954.4 张飞,陈小前,于帅,等.基于天基边缘计算的在轨智能技术J.上海航天,2021,38(04):1924.5 胡锦涛.基于边缘计算的在轨协同计算策略研究D.西安:西安电子科技大学,2021.6 刘韬,陈双.黑杰克之赌台官自主任务系统进展J.国际太空,2020(12):3237.7 屈盈.低轨星座宽带网络边缘计算服务迁移策略研究D.成都:电子科技大学,2021.8 刘旭光,钱志升,周继航,等.星链卫星系统及国内卫星互联网星座发展思考J.通信技术,2022,55(02):197204.9 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