低轨星座通信网络边缘计算架构研究

• 作 者: 钟磊
• 出 处: 电子科技大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 低轨星座通信网络 边缘计算架构 仿真测试平台 计算节点选择策略

由于低轨星座通信网络覆盖范围大、组网灵活、花费较低等优势,适用于实现万物互联和全球通信。但是,由于卫星通信网络中存在较大的传输时延,不能有效满足高实时性业务的低时延需求。为满足低轨星座通信网络中实时性业务的需求,论文借鉴地面宽带网络中边缘计算技术相关研究,将其应用在低轨星座通信网络,把云计算中心的处理能力下沉到靠近用户的网络边缘,从而降低任务的响应时延、减少低轨星座通信网络的回传网络带宽消耗。论文的研究工作主要从以下几个方面展开:首先,论文针对低轨星座通信网络的特点,引入边缘计算理念,创新设计了低轨星座通信网络边缘计算架构。考虑到低轨卫星是一种资源受限的设备,需要一种高效的虚拟化技术来提升低轨卫星资源使用率。同时,由于低轨星座网络拓扑的时变性,会导致卫星与后端信关站的链路暂时中断,出现低轨卫星“离线”的情况。为应对此问题,论文设计了卫星边缘计算的平台管理层,使得卫星边缘计算节点具有自主工作能力,从而可以为卫星终端用户提供持续的应用服务。其次,论文设计了针对低轨星座通信网络边缘计算的仿真(emulation)测试平台,分别对I/O密集型和计算密集型两类典型应用案例进行了功能验证和性能测试。实验结果表明论文设计的边缘计算架构具备一般任务处理以及离线工作支持功能;同时,相比于传统后端云计算中心模式,低轨星座通信网络边缘计算模式可降低57%的响应时延,减少66%的网络带宽消耗。最后,论文提出了一种基于排队论与综合加权的计算节点选择策略。针对终端用户提交的计算卸载请求,本策略首先考虑将卸载请求在就近的通信接入卫星边缘计算节点上完成;如果通信接入卫星上的边缘计算节点不能很好的胜任,再综合考虑转发卸载请求所产生的数据传输和计算的总能耗、计算节点间的负载均衡情况以及对用户的响应时延等多个方面的因素,对候选计算节点中的这些因素分别进行评分,最终选择综合得分最高的计算节点作为卸载目标。通过模拟(simulation)实验,对比其他两种策略的结果表明,该策略能保证为全球所有用户的卸载请求进行处理的同时,并减少用户17%到34%的平均响应时延。