面向空天地一体化网络的移动边缘计算技术

唐清清，李 斌

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

0 引言

空天地一体化网络可以突破地表限制，实现全球全域无线覆盖和大时空尺度的快速通信服务，因此成为未来6G网络架构研究的核心方向之一[1]。面向6G的空天地一体化网络架构主要由三部分组成：由各种轨道卫星构成的天基网络，由高空平台 (High Attitude Platforms, HAPs)/无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV) 构成的空基网络以及传统的地基网络。其中地基网络又包括蜂窝无线网络、卫星地面站、移动卫星终端以及地面的数据处理中心等。

空天地一体化网络架构以地基网络为基础，结合卫星网络覆盖范围广以及HAPs/UAV灵活部署等优势，通过多种异构网络的深度融合来实现空、天、地三域的无缝覆盖[2]。然而，随着智能手机和平板电脑等设备的发展催生出了许多新的计算和能源密集型应用[3-4]，如语音识别、游戏、多媒体编码/解码及智能交通等。因此，空天地一体化网络除了为移动用户提供全球泛在连接以外，还需要提供各种各样的计算服务支持。通常情况下，移动用户可以将计算任务卸载到具有丰富计算资源的云数据中心处理，以弥补移动用户设备计算及存储资源受限的缺陷。然而，为了给不同地理位置的移动用户提供计算服务，云数据中心与移动用户的距离往往相距甚远，从而导致移动业务的处理需要经历较大的时延，这将难以满足新兴应用对于低至毫秒级端到端时延的需求。此外，对于没有地面网络通信设施支撑的海洋作业和偏远山区用户，其计算任务需要通过卫星网络或者HAPs/UAV网络作为中继转发至云数据中心处理。受限于卫星以及HAPs/UAV等跨域平台的高度制约，移动用户在空天地一体化网络中的传输时延也会相应增加，难以满足用户的实时需求。因此，借鉴地面网络移动边缘计算 (Mobile Edge Computing, MEC) 的思想[5]，在空天地一体化网络中引入MEC技术，其核心思想是将云数据中心丰富的计算和缓存资源下沉至距离移动用户较近的网络边缘，为用户提供多层次、异构的计算资源，使用户能在全球范围内获得计算服务，从而提升用户的体验质量。

目前，工业界和学术界已有一些研究者针对空天地一体化网络中的边缘计算技术开展了相关研究工作。但是，在这些工作中，卫星网络仍然被视为一个中继网络，即移动用户的计算任务通过卫星中继传输到远程云数据中心进行数据处理，而忽视了直接在卫星上进行任务处理的可行性。在卫星上直接处理来自移动用户的计算任务不仅可以减少回传链路的流量负担，还可以有效降低任务处理的时延，进而提升用户的体验质量。 因此，本文对基于MEC技术的空天地一体化网络展开了研究。首先，分析了在LEO卫星、HAPs/UAV上部署MEC服务器的可能性并对其网络架构进行了介绍。然后，讨论了在空天地一体化网络中引入MEC技术所带来的优势。最后，探讨了基于MEC技术的空天地一体化网络中存在的挑战。

1 空天地一体化网络概述

空天地一体化网络架构如图1所示。本节对空天地一体化网络中的3个组成部分,即天基网络、空基网络和地基网络分别进行了概述。

图1 空天地一体化通信网络架构Fig.1 Architecture of space-air-ground integrated network

1.1 天基网络

天基网络主要由不同轨道高度的卫星组成。根据不同的轨道高度，卫星可分为3种类型：地球同步 (Geostationary Earth Orbit, GEO) 卫星、中轨 (Medium Earth Orbit, MEO) 卫星和低轨 (Low Earth Orbit, LEO)卫星，其通信系统的特征如表1所示。

表1 卫星通信系统特征Tab.1 Characteristics of satellite communication system

GEO卫星的轨道高度为35 860 km，相比其他两种卫星，GEO具有更广的覆盖范围，且其覆盖范围相对地面固定。此外，单颗GEO卫星最大能覆盖42%的地球面积，一般只需3～4颗卫星即可完成除极地地区之外的全球覆盖。尽管GEO卫星具有很大的覆盖面积，但由于其轨道高度过高导致移动用户在数据传输时会有较大时延，因此GEO卫星适用于传统的卫星广播业务。此外，随着星间激光通信技术的发展，GEO卫星不再是空天地一体化网络中的必要部分[6]。

MEO卫星的轨道高度为2 000～20 000 km，其单星覆盖面积约为地球表面积的12%～38%，与GEO卫星的覆盖面积相比要小得多。此外，至少需要十几颗到几十颗MEO卫星才能完成全球覆盖。

LEO卫星的轨道高度低于2 000 km，其覆盖范围比前两种卫星小，需要多颗卫星组成大型卫星星座才能完成全球覆盖。此外，与GEO卫星和MEO卫星相比，LEO卫星不仅具有低成本、小型化的特点，其传输时延也较小，通常在30 ms左右。大型LEO卫星星座是当前卫星通信系统的重要发展趋势，通过增加卫星数量可以大幅提升系统容量。目前，多个国家已经启动了几个重大的LEO卫星研究项目，如OneWeb,SpaceX Starlink，O3b。不仅如此，我国关于空天地一体化网络架构中天基网络的研究也集中在LEO卫星。

1.2 空基网络

空基网络主要包括HAPs[7]和UAV[8]。其中，HAPs将无线基站安放在长时间停留在高空的飞行器上来提供通信业务，它使用已有的通信技术，可以与地面移动用户直接通信。UAV作为空中飞行基站，能够有效增强无线网络覆盖和容量。HAPs和UAV具有服务覆盖范围广、受地面因素影响小以及布设机动灵活等优势，可有效弥补地面网络的不足。

HAPs利用距地面20～50 km的高空平台作为基站来提供电信业务和广播业务。HAPs的网络容量主要由平台的载荷决定，其中系留式气球和飞艇的载荷比较大，通常为几百千克，预计可以搭载1个宏基站设备。与卫星通信系统相比，HAPs具有高容量、高频谱利用率、时延小、易维护、易升级以及可迅速建设等优点，可以以较低的成本覆盖大面积区域。

UAV自身固有的机动性、灵活性等特性，使其成为公共安全场景中一种实现快速、灵活、便捷通信的潜在方案。根据不同的飞行高度，可分为高空UAV平台和低空UAV平台。与低空UAV平台相比，高空UAV平台具有更广的覆盖范围，因此可为用户提供更多的无线链路接入机会。

1.3 地基网络

地基网络主要由地面通信系统组成，包括蜂窝无线网络、卫星地面站和移动卫星终端以及地面的数据处理中心。其中，蜂窝无线网络具有覆盖范围广和数据速率高的特点，能为用户提供各种各样的通信服务。目前，蜂窝无线网络已经从第一代移动通信技术向第五代移动通信技术演进，支持海量连接的同时为用户提供更高的数据传输速率。但是，地面网络容易受到自然灾害的破坏，并且由于覆盖范围有限而不能为偏远地区的用户提供通信服务[9]。

空天地一体化网络融合了卫星网络、HAPs/UAV网络以及地面网络的优势，有助于运营商实现低成本的全球泛在覆盖。此外，由于空天地一体化网络的异构性，对于用户不同的QoS需求可提供不同的通信服务，从而实现用户的全球泛在接入，是未来6G网络发展的重要趋势。

2 MEC概述

MEC作为下一代互联网的关键技术之一，在网络发展过程中呈现出越来越重要的作用。本节首先对MEC的基本概念进行简要概述，然后对在空天地一体化网络中引入MEC的优势进行讨论。

2.1 MEC的基本概念

智能终端设备爆炸式增长，增强了用户对新兴业务高能效、低时延、高可靠及超高密度连接的需求。鉴于此，2009年工业界和学术界提出了移动云计算 (Mobile Cloud Computing, MCC) 网络架构[10]。MCC的基本思想是将移动终端上的计算密集型任务上传到具有丰富计算和缓存资源的云数据中心处理，以弥补移动终端设备计算及存储资源受限的缺陷，进而为移动用户提供高质量的服务和体验[11]。此外，为了给不同地理位置的移动用户提供MCC服务，服务器与移动终端的距离往往相距甚远，从而导致移动业务的处理需要经历较大的时延，这将难以满足新兴应用对于低至毫秒级端到端时延的需求。为了克服MCC架构的缺点，MEC网络应运而生，其网络架构如图2所示。MEC网络将云数据中心丰富的计算和缓存资源下沉至距离移动用户较近的网络边缘，使移动用户能将计算任务、数据缓存服务迁移至附近的边缘服务器处理[12]，相比MCC网络，MEC网络进一步降低了移动用户业务处理时延。

图2 MEC网络架构Fig.2 Architecture of MEC

随着MEC技术的发展，欧洲电信标准化协会(European Telecommunication Standard Institute，ETS) 在2014年成立了MEC规范组(Industry Specification Group，ISG) 宣布正式推动 MEC 的标准化。随着进一步研究，ESTI对MEC中的“M”进行重新定义。“M”被定义为“multi-access”, 因此“MEC”也被扩展为“多接入边缘计算”[13]。

2.2 空天地一体化网络引入MEC的优势

在空天地一体化网络中引入MEC的优势主要体现在降低时延、缓存和节省回传带宽方面。

(1) 降低时延

在空天地一体化网络中，LEO卫星与地面距离相距很远，因此相对于传统的地面网络传输而言，其传输时延也会相应增加。因此，当空天地一体化网络中引入了MEC技术，则来自地面移动用户的计算任务可直接卸载到LEO卫星上处理，而不需要通过LEO卫星回传链路将任务卸载到云数据中心。这不仅能够避免因回传链路流量大而导致的传输时延增加问题，还能减少星地节点间不必要的通信交互。

(2) 缓存

缓存资源是MEC网络资源管理的一个重要内容，是提升用户体验质量的关键。在空天地一体化网络边缘部署MEC缓存技术，使其能够根据网络状态利用闲时的回传链路资源提前将移动用户潜在的内容需求缓存到空天地一体化网络的边缘侧。因此，当用户发起内容请求时，能够从MEC服务器的缓存空间中快速获取所请求的内容，从而提升用户的体验质量，并在一定程度上缓解回传链路的数据传输负担。

(3) 节省回传带宽

在空天地一体化网络中针对视频监控类等需要数据采集的业务，一般都是将本地采集的大量业务数据先上传到云数据中心存储后再下发给本地数据显示端，因此需要占用大量的卫星中继或地面回传带宽。如果在空天地一体化网络中部署MEC技术，则本地采集的业务可以直接存储在就近的MEC服务器上，从而有效节省带宽成本。

在空天地一体化网络中部署MEC技术，可以有效降低业务传输时延以及带宽成本，弥补空天地一体化网络中星地链路传输时延大以及带宽受限等问题。

3 MEC在空天地一体化网络中的应用

相较于地面网络单一的MEC服务器部署方式，MEC服务器在空天地一体化网络中的部署更加多样化。根据不同的网络需求，MEC服务器可以部署在LEO卫星上、HAPs上以及UAV上。这3种不同部署的方式对应不同的网络架构，即LEO-MEC融合网络架构、HAPs-MEC融合网络架构、UAV-MEC融合网络架构以及SAGIN-MEC融合网络架构。下面分别介绍这4种网络架构。

3.1 LEO-MEC融合网络架构

表2总结了现有的有关MEC在空天地一体化网络中的研究。MEC服务器除了能够部署在地面网络中，还可以部署在LEO卫星上。如图3所示，装备有MEC服务器的LEO卫星构成了空天地一体化网络中的卫星网络，能够处理来自地面移动用户的业务请求。考虑到能源和载荷的影响，LEO卫星上的MEC服务器可以考虑采用Docker这样的轻量级管理平台。通过在LEO卫星上部署MEC服务器，使卫星具有了计算、内容分发等能力[14]，不仅可以有效减少LEO卫星与地面网络之间频繁的星地链路传输以及端到端业务传输时延，还可以有效节省星地链路之间的业务数据传输带宽。此外，对于没有地面网络通信设施支撑的海洋作业和偏远山区用户可以直接将数据卸载到LEO卫星上处理。

表2 融合MEC的空天地一体化网络架构相关工作总结Tab.2 Overview of mobile edge computing in space-air-ground integrated network

图3 LEO-MEC融合网络架构Fig.3 Architecture of LEO-MEC integrated network

为了给偏远地区的用户提供计算服务，文献[15]提出了一种具有双边缘计算能力的星地融合网络，其目的是降低能量消耗和时延。其中，MEC服务器分别部署在地面基站侧以及LEO卫星上。考虑在一些网络不密集、网络部署不方便的偏远地区，计算资源有限的MEC服务器在处理大量突发卸载任务时可能会出现过载现象，因此在这种情况下可以利用LEO卫星上的计算资源辅助地面网络处理用户的数据卸载请求。文献[16]提出了一种基于博弈论的卫星边缘计算网络任务卸载策略优化方法，建立了多移动设备多卫星的排队模型，并通过分析得到了计算卸载的博弈策略和代价函数。从理论上证明了纳什均衡的存在性和唯一性。最后，通过数值仿真表明，该算法可以有效降低移动设备的平均成本。文献[17]使用动态网络虚拟化技术 (Network Functions Virtualization, NFV)[18]来整合LEO卫星覆盖范围内的计算资源，以最小化用户感知时延和系统能耗为目标提出了一种卫星边缘计算场景下的协同计算卸载方法，并讨论了该场景可能的任务调度模型。文献[19]提出了一个基于软件定义 (Software-Defined Networking, SDN) 的卫星-地面网络框架来动态地管理和协调网络、缓存和计算资源，并采用深度Q学习方法对联合资源分配优化问题求解。

3.2 HAPs-MEC融合网络架构

如图4所示，考虑到HAPs上载荷的限制，可在HAPs上装备轻量级的MEC服务器，计算、内容分发等能力从核心网下沉到HAPs平台，从而实现基于MEC的局域组网。HAPs传输链路通常存在视距传输信号，信号能量损耗小、传输质量高，可以与移动用户直接通信，是地面网络的有效延伸。在HAPs上装备MEC服务器后，一方面，对于来自移动用户的数据业务可以直接卸载到HAPs上处理，有效减轻地面核心网回传链路的流量负担以及节省回传带宽；另一方面，HAPs也可将接收到的数据通过卫星回传链路转发至云数据中心处理。文献[20]提出了一种星-空融合计算(Satellite-Aerial Integrated Computing, SAIC) 架构，其中来自地面/空中用户设备的计算任务既可以在HAPs上执行，也可以卸载到LEO卫星上。在SAIC架构下，研究了以最大化和速率为目标的两层网络中联合用户关联和卸载决策问题。文献[21]提出了一种利用地面基站、HAPs和卫星为地面用户提供卸载服务的高效优化框架，其目标是通过优化基站的发射功率和HAPs的位置来最大化用户的吞吐量。

图4 HAPs-MEC融合网络架构Fig.4 Architecture of HAPs-MEC integrated network

3.3 UAV-MEC融合网络架构

如图5所示，由于UAV具有高移动性和易于部署的优势，MEC技术使能的UAV融合网络架构因具有低时延和低传输能耗的特点而备受关注[22- 23]。

图5 UAV-MEC融合网络架构Fig.5 Architecture of UAV-MEC integrated network

为了增强UAV对计算密集型和时延敏感型任务的计算能力，文献[24]提出了一种基于双层无人机的MEC系统的卸载任务分配方法。在该系统模型中有两层UAV平台，分别为高空UAV平台和低空UAV平台。高空UAV 平台离地距离比低空UAV高，因此高空UAV平台的覆盖范围更加广泛。利用MEC技术，在高空UAV平台的边缘提供类似云服务器的计算功能，使得低空UAV平台可以将它们无法处理的计算密集型任务转移到高空UAV平台上执行。随着海上网络的快速发展，对计算密集型应用的需求越来越大，这些应用具有不同的能量消耗、传输带宽和计算时延需求。为了给不同需求的用户提供计算卸载服务，文献[25]提出了一个具有边缘云和中心云计算功能的空-地-海融合网络架构，从而为海事服务提供灵活的混合计算服务。在该融合网络中，卫星和UAV为用户提供边缘计算服务和网络接入，在此基础上将联合通信计算资源分配问题建模为一个复杂的决策过程，并设计了一个基于深度强化学习的方案来解决该问题。文献[26]提出了一种基于UAV微云的MEC机制。其中，移动UAV具有计算功能，可为本地处理能力有限的移动用户提供计算卸载的机会。此外，在满足移动用户的QoS需求约束条件下，提出了一种联合资源分配和UAV轨迹设计方案，以最大程度降低系统总能量消耗。不同于文献[26]的UAV轨迹设计方案，文献[27]提出了一个空天地融合网络 (Space-Air-Ground Integrated Network, SAGIN) 边缘/云计算架构。其中，飞行的UAV提供近用户侧边缘计算，卫星提供云计算访问。首先，基于SAGIN架构提出了一种联合计算资源分配和任务调度方法，以有效地将计算资源分配给UAV边缘服务器中的不同虚拟机。其次，研究了SAGIN中的计算卸载问题，并提出了一种基于深度学习的计算卸载方法来动态学习UAV的轨迹以及最优卸载策略。

3.4 SAGIN-MEC融合网络架构

如图6所示，为顺应未来网络发展的趋势和满足未来新型业务的差异性服务质量需求，提出了SAGIN-MEC融合网络架构[28]。在该架构中，MEC服务器分别部署在地面基站侧、UAV、HAPs以及LEO卫星上，为用户提供多层次、异构的计算资源，使用户能在全球范围内获得计算服务，从而提升用户的体验质量。

图6 SAGIN-MEC融合网络架构Fig.6 Architecture of SAGIN-MEC integrated network

由于SAGIN-MEC融合网络架构中涉及到4个不同的异构网络，如何解决异构网络断开、高网络延迟、间歇性中断以及网络负载不平衡等问题是一个挑战。针对上述问题，文献[29]提出了一种新的面向任务的智能网络体系结构(Task-Oriented Intelligent Networking Architecture, TOINA)。首先，在TOINA中应用边缘云计算技术和网络域划分技术，实现了智能组网以及降低时延的目的。其次，提出了面向任务的网络优化方法以提供个性化的网络服务，从而提高网络智能化程度。最后，利用信息中心网络架构来构建空天地一体化网络并优化内容命名规则，以实现空天地一体化网络的异构融合。文献[30]研究了空天地一体化网络在海上覆盖方面的潜在应用。考虑到在海上航行的船只具有分布稀疏的特点，而UAV具有灵活部署的特性，可为海上船只提供卸载服务。与UAV相比，HAPs和卫星具有更广泛的覆盖范围，因此当UAV无法满足覆盖要求时，可将任务卸载到HAPs或者卫星上。

除了上述研究外，考虑到基于MEC的空天地一体化网络中资源的异构性，如何对网络中的缓存、计算等资源进行管理和协调是一个挑战。SDN作为一种新兴的网络架构，可以实现对分布式网络节点和移动设备的逻辑集中控制[31]。在空天地一体化网络中引入SDN技术后可以从全局角度感知网络状态，并根据网络的动态性和用户的QoS需求对网络资源进行实时分配。因此，在空天地一体化网络中引入SDN技术能够有效管理和协调网络的资源，是未来空天地一体化网络架构的重要研究方向之一。

4 存在的问题与挑战

与传统的通信网络相比，在空天地一体化网络中引入MEC技术可以有效提高网络的性能，但是也会带来一些关键挑战。

4.1 安全性

由于空天地一体化网络包含了卫星、星地链路、地面蜂窝网络等多个网元，涉及到地面网关、数据中心、边缘计算等多样化的节点以及不同运营商之间的开放和共享。此外，由于卫星具有广覆盖和开放特性，利用卫星网络进行数据传输时容易受到窃听者的攻击。区块链作为一种分布式架构，以牺牲存储效率为代价来保证链上节点数据防篡改，是一种对存储资源、计算资源和网络资源有较高要求的技术。可以预见，在基于MEC的空天地一体网络中引入区块链技术可为各节点提供一种可靠、高效的网络接口和安全保障机制。

4.2 移动性管理

LEO卫星主要以点波束的形式对地面移动用户进行覆盖，然而由于LEO卫星高速运动或者用户的移动会导致其离开服务卫星的覆盖范围而中断服务。为了保障用户通信的连续性，需要将用户的业务切换至其他卫星，这个过程称为链路层切换[32]。如图7所示，链路层切换主要有波束间切换、星间切换和星地切换3种方式[33]。

(a) 波束和星间切换

波束间切换发生在同一颗卫星覆盖范围内，由于卫星或者用户的移动导致用户离开当前的波束覆盖范围而引起的切换。星间切换发生在两颗不同的卫星之间，由于卫星的高速运动导致用户移动至另一颗卫星的覆盖范围内而引起的切换。星地切换发生在卫星网络和地面网络之间，由于用户离开当前的地面网络覆盖范围移动至卫星的覆盖范围而引起的切换。在链路层切换中，由于通信链路不可用而导致的长切换延迟可能导致严重的分组丢失，并降低用户体验。此外，由于LEO卫星的运动轨道是固定的、可预知的，因此，可以运用深度学习算法去学习LEO卫星轨道运行的规律，从而设计出一种高效的切换方案来保证链路切换的顺利和业务的连续性。

4.3 干扰管理

相比独立的各个通信系统，空天地一体化网络的空口链路则显得复杂多样。在空天地一体化网络中引入MEC技术，会使得大量用户同时接入链路进行业务处理。然而，无线电频谱资源是有限的，用户同时接入势必会造成彼此之间严重的干扰。因此，设计一种智能、高效的频谱共享和干扰消除方法是未来空天地一体化网络的重要研究方向之一[34]。

5 结束语

MEC技术能够有效提高网络在响应速度和处理能力方面的性能，在空天地一体化网络中引入MEC技术是未来6G网络的重要发展趋势。本文旨在对空天地一体化中的MEC融合网络架构进行研究。首先对空天地一体化网络中的天基网络、空基网络、地基网络和MEC技术分别进行了概述，并讨论了引入MEC技术对空天地一体化网络带来的优势。接着，分别对LEO-MEC融合网络架构、HAPs-MEC融合网络架构、UAV-MEC融合网络架构和SAGIN-MEC融合网络架构进行了介绍，并阐述了这4种架构的应用场景。最后，对空天地一体化网络架构中存在的问题与挑战进行了探讨。