唐琴琴，謝人超,2，劉旭，張亞生，何辭，李誠成，黃韜,2

（1.北京郵電大學網(wǎng)絡與交換國家重點實驗室，北京 100876；2.紫金山實驗室，江蘇 南京 211111；3.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)在過去幾十年中取得了前所未有的增長，隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT,Internet of things）、增強現(xiàn)實（AR,augmented reality）/虛擬現(xiàn)實（VR,virtual reality）、4K/8K 視頻傳輸?shù)刃屡d應用的出現(xiàn)，為用戶提供全球隨時隨地的網(wǎng)絡接入、大規(guī)模的機器式通信和超可靠的通信已成為未來網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢[1]。然而，這些新興應用的發(fā)展也對當前的互聯(lián)網(wǎng)提出了新的挑戰(zhàn)。一方面，現(xiàn)有基于地面的蜂窩移動網(wǎng)絡設施易受地震、颶風等自然災害的影響；另一方面，出于經(jīng)濟和技術(shù)的考量，現(xiàn)有地面移動網(wǎng)絡的覆蓋范圍有限，不能實現(xiàn)全方位廣覆蓋的服務支持，仍有大量人口無法接入互聯(lián)網(wǎng)，尤其是在農(nóng)村、孤島、海上等區(qū)域[2]。針對上述趨勢和挑戰(zhàn)，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡應運而生，它具有地面蜂窩移動通信系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)勢，不僅能夠提供全天候的穩(wěn)定可靠服務，還能實現(xiàn)真正意義上的全球廣域覆蓋[3]。

星地協(xié)同網(wǎng)絡作為一種新型網(wǎng)絡架構(gòu)，融合地面網(wǎng)絡和衛(wèi)星網(wǎng)絡，覆蓋太空、航空、陸地、海洋等自然空間，保障天基、陸基、?；雀黝愑脩艋顒拥男畔⑿枨?，受到了產(chǎn)業(yè)界和學術(shù)界的廣泛關注[4-8]。由于在廣泛覆蓋、無縫連接和高速接入等方面具有優(yōu)勢，星地協(xié)同網(wǎng)絡將在國土安全、地球觀測和災難救援等多個領域發(fā)揮重要作用。作為互聯(lián)網(wǎng)的未來發(fā)展趨勢，星地協(xié)同網(wǎng)絡可以應對各種復雜的通信環(huán)境，受到了越來越多的國家和地區(qū)的廣泛重視，并紛紛啟動了相應的項目以支撐其發(fā)展，包括美國的空間通信和導航架構(gòu)[9]、歐盟的多國空間成像系統(tǒng)[10]、日本的空間政策基本計劃[11]、中國的天地一體化信息網(wǎng)絡項目[12]等。

星地協(xié)同網(wǎng)絡在提供泛在、可靠網(wǎng)絡的同時，也面臨著一些新的挑戰(zhàn)，尤其是在滿足用戶日益增長的服務質(zhì)量需求等方面。隨著語音識別、人臉識別、智能交通和3D 游戲等各種計算密集型應用及時延敏感型應用的快速發(fā)展，星地協(xié)同網(wǎng)絡需要為用戶提供各種各樣的計算服務。在這種情況下，人們可以通過計算卸載的方式將用戶終端的部分或全部計算任務卸載到數(shù)據(jù)中心，利用數(shù)據(jù)中心的計算資源來完成這些任務[13-15]。但是，數(shù)據(jù)中心通常建在距離用戶終端很遠的地面區(qū)域。這將導致高傳輸成本和服務時延，可能無法滿足網(wǎng)絡中各類用戶對服務質(zhì)量的不同需求，如高數(shù)據(jù)速率、低時延通信和低處理能耗等[15-18]。因此，借鑒移動網(wǎng)絡中移動邊緣計算（MEC,mobile edge computing）的思想[19-22]，在星地協(xié)同網(wǎng)絡中引入邊緣計算技術(shù)[23]，其核心思想是將云計算平臺擴展到網(wǎng)絡邊緣甚至用戶終端本身，為用戶提供多層次、異構(gòu)的計算資源，使用戶能夠在全球任何位置就近獲得計算服務，快速響應用戶的計算處理請求，提升用戶的服務體驗，減少網(wǎng)絡的冗余流量。

由于邊緣計算技術(shù)在響應速度和處理能力方面帶來顯著的性能提升，因此在星地協(xié)同網(wǎng)絡下部署邊緣計算已經(jīng)成為全球各界研究人員關注的重要方向之一[24-25]。然而，盡管當前業(yè)界已有一些研究者針對星地協(xié)同網(wǎng)絡中的邊緣計算技術(shù)開展了相關研究工作，并取得了一些代表性成果，但目前關于這一領域的研究基本只考慮了邊緣計算和星地協(xié)同網(wǎng)絡結(jié)合的基本模型，并對特定的技術(shù)進行了研究，缺少對總體架構(gòu)的細致設計，也沒有詳細考慮星地協(xié)同網(wǎng)絡和邊緣計算技術(shù)結(jié)合面臨的問題和挑戰(zhàn)。因此，本文擬對邊緣計算使能的星地協(xié)同網(wǎng)絡融合架構(gòu)與關鍵技術(shù)及挑戰(zhàn)展開研究。首先，分別概述了星地協(xié)同網(wǎng)絡和MEC 技術(shù)的基本概念及架構(gòu)，并詳細分析和討論了星地協(xié)同網(wǎng)絡中引入MEC 技術(shù)的動機和MEC 的部署問題。然后，詳細探討了融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡架構(gòu)，并對其相關研究工作、關鍵支撐技術(shù)以及典型應用進行了簡要的分析和討論。最后，對融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡中的任務調(diào)度、移動性管理、干擾管理、異構(gòu)性等關鍵挑戰(zhàn)和其他的一些開放性研究問題進行了細致的分析和討論。

2 星地協(xié)同網(wǎng)絡與MEC 概述

本節(jié)首先對星地協(xié)同網(wǎng)絡、MEC 基本概念及架構(gòu)進行簡要的概述，然后對在星地協(xié)同網(wǎng)絡中引入MEC 的動機進行了分析和討論，并探討了MEC 在星地協(xié)同網(wǎng)絡中的可行部署位置。

2.1 星地協(xié)同網(wǎng)絡概述

星地協(xié)同網(wǎng)絡的概念是將衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面網(wǎng)絡集成在一起，供地面用戶與衛(wèi)星網(wǎng)絡進行通信。其中包括許多的通信技術(shù)，例如衛(wèi)星通信、互聯(lián)網(wǎng)和移動無線網(wǎng)絡等。星地協(xié)同網(wǎng)絡通過將各種通信方法優(yōu)缺互補來解決不同網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的缺點，從而實現(xiàn)高性能和大覆蓋率的網(wǎng)絡傳輸。

2.1.1 星地協(xié)同網(wǎng)絡系統(tǒng)架構(gòu)概述

星地協(xié)同網(wǎng)絡系統(tǒng)架構(gòu)[26]如圖1 所示，主要由衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面網(wǎng)絡2 個部分構(gòu)成。這2 個網(wǎng)絡可以進行獨立或互操作，通過在這2 個網(wǎng)絡之間集成異構(gòu)網(wǎng)絡，可以輕松構(gòu)建分層寬帶無線網(wǎng)絡。

1)衛(wèi)星網(wǎng)絡

衛(wèi)星網(wǎng)絡由衛(wèi)星、星座以及相應的地面基礎設施（例如地面站和網(wǎng)絡運營控制中心等）組成。這些衛(wèi)星和星座處于不同的軌道，具有不同的特性。根據(jù)海拔高度，衛(wèi)星網(wǎng)絡中的衛(wèi)星可分為3 種類型：低軌道（LEO,low earth orbit）衛(wèi)星，中軌道（MEO,medium earth orbit）衛(wèi)星和地球同步軌道（GEO,geostationary earth orbit）衛(wèi)星[26]。

圖1 星地協(xié)同網(wǎng)絡系統(tǒng)架構(gòu)

①LEO/MEO 衛(wèi)星。一方面，LEO/MEO 衛(wèi)星構(gòu)成空間接入網(wǎng)絡，并向地面用戶提供無線訪問權(quán)限，以獲得長距離全球通信。另一方面，LEO/MEO衛(wèi)星可以充當中繼網(wǎng)絡提供用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^服務。需要注意的是，與移動蜂窩系統(tǒng)中的eNode B不同，LEO/MEO 衛(wèi)星的能量供應和計算能力非常有限，因此，在小規(guī)模星座以及微型LEO 衛(wèi)星中，執(zhí)行高能耗或計算密集型的任務可能不切實際。

②GEO 衛(wèi)星。對于星地協(xié)同網(wǎng)絡，GEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡在中繼LEO 或MEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)方面起著重要作用。但是，隨著用于衛(wèi)星間通信的激光通信技術(shù)的發(fā)展，GEO 中繼衛(wèi)星不再是星地協(xié)同網(wǎng)絡的必要部分。此外，與星間通信相比，GEO 衛(wèi)星中繼可能會導致更高的時延。

2)地面網(wǎng)絡

地面網(wǎng)絡主要由地面通信系統(tǒng)組成，包括蜂窩網(wǎng)絡、移動自組織網(wǎng)絡（MANET,mobile AD Hoc network）[27]、全球微波接入互操作性（WiMAX,worldwide interoperability for microwave access）[28]、無線局域網(wǎng)（WLAN,wireless local area network）等。蜂窩網(wǎng)絡已經(jīng)從1G 演進到了2G 和3G，經(jīng)過了4G或LTE-A（LTE-advanced）[29]，目前正在向5G 演進以支持各種服務。在標準化方面，第三代合作伙伴計劃（3GPP,third generation partnership project）也已經(jīng)開發(fā)了一套針對蜂窩/移動網(wǎng)絡的規(guī)范。地面網(wǎng)絡的優(yōu)點是能夠為用戶提供高數(shù)據(jù)速率，缺點是農(nóng)村和偏遠地區(qū)的網(wǎng)絡覆蓋范圍有限。

2.1.2 衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面網(wǎng)絡的比較

衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面網(wǎng)絡的比較如表1 所示。由于LEO 和MEO 的旋轉(zhuǎn)周期不同，因此衛(wèi)星通信的路由表會經(jīng)常更改。衛(wèi)星的傳輸方式主要是基于激光或微波傳輸，因此衛(wèi)星傳輸易受環(huán)境影響，從而導致干擾和時延現(xiàn)象的發(fā)生。此外，衛(wèi)星與地面之間的距離越大，傳輸?shù)却龝r間就越高。將衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面網(wǎng)絡進行比較，衛(wèi)星網(wǎng)絡的路由機制不穩(wěn)定且不固定，而地面網(wǎng)絡具有較大的帶寬、完整的骨干網(wǎng)和成熟的路由機制；衛(wèi)星網(wǎng)絡可以提供全球無縫覆蓋范圍，但傳輸時延較長，而地面網(wǎng)絡具有較低的傳輸時延，但易遭受自然災害或人為基礎設施破壞的影響。因此，衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面網(wǎng)絡各有其優(yōu)勢和劣勢，如何有效地整合衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面網(wǎng)絡的通信，保證用戶日益增長的服務質(zhì)量（QoS,quality of service）需求，是未來的一個重要發(fā)展方向，同時也存在許多挑戰(zhàn)。

2.2 MEC 概述

作為移動網(wǎng)絡的重要技術(shù)之一，移動邊緣計算在當前的網(wǎng)絡發(fā)展過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。本節(jié)首先對MEC 的標準化進行介紹，然后對MEC 的體系架構(gòu)進行簡要的概述。

2.2.1 MEC 標準化

歐洲電信標準協(xié)會（ETSI,European Telecommunication Standards Institute）于2014 年首次提出了移動邊緣計算的概念，將其定義為“在移動網(wǎng)絡的邊緣提供IT 服務環(huán)境和云計算能力”。隨著研究的深入，ETSI 進一步擴展了MEC 中“M”的定義，它不僅限于移動接入，而且包括其他非3GPP接入方法，例如Wi-Fi 接入和固定接入。因此，“M”被重新定義為“Multi-Access”，移動邊緣計算的概念也被擴展為多接入邊緣計算[19]。MEC 可視為在網(wǎng)絡邊緣運行的一種云服務平臺，能夠支持業(yè)務處理與資源調(diào)度功能的部署，實現(xiàn)服務性能和用戶體驗的改善，并在一定程度上減少回傳鏈路的數(shù)據(jù)傳輸和核心網(wǎng)的帶寬壓力[30]。

表1 衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面網(wǎng)絡的比較

ETSI 除了包括MEC 應用實現(xiàn)和應用程序接口（API,application program interface）等方面的工作外，還開展了很多相關工作來推進MEC 的標準化進程，以及一些非3GPP 和5G 網(wǎng)絡的標準化支持工作。除了ETSI，3GPP 還做了一些工作來規(guī)范移動網(wǎng)絡中MEC 的使用。在ME23.799 和TR23.501中，MEC 被認為是5G 網(wǎng)絡架構(gòu)的關鍵技術(shù)之一。因此，其在會話管理、有效的用戶平面選擇和QoS框架、計費以及網(wǎng)絡能力開放等方面的應用得到了產(chǎn)學研各界的重點研究和討論[31]。

2.2.2 MEC 的體系架構(gòu)

圖2 描繪了一個詳細的MEC 參考體系架構(gòu)[32]，該架構(gòu)由ETSI 提出，詳細定義了各個功能實體之間的相互關聯(lián)。由圖2 可知，MEC 可以直接通過用戶終端應用程序為用戶服務，也可以通過面向客戶的服務（CFS,customer facing service）門戶來為第三方客戶提供服務。用戶終端和CFS 門戶都通過MEC 系統(tǒng)級管理與MEC 系統(tǒng)交互。

移動邊緣用戶可以通過MEC 系統(tǒng)級管理的用戶應用生命周期管理代理來對相關應用和服務進行實例化、終止或重新定位。然后，操作支持系統(tǒng)（OSS,operation support system）決定是否批準相關請求，被批準的請求將轉(zhuǎn)發(fā)到移動邊緣編排器。移動邊緣編排器是MEC 系統(tǒng)級管理中的核心功能，它維護可用計算/存儲/網(wǎng)絡資源和MEC 服務的總體視圖。移動邊緣編排器根據(jù)應用程序需求（例如時延）將虛擬化MEC 資源分配給即將啟動的應用程序。此外，編排器還可以靈活地將可用資源向下/向上擴展到已運行的應用程序。

MEC 系統(tǒng)級管理與構(gòu)成移動邊緣平臺和虛擬化平臺管理器的MEC 服務器級管理互連。前者負責管理應用程序的生命周期、應用程序規(guī)則和服務授權(quán)、流量規(guī)則等；后者負責分配、管理和釋放MEC 服務器內(nèi)的虛擬化基礎設施提供的虛擬化計算、存儲資源。MEC 服務器是參考體系架構(gòu)的一個重要組成部分，它代表虛擬化的資源，并在虛擬化基礎結(jié)構(gòu)之上承載作為虛擬機運行的MEC 應用程序。

圖2 MEC 參考體系架構(gòu)

2.3 在星地協(xié)同網(wǎng)絡中引入MEC 的動機

盡管星地協(xié)同網(wǎng)絡的潛力巨大，但面臨諸多挑戰(zhàn)，可能會限制其廣泛應用。星地協(xié)同網(wǎng)絡面臨用戶不斷提高的QoS 需求的挑戰(zhàn)，如高數(shù)據(jù)速率、低通信時延和處理能耗等。尤其是近幾年，隨著智能終端的快速發(fā)展，涌現(xiàn)了許多新的計算和能源密集型應用，如語音識別、游戲、多媒體編碼/解碼和智能交通等。雖然云計算可以用來完成這些任務，但是它受到廣域網(wǎng)中不可靠的數(shù)據(jù)傳輸時延或時延抖動的影響[33]，無法滿足用戶對QoS 的需求。此外，星地協(xié)同網(wǎng)絡還面臨可伸縮性、安全性和可靠性等挑戰(zhàn)。引入邊緣計算可有效應對上述挑戰(zhàn)，已成為未來重要的發(fā)展趨勢。接下來，本文從終端用戶和運營商的角度分別對在星地協(xié)同網(wǎng)絡中引入邊緣計算的動機展開分析和探討，為之后的融合工作介紹和討論提供依據(jù)。具體來說，從用戶終端角度引入MEC 的動機主要是進一步滿足用戶的QoS 需求和降低終端的能耗，從運營商角度主要是進一步降低核心網(wǎng)流量、提高網(wǎng)絡的可伸縮性和安全性。接下來，本文將分別對這些動機展開討論。

1)實時QoS 保障

隨著智能終端的快速發(fā)展，其性能也在不斷地提高和完善，但大多數(shù)智能終端仍然缺乏足夠的性能來完成具有預定義QoS 需求的實時用例。通過計算卸載，將計算任務通過衛(wèi)星卸載到云服務器，可以有效滿足容量有限的終端設備的計算需求。然而，各種新興業(yè)務應用的快速發(fā)展，如物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、4K/8K 視頻傳輸?shù)?，對星地協(xié)同網(wǎng)絡提出了諸如超低時延、高QoS 保障等新的需求。例如，在自動駕駛場景，集成到自主車輛中的攝像機生成的數(shù)據(jù)需要實時處理，以確定瞬間所需的駕駛動作。對于這類對時延敏感的應用，傳統(tǒng)的云計算卸載并不是一種很好的解決方案，因為通過廣域網(wǎng)訪問它們時會造成較高的時延。在這種情況下，邊緣計算通過在網(wǎng)絡邊緣滿足為用戶提供就近的計算、存儲能力，被認為是應對這種挑戰(zhàn)的有效手段。通過邊緣計算，用戶的計算需求可以直接在邊緣服務器得到處理而不需要傳輸?shù)竭h程云服務器，從而大大降低了任務的處理時延，提高了用戶的體驗質(zhì)量。文獻[34]的研究表明，與云計算相比，基于邊緣計算的卸載方案在處理物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)時可有效降低時延，保障用戶QoS 需求。

2)能耗優(yōu)化

在考慮移動設備時，能耗是最重要的參數(shù)之一。雖然智能終端的處理能力在穩(wěn)步提高，但電池壽命并沒有以期望的速度提高。隨著各種計算密集型應用的發(fā)展，在設備本身上執(zhí)行這些應用程序會導致非常高的能耗。在這種情況下，盡管將計算任務卸載到云服務器可以在一定程度上降低移動設備處理計算任務的計算能耗，但是由于云服務器通常建立在距離移動終端非常遠的地方，移動設備用于傳輸任務的傳輸能耗也會隨之提高。因此，在星地協(xié)同網(wǎng)絡中引入邊緣計算，將計算任務卸載到距離用戶更近的網(wǎng)絡邊緣，有助于進一步降低移動設備的能耗。文獻[35]對諸如人臉識別和增強現(xiàn)實等應用的能耗進行了分析，研究結(jié)果表明，與云服務器相比，將任務卸載到邊緣服務器可以有效地降低設備終端的能耗。因此，邊緣計算的引入對星地協(xié)同網(wǎng)絡中電池能量有限的移動設備是非常必要的。

3)核心網(wǎng)流量調(diào)度

核心網(wǎng)帶寬有限，易受擁塞影響。根據(jù)Cisco公司最新發(fā)布的預測報告，到2021 年，全球設備的總量將達到750 億，而移動流量將超過24.3 EB/月[36]。因此，運營商在管理具有不同大小和特征的累積數(shù)據(jù)流量時面臨巨大挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)星地協(xié)同網(wǎng)絡中，移動設備產(chǎn)生的流量通過衛(wèi)星或其他接入設備接入核心網(wǎng)絡并進一步訪問云服務器。如果這些業(yè)務能夠在星地協(xié)同網(wǎng)絡邊緣被滿足，則可以大大減輕核心網(wǎng)絡的負擔，并且優(yōu)化帶寬利用率。網(wǎng)絡的這種轉(zhuǎn)變防止了邊緣數(shù)十億設備消耗核心網(wǎng)絡的有限帶寬，因此，核心網(wǎng)絡所負責的業(yè)務在規(guī)模上變得可管理，并且簡化了操作。不僅是網(wǎng)絡運營商，云服務提供商也面臨同樣的挑戰(zhàn)。例如，如果物聯(lián)網(wǎng)傳感器（如攝像機）生成的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡邊緣進行處理，那么云數(shù)據(jù)中心對計算資源的需求就會降低。因此，邊緣計算的引入可有效解決核心網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心的擁塞問題。

4)可伸縮性

終端設備的數(shù)量預計將在幾年內(nèi)達到數(shù)萬億，因此，可伸縮性問題是星地協(xié)同網(wǎng)絡面臨的重大挑戰(zhàn)之一[37]。為了支持這些實時變化的動態(tài)需求，可以相應地縮放云。然而，向云服務器發(fā)送大量數(shù)據(jù)會在數(shù)據(jù)中心內(nèi)造成擁塞。并且由于終端設備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量不斷發(fā)生變化，也使運營商的工作變得更加困難。在這種情況下，云計算的集中式結(jié)構(gòu)無法為數(shù)據(jù)和應用程序提供一個可伸縮的環(huán)境。在星地協(xié)同網(wǎng)絡中引入邊緣計算，在邊緣服務器上以虛擬機（VM,virtual machine）的形式分發(fā)服務和應用程序并進行復制，可極大地提高整個系統(tǒng)的可伸縮性[38]。如果邊緣服務器變得擁擠并且無法滿足傳入的請求，則可以將相應的服務復制到附近的另一個邊緣服務器上，并允許對請求進行進一步的處理。此外，通過邊緣計算可以對星地協(xié)同網(wǎng)絡邊緣的數(shù)據(jù)進行預處理，從而可以極大地降低轉(zhuǎn)發(fā)給云服務器的流量，減輕云的可伸縮性負擔。

5)安全性和可靠性

在星地協(xié)同網(wǎng)絡中，如果所有數(shù)據(jù)都傳回主服務器，則操作過程和數(shù)據(jù)都極易受到攻擊。分布式的邊緣計算將在不同的數(shù)據(jù)中心和設備之間分配數(shù)據(jù)處理工作。因此，攻擊者無法通過攻擊一臺設備來影響整個網(wǎng)絡。如果數(shù)據(jù)是在本地存儲和分析的，那么安全團隊可以輕松地對其進行監(jiān)視，從而大大提高整個系統(tǒng)的安全性。此外，與云計算相比，邊緣計算提供了更好的可靠性。邊緣計算服務器部署在更靠近用戶的位置，因此，網(wǎng)絡中斷的可能性大大降低了。

2.4 MEC 部署

相較于地面網(wǎng)絡，星地網(wǎng)絡中MEC 擁有更多的部署位置選擇，以適應不同的需求。然而，由于星地網(wǎng)絡場景的各種限制條件，部署也存在許多需要解決的問題。本節(jié)首先介紹了MEC 部署位置，然后針對部署中存在的問題進行了說明。

2.4.1 MEC 部署位置

MEC 是一種開放式體系結(jié)構(gòu)和平臺，可以靈活地部署在不同的位置，以滿足不同的服務和需求。在星地協(xié)同網(wǎng)絡中，MEC 的部署位置通?？梢苑譃橐韵聨追N類型。

1)部署于地面網(wǎng)絡基站側(cè)

MEC 服務器可以部署在用戶附近的地面基站側(cè)，這種部署方式與常規(guī)MEC 非常相似，計算任務可以直接卸載到用戶附近基站的MEC，任務可以實現(xiàn)就近處理，大大減少了等待時間。此外，整個星地網(wǎng)絡的流量也將得到緩解。但是，這種部署方式要求用戶附近存在可用基站，更適用于密集用戶場景。對于通過地面終端站連接到衛(wèi)星的稀疏用戶場景，這種部署方式并不適用，因為地面終端站沒有額外的計算能力。而且，為一小群用戶部署這種專用的MEC 服務器在經(jīng)濟上也是不可行的。

2)部署于低軌衛(wèi)星

MEC 服務器也可以部署在LEO 衛(wèi)星中。在這種情況下，衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的所有地面設備都可以受益于卸載服務。衛(wèi)星和地面骨干網(wǎng)之間的流量也減少了。與部署于地面基站側(cè)相比，此方案的時延相對較高，但是與將請求發(fā)送到遠程云相比，它在時延方面仍然有重大改進。該部署方案的缺點在于，進行密集的計算將大大增加衛(wèi)星的能耗，當嚴格限制衛(wèi)星的能量供應時，計算卸載功能將會受到很大的限制。

3)部署于地面站網(wǎng)關

將MEC 服務器部署在地面站網(wǎng)關中，能夠為更多的用戶提供計算能力更強的服務。如果在地面站網(wǎng)關中部署了MEC 服務器，則所有域用戶都可以享受MEC 服務，從而避免了地面站網(wǎng)關和遠程云之間的大量數(shù)據(jù)傳輸。與上述卸載方式相比，由于LEO 衛(wèi)星鏈路的額外中繼，此種部署方式導致服務的時延相對較高，但在實施和維護方面更實用。

2.4.2 部署存在的問題

在星地網(wǎng)絡中，考慮到衛(wèi)星的高移動性、能耗受限以及不同服務需求的問題，部署MEC 需要對以下問題加以考量。

1)衛(wèi)星高移動性

衛(wèi)星網(wǎng)絡不同于地面網(wǎng)絡，衛(wèi)星網(wǎng)絡中的衛(wèi)星都處于周期性的高速運動過程中。將MEC 部署于衛(wèi)星上，計算卸載到衛(wèi)星上后，在衛(wèi)星高速運動過程中，如何保障服務的連續(xù)性是必須考慮的問題。因此，必須設計合理的移動性管理方案，對計算卸載的服務連續(xù)性進行保障。

2)衛(wèi)星能耗受限

衛(wèi)星體積較小，電池受限，這就導致在衛(wèi)星上部署MEC 必須要考慮能耗的問題。針對此，考慮采用Docker 容器的輕量級部署方式，可減少部署的能耗。此外，在計算卸載過程中，相鄰的衛(wèi)星之間進行協(xié)作卸載，也可有效減輕單個衛(wèi)星的能耗，并能有效提升衛(wèi)星網(wǎng)絡的資源利用效率。

3)不同服務需求

考慮到不同服務對時延有不同的需求，MEC的部署也需要根據(jù)不同的場景進行調(diào)整。若用戶對時延要求較高，MEC 應該部署于更靠近用戶的位置，如地面站、衛(wèi)星等；若計算服務對時延需求不大，但需要很高的計算處理能力，則需要考慮網(wǎng)關等計算資源豐富的部署地點。

3 融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡架構(gòu)

本節(jié)首先對融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡的架構(gòu)設計相關研究現(xiàn)狀進行了介紹和梳理。然后結(jié)合當前相關工作，對融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡的體系架構(gòu)進行了概述，此外，還介紹了該架構(gòu)的一些支撐關鍵技術(shù)和適用的一些典型應用。

3.1 相關工作介紹

融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡已成為當前研究的熱點問題之一。國內(nèi)外很多研究學者都已經(jīng)開展了相關工作，對融合網(wǎng)絡架構(gòu)展開了研究。具體來說，當前架構(gòu)設計的相關研究工作可以分為2 類，即以用戶體驗質(zhì)量為優(yōu)化目標的融合架構(gòu)設計和以網(wǎng)絡性能為優(yōu)化目標的融合架構(gòu)設計。以用戶體驗質(zhì)量為優(yōu)化目標的相關工作又可以進一步分為以降低時延和以降低時延和能耗為優(yōu)化目標2 類。接下來，將對這些相關研究工作展開詳細的介紹和討論。

在以降低時延為優(yōu)化目標的融合架構(gòu)設計方面，文獻[39]提出了面向5G 衛(wèi)星網(wǎng)絡的一種靈活的網(wǎng)絡切片技術(shù)，并結(jié)合軟件定義網(wǎng)絡（SDN,software defined network）和網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV,network functions virtualization）技術(shù)，設計了基于衛(wèi)星網(wǎng)絡的邊緣計算系統(tǒng)架構(gòu)和資源管理機制。該機制可以根據(jù)應用場景和業(yè)務需求的不同，基于不同的QoS 需求分配資源。仿真結(jié)果表明，提出的架構(gòu)可滿足不同的帶寬和計算資源需求，有效減少時延。由于當前的機載處理能力和衛(wèi)星間通信速率的限制，從衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)的時延較高，數(shù)據(jù)利用率較低。為了智能地使用衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)，文獻[40]提出了一種面向5G/6G 的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)邊緣智能計算架構(gòu)，并分析了邊緣計算和深度學習如何在衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)圖像數(shù)據(jù)目標檢測中發(fā)揮作用。仿真結(jié)果表明，邊緣智能計算可以有效減少衛(wèi)星傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)處理和通信時延，提高星際鏈路的帶寬利用率，減輕衛(wèi)星地面站數(shù)據(jù)處理的壓力。

在以降低時延和能耗為優(yōu)化目標的融合架構(gòu)設計方面，文獻[25]提出了一種面向高速星地協(xié)同網(wǎng)絡的衛(wèi)星MEC 集成架構(gòu)，并提出了一種動態(tài)NFV 技術(shù)，以將計算資源整合到LEO 衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)。此外，該文還提出了一種面向QoS 保障的任務調(diào)度模型，以有效降低用戶感知的時延和系統(tǒng)能耗。文獻[41]提出了一種空天地融合網(wǎng)絡邊緣/云計算架構(gòu)，該架構(gòu)可在考慮遠程能源和計算約束的情況下減輕計算密集型應用的負擔，其中無人機提供靠近用戶的邊緣計算，而衛(wèi)星提供對云計算的訪問支持。此外，該文還提出了一種聯(lián)合資源分配和任務調(diào)度方法，以有效地將計算資源分配給VM 并調(diào)度卸載的任務。

在以提高系統(tǒng)性能為優(yōu)化目標的融合架構(gòu)設計方面，文獻[42]提出了一種軟件定義的星地協(xié)同組網(wǎng)體系架構(gòu)，該架構(gòu)不僅集成了衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面網(wǎng)絡，還利用軟件定義網(wǎng)絡和移動邊緣計算來提供多樣化通信服務。這不僅提升了網(wǎng)絡管理的靈活性，還提高了全球多媒體服務的質(zhì)量。文獻[43]提出了一種面向智慧城市的星地協(xié)同霧計算架構(gòu)以提高用戶的體驗質(zhì)量，利用車聯(lián)網(wǎng)中資源較豐富的車載設備來緩解由于用戶需求動態(tài)變化導致的計算資源需求地理不平衡問題。此外，該文還提出了一種通過資源定價影響車輛路徑選擇的激勵方案，以平衡資源需求并基于地理分配計算資源。

本節(jié)從優(yōu)化目標的角度對目前的融合架構(gòu)方案進行了詳細的分析，如表2 所示。在各個方案中，大多數(shù)的架構(gòu)在考慮融合邊緣計算時，仍然考慮邊緣計算部署在地面網(wǎng)絡，將衛(wèi)星作為接入邊緣計算資源的接入節(jié)點。也有一些設計方案（如文獻[39,43]）考慮將邊緣計算直接部署在衛(wèi)星上，為用戶提供更快速的計算響應和更高質(zhì)量的服務。但是這些研究只給出了融合的基本模型，并對特定的技術(shù)進行了研究，缺少對總體架構(gòu)的細致設計。因此，本文總結(jié)當前的研究工作，提出了一種融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡的綜合體系架構(gòu)。

3.2 融合架構(gòu)概述

圖3 顯示了融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡架構(gòu)，該架構(gòu)由以下幾個部分組成。

1)衛(wèi)星網(wǎng)絡

衛(wèi)星網(wǎng)絡主要由低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡組成，與移動蜂窩系統(tǒng)中的eNode B 不同，低軌衛(wèi)星的能量供應和計算能力非常有限，因此，在小規(guī)模的低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡中，可能無法處理高能耗或計算密集型的計算任務。這里需要注意的是，衛(wèi)星網(wǎng)絡中并不只包括低軌衛(wèi)星，例如，O3b 網(wǎng)絡運行的中軌衛(wèi)星星座可為數(shù)據(jù)傳輸提供中繼服務，但由于沒有利用到相關的功能，因此在本架構(gòu)中不做考慮。

表2 融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡架構(gòu)設計相關研究工作總結(jié)歸類

圖3 融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡架構(gòu)

2)地面網(wǎng)絡

地面網(wǎng)絡主要包括地面站和地面骨干網(wǎng)。

①地面站。在星地協(xié)同網(wǎng)絡中，有地面網(wǎng)關站和地面終端站2 種類型的地面站。地面網(wǎng)關站應該配備強大的定向天線，并且能夠支持大量用戶，如蜂窩網(wǎng)絡或區(qū)域IP 網(wǎng)絡。相反，地面終端站的天線沒有那么強大，它只為一小部分用戶（如家庭或?qū)W校）傳輸數(shù)據(jù)。

②地面骨干網(wǎng)。地面骨干網(wǎng)主要包括MEC 平臺、數(shù)據(jù)中心、SDN 控制器以及用于網(wǎng)絡接入和路由的各種設備。地面骨干網(wǎng)通過蜂窩網(wǎng)絡與用戶設備通信，通過雷達接收衛(wèi)星計算任務。數(shù)據(jù)中心具有較豐富的計算和存儲資源，可以處理網(wǎng)絡中各種用戶設備生成的計算任務。SDN 控制器負責網(wǎng)絡的路由轉(zhuǎn)發(fā)及流量控制，提供網(wǎng)絡的統(tǒng)一管理與編排功能。一個星地協(xié)同網(wǎng)絡的廣域地面區(qū)域的總流量以地面骨干網(wǎng)為單位進行聚合。需要注意的是，一個星地協(xié)同網(wǎng)絡可能在地面上有幾個地面骨干網(wǎng)。

3)用戶設備

用戶設備指星地協(xié)同網(wǎng)絡中的移動設備，例如智能手機、AR/VR 設備和智能車輛等。這些設備的計算能力有限，因此它們生成的計算任務可能需要卸載到星地協(xié)同網(wǎng)絡來進行處理。

根據(jù)使用人群密度的不同，融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡架構(gòu)的應用場景主要分為密集型用戶場景和稀疏型用戶場景。在密集型用戶場景下，對于移動用戶，4G/5G 服務可以通過部署蜂窩塔和eNode B 來構(gòu)建地面蜂窩網(wǎng)絡，計算任務可以就近卸載到基站側(cè)的MEC 平臺進行處理，不需要通過蜂窩網(wǎng)絡傳輸至數(shù)據(jù)中心進行處理。在稀疏用戶場景下，用戶可能分布在高空平臺、飛機、孤島、農(nóng)村等區(qū)域。在這些情況下，地面蜂窩移動網(wǎng)絡無法覆蓋，并且用戶終端的通信、計算、緩存和存儲容量都非常有限。因此，這些用戶終端可以通過衛(wèi)星進行通信，直接將其計算任務卸載到衛(wèi)星上，或者通過衛(wèi)星中繼將其計算任務卸載到地面數(shù)據(jù)中心進行任務處理。

在提出的架構(gòu)中，典型的任務處理流程如下。用戶生成計算任務，首先判斷本地的計算資源是否能滿足其需求，如果本地計算資源無法滿足用戶需求，則根據(jù)所處環(huán)境決定將其卸載到衛(wèi)星網(wǎng)絡中的邊緣計算節(jié)點還是地面網(wǎng)絡的邊緣計算節(jié)點。當相應的邊緣計算節(jié)點接收到計算任務時，如果處于繁忙狀態(tài)，則將計算任務發(fā)送到數(shù)據(jù)中心進行處理；否則，它將根據(jù)自己的計算能力決定是否與周圍的邊緣計算節(jié)點合作來處理計算任務，這取決于邊緣計算網(wǎng)絡的協(xié)同任務調(diào)度策略。當任務處理完成后，將結(jié)果返回到用戶設備或數(shù)據(jù)中心取決于任務的類型?？偟膩碚f，整個網(wǎng)絡架構(gòu)通過將計算資源部署到更靠近用戶的星地協(xié)同網(wǎng)絡，大大縮短了服務響應時間，并且邊緣計算節(jié)點之間的協(xié)作進一步加快了任務處理速度，提高了用戶服務體驗。

3.3 關鍵技術(shù)

本節(jié)對融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡架構(gòu)中的幾種關鍵支撐技術(shù)展開探討，包括軟件定義網(wǎng)絡技術(shù)、動態(tài)網(wǎng)絡功能虛擬化技術(shù)等。然后對在融合網(wǎng)絡中運用這些技術(shù)時存在的問題以及解決方案展開了分析和討論。

3.3.1 軟件定義網(wǎng)絡技術(shù)

SDN 作為一種新興的網(wǎng)絡架構(gòu)，能夠有效幫助設計動態(tài)、可管理的網(wǎng)絡。SDN 通過將控制平面和數(shù)據(jù)平面分離，在基礎網(wǎng)絡設備中只保留相應的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，在控制平面上進行控制功能的集成，通過控制器實現(xiàn)對網(wǎng)絡設備的統(tǒng)一控制?？刂破鲹碛袑φ麄€網(wǎng)絡的控制能力，通過下發(fā)相應的策略命令控制節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)等功能。SDN 控制器具有網(wǎng)絡資源的全局視圖，并根據(jù)網(wǎng)絡的動態(tài)性和服務的QoS 要求，對網(wǎng)絡資源進行實時的邏輯分配。通過對控制器的全面管理，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡的鏈路發(fā)現(xiàn)、拓撲控制等功能。因此，從全局的角度來看，SDN有助于網(wǎng)絡管理，并通過開放接口支持可編程性，可以實現(xiàn)一個適應性強、效率高、可管理、成本效益高的網(wǎng)絡[44]。

SDN 在融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡中部署的邏輯結(jié)構(gòu)如圖4 所示?；A設施層由一些物理資源組成，包括衛(wèi)星域和地面域中的通信、存儲和計算資源。它們構(gòu)成了向用戶提供無縫通信的網(wǎng)絡基礎設施。在抽象層，利用NFV 技術(shù)對物理資源進行抽象，將虛擬化的資源集中起來，為SDN 控制器提供網(wǎng)絡資源的全局視圖。在控制層，位于地面的SDN 控制器使用南向接口與衛(wèi)星和地面的物理網(wǎng)絡元件進行通信。應用層由多個星地協(xié)同網(wǎng)絡的服務和網(wǎng)絡管理模塊（如移動性管理、流量工程、路由、遠程配置、安全）組成，通過控制層提供的北向接口實現(xiàn)?；诖思軜?gòu)，SDN 控制器可以實現(xiàn)對融合MEC的星地協(xié)同網(wǎng)絡中的MEC應用程序進行有效控制，有效保障融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡中應用服務的QoS 需求。

3.3.2 動態(tài)網(wǎng)絡功能虛擬化技術(shù)

NFV 是一種操作框架，旨在編排在自動化虛擬基礎架構(gòu)的商用現(xiàn)成品（COTS,commercial off-the-shelf）硬件中部署的虛擬化網(wǎng)絡功能（VNF,virtualized network function）軟件設備，并進行VNF 設備的全生命周期管理。通過采用NFV 技術(shù)統(tǒng)一可用資源，可使融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡集中管理計算卸載任務。此外，NFV 在降低融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡中為網(wǎng)絡供應商部署新服務的成本和時間方面具有巨大優(yōu)勢[45]。然而，在融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡中，所有的低軌衛(wèi)星都處于高速運動狀態(tài)。在這種情況下，衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的邊緣計算服務器總是在變化，實現(xiàn)靜態(tài)NFV 統(tǒng)一融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡中的服務器是困難的，甚至是不切實際的。

圖4 SDN 在融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡中部署的邏輯結(jié)構(gòu)

因此，使用動態(tài)NFV 技術(shù)來整合融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡[25]的資源是非常有必要的，如圖5 所示。動態(tài)虛擬化系統(tǒng)類似于常用的靜態(tài)NFV 系統(tǒng)，包含3 層：虛擬化基礎設施層、虛擬化網(wǎng)絡功能層和編排層。為了解決低軌衛(wèi)星的機動性問題，在衛(wèi)星編排器中增加了一個動態(tài)資源監(jiān)視器。這樣，監(jiān)視器就知道VNF 是連接狀態(tài)還是斷開狀態(tài)，資源注冊和刪除操作可以在編排器中快速完成。此外，當可用資源發(fā)生變化時，信息將被發(fā)送到用戶和MEC 服務器以調(diào)整其策略。

圖5 融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡中的動態(tài)NFV

3.3.3 技術(shù)問題與解決方案

在融合 MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡中引入諸如SDN、NFV 等新型技術(shù)在進一步增強融合網(wǎng)絡的管控能力的同時，也帶來了一些挑戰(zhàn)。接下來，本文對這些挑戰(zhàn)及其解決方案展開詳細的分析和討論。

1)路由策略

隨著融合網(wǎng)絡規(guī)模的擴大，支持SDN 的轉(zhuǎn)發(fā)設備中出現(xiàn)了大量的流表，消耗了大量的存儲和計算資源。因此，可以將在互聯(lián)網(wǎng)上開發(fā)的自治系統(tǒng)的概念引入融合網(wǎng)絡中，以簡化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，方便網(wǎng)絡管理。此外，可以在每個自治系統(tǒng)中使用私有路由來減少融合網(wǎng)絡中路由的復雜性。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，基于人工智能的動態(tài)網(wǎng)絡路由策略成為未來的發(fā)展趨勢。

2)資源管理與分配

通過SDN 和NFV 技術(shù)的引入，可以抽象出融合網(wǎng)絡中的各種基礎設施、頻譜、通信信道以及計算資源和存儲資源，以構(gòu)建多維的天地一體化資源。此外，在中間盒中耦合的各種網(wǎng)絡功能也可以抽象為使用NFV 技術(shù)在SDN 控制器中實現(xiàn)的VNF資源[46]。這些虛擬化資源被匯集在一起提供網(wǎng)絡資源的全局信息。在此基礎上，如何優(yōu)化系統(tǒng)的資源利用率是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。無線資源管理可以在邊緣計算服務器中進行編排，其他虛擬資源則由網(wǎng)絡控制器統(tǒng)一編排。高效的資源編排不僅將所需的VNF 連接起來，還將虛擬網(wǎng)絡資源分割成獨立的片，并將它們分布在多個虛擬運營商之間。在設計靈活動態(tài)的資源分配策略時，應考慮每個段的特殊性（特別是高度動態(tài)的網(wǎng)絡拓撲、可預測性、規(guī)律性和周期性的空間網(wǎng)絡）和每個虛擬網(wǎng)絡的QoS 需求。

3)安全性

在融合網(wǎng)絡中，轉(zhuǎn)發(fā)設備可能經(jīng)常與SDN 控制器連接或斷開連接。因此，分組傳輸容易被截獲和中斷。由于融合網(wǎng)絡具有高動態(tài)性、高誤比特率、大傳輸時延和有限的計算能力，因此需要一種輕量的安全解決方案來解決引入SDN 技術(shù)融合網(wǎng)絡的安全問題。計算開銷低的加密方案可以用于認證，從而降低對網(wǎng)絡處理資源的要求。利用網(wǎng)絡拓撲的可預測性，提前協(xié)商會話密鑰，可以實現(xiàn)流連接時延的降低。由于軟件缺陷和錯誤配置，在軟件中實現(xiàn)的VNF 比硬件中間盒更容易受到攻擊。網(wǎng)絡控制器作為支持SDN 融合網(wǎng)絡的核心部件，負責網(wǎng)絡的控制和管理，因此，如何保障網(wǎng)絡控制器的安全性也至關重要。

3.4 典型應用

融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡可以在網(wǎng)絡邊緣為用戶設備提供廣泛的計算能力和存儲能力，從而促進一些應用的發(fā)展和性能提升，一些典型的應用場景總結(jié)如下。

1)空中數(shù)據(jù)回傳

融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡為低軌衛(wèi)星和地面基礎設施之間的數(shù)據(jù)通信提供了低時延的空中數(shù)據(jù)回傳。在用戶密度低、缺乏通信基礎設施的偏遠地區(qū)，“無線局域網(wǎng)”的重要性日益提高。在這種情況下，不需要地面基礎設施即可建立與衛(wèi)星的通信連接。即使在具有地面基礎設施的區(qū)域，融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡也可以用作備用回程，以緩解地面網(wǎng)絡的擁塞。在可能危及地面基礎設施的緊急情況下，融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡在確保關鍵通信的連續(xù)性方面也十分有效。

2)監(jiān)視/偵查

在未部署MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡中，一些監(jiān)視或偵查服務都要求衛(wèi)星將圖像返回到地面的數(shù)據(jù)中心進行處理，這將導致這些服務的傳輸能耗高、傳輸時延大。借助MEC 的邊緣計算能力，在融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡中（如圖6 所示），衛(wèi)星MEC平臺處可以直接完成圖像的識別和處理，衛(wèi)星只需要返回圖像的關鍵部分或報警信息，而不需要返回所有的觀測結(jié)果。此外，這種偵察能力特別適合在地質(zhì)條件不穩(wěn)定的地區(qū)使用，其中對建筑物、道路和橋梁的監(jiān)視至關重要。在發(fā)生災害的情況下，融合網(wǎng)絡還可以用于監(jiān)視環(huán)境狀態(tài)。

圖6 融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡監(jiān)視/偵查服務示意

3)視頻優(yōu)化

通過邊緣緩存可以在衛(wèi)星的MEC 平臺上緩存一些流行的視頻內(nèi)容，如圖7 所示。當用戶訪問視頻內(nèi)容時，通過部署在衛(wèi)星上的MEC 平臺可以對視頻數(shù)據(jù)分組進行深入分析，并將其與本地緩存的內(nèi)容進行比較。如果用戶訪問的視頻內(nèi)容已經(jīng)緩存在本地，則可以直接在衛(wèi)星處響應用戶的視頻請求，而不需要將用戶的視頻內(nèi)容請求發(fā)送至位于地面的遠端內(nèi)容提供商，從而大大減少了冗余數(shù)據(jù)回傳帶來的高時延和能量消耗，降低了地面核心網(wǎng)絡壓力，提升了用戶的視頻體驗質(zhì)量。

圖7 融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡視頻優(yōu)化服務示意

4 關鍵挑戰(zhàn)

融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡架構(gòu)為提高網(wǎng)絡性能和用戶體驗質(zhì)量帶來各種好處。同時，星地協(xié)同網(wǎng)絡中MEC 的引入也帶來了新的關鍵技術(shù)研究問題和挑戰(zhàn)，如任務調(diào)度、移動性管理、干擾管理和異構(gòu)性支持等，本節(jié)將對此進行討論。

4.1 任務調(diào)度

任務調(diào)度通過任務調(diào)配，實現(xiàn)網(wǎng)絡和系統(tǒng)各種資源的有效利用，保障網(wǎng)絡系統(tǒng)性能。因此其一直以來是人們關注的重點研究課題之一。本節(jié)首先對星地協(xié)同網(wǎng)絡、移動邊緣計算及融合網(wǎng)絡中任務調(diào)度的相關研究分別進行了介紹，然后針對融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡中的任務調(diào)度方案展開了討論。

4.1.1 相關工作進展研究

任務調(diào)度問題作為一個熱點研究方向，許多學者對其從多個方面進行了相關研究。本節(jié)分別對星地協(xié)同網(wǎng)絡、移動邊緣計算和融合網(wǎng)絡3 個方面的相關研究進行了整理，從優(yōu)化目標的角度對相關研究進行了詳細的歸納和分析。

1)星地協(xié)同網(wǎng)絡中的任務調(diào)度

星地協(xié)同網(wǎng)絡中的任務調(diào)度主要通過衛(wèi)星或無人機的控制功能實現(xiàn)任務調(diào)度、資源分配和網(wǎng)絡優(yōu)化。文獻[47]提出了一個多無人機（UAV,unmanned aerial vehicle）使能的D2D 衛(wèi)星網(wǎng)絡架構(gòu)以支持網(wǎng)絡中的內(nèi)容共享和交付。此外，該文設計了一個任務調(diào)度方案，通過優(yōu)化每個飛行周期中的無人機軌跡，以滿足用戶的速率要求，使無人機服務的邊緣用戶的總速率最大。文獻[48]聚焦多UAV 軌跡優(yōu)化的數(shù)據(jù)卸載場景，提出了一種迭代算法，以最大化無人機輔助蜂窩網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)吞吐量。文獻[49]提出了一種利用衛(wèi)星鏈路在5G 衛(wèi)星融合網(wǎng)絡中進行多媒體流量卸載的子分組方法，該方法旨在通過單個標記來衡量多播無線電資源管理策略的整體性能，以提高信道和聚合數(shù)據(jù)速率。

2)移動邊緣計算中的任務調(diào)度

移動邊緣計算中，任務調(diào)度主要通過卸載決策的優(yōu)化以保障用戶終端或應用程序的時延和能耗需求。文獻[50]引入了混合光纖無線網(wǎng)絡，為集中式云和移動邊緣計算的共存提供支持。此外，該文研究了云-邊緣協(xié)同計算卸載問題，并提出了2 種方案，即近似協(xié)同的計算卸載方案和基于博弈論的協(xié)同計算卸載方案。文獻[51]研究了帶有小蜂窩網(wǎng)絡的MEC 系統(tǒng)中的節(jié)能計算卸載管理方案。通過共同優(yōu)化計算分流決策、頻譜、功率和計算資源分配來最大程度地減少用戶的能耗。文獻[52]研究了啟用MEC 的蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡中的計算卸載和單元選擇策略問題，將其表述為任務執(zhí)行等待時間最小化問題，并提出了一種廣泛的搜索方法和Khun-Munkres 算法以獲得最優(yōu)解。

3)融合網(wǎng)絡中的任務調(diào)度

MEC 與星地協(xié)同網(wǎng)絡的融合，允許星地協(xié)同網(wǎng)絡在網(wǎng)絡邊緣為用戶提供計算服務，衛(wèi)星強大的控制和連接能力為任務調(diào)度提供強大的技術(shù)支撐。文獻[25]設計了一種協(xié)同計算卸載方案，LEO 實現(xiàn)對資源的整合和分配，調(diào)度用戶計算任務的卸載過程，實現(xiàn)時延和能耗的優(yōu)化。文獻[41]提出了一種面向空天地邊緣-云網(wǎng)絡的聯(lián)合資源分配和任務調(diào)度方案，以有效地進行資源分配并調(diào)度卸載的任務。此外，為了應對系統(tǒng)的動態(tài)性和復雜性，設計了一種基于深度強化學習的計算卸載算法來實時學習最佳卸載策略。

如表3 所示，本節(jié)從優(yōu)化目標的角度分別對星地協(xié)同網(wǎng)絡、移動邊緣計算和融合網(wǎng)絡中的任務調(diào)度方案進行了調(diào)研和歸納。對于融合網(wǎng)絡中的任務調(diào)度，在大多數(shù)的方案設計中，衛(wèi)星僅充當通信和控制節(jié)點的角色，任務調(diào)度主要集中在對地面計算資源的調(diào)度上。然而考慮到MEC 可以部署在衛(wèi)星上的場景，設計一種針對衛(wèi)星MEC 計算節(jié)點的任務調(diào)度方案也是非常必要的。因此，本文將對考慮衛(wèi)星MEC 計算節(jié)點場景的任務調(diào)度方案展開討論和設計。

4.1.2 融合網(wǎng)絡架構(gòu)下的任務調(diào)度方案

在本文提出的融合網(wǎng)絡架構(gòu)下，計算資源存在于用戶終端、邊緣計算平臺、數(shù)據(jù)中心等多層次計算平臺中。因此，從用戶終端角度出發(fā)，設計一種靈活動態(tài)的用戶終端/邊緣計算平臺/遠程數(shù)據(jù)中心的多層次協(xié)同卸載機制，可有效滿足用戶對于時延、能耗、隱私等不同體驗質(zhì)量（QoE,quality of experience）的需求。此外，在邊緣計算系統(tǒng)接收到大量計算卸載任務時，由于單個邊緣計算節(jié)點處資源受限，可能無法滿足用戶需求。在這種情況下，利用相鄰的多個邊緣計算節(jié)點處空閑的計算資源，進行多節(jié)點協(xié)作計算，可進一步提升計算性能與整體資源利用效率。

任務調(diào)度示意如圖8 所示，本節(jié)將從多層次協(xié)同計算卸載和多節(jié)點協(xié)同任務調(diào)度2 個角度對融合網(wǎng)絡中的任務調(diào)度問題展開討論。

1)多層次協(xié)同計算卸載

融合網(wǎng)絡中的各類用戶對不同任務有不同的計算需求，例如有些任務是時延敏感型任務，對于時延要求很高；有些任務是計算密集型任務，對于時延沒有過高要求，但要求用戶終端能在較少的能耗范圍內(nèi)完成任務的處理。因此，根據(jù)用戶對時延、能耗、吞吐量、帶寬等不同QoS 需求，結(jié)合各層次計算資源的不同特點，研究最優(yōu)的本地/邊緣/數(shù)據(jù)中心間的多層協(xié)同計算卸載是一個非常重要的技術(shù)課題。

表3 任務調(diào)度研究方案總結(jié)歸納

圖8 任務調(diào)度示意

為此，本文設計了多層協(xié)同計算卸載決策過程，主要包含以下流程。

①用戶與連接邊緣計算節(jié)點（如低軌衛(wèi)星邊緣計算節(jié)點）進行交互，獲取諸如鏈路狀態(tài)信息、數(shù)據(jù)隊列信息等網(wǎng)絡狀態(tài)信息，并提交自身的任務請求信息。

②低軌衛(wèi)星節(jié)點根據(jù)自身隊列情況及剩余計算資源情況對用戶計算請求進行反饋。

③用戶根據(jù)自身的QoE 需求（如對時延的需求）計算不同計算卸載情況下的任務處理時延，從而得出最優(yōu)的計算卸載方案，選擇是將部分或全部任務在本地進行處理或卸載。

④當邊緣節(jié)點、數(shù)據(jù)中心處理完計算任務時，將處理結(jié)果反饋給用戶終端，用戶終端匯總整理計算結(jié)果數(shù)據(jù)。

2)多節(jié)點協(xié)同任務調(diào)度

在衛(wèi)星組網(wǎng)環(huán)境下，計算密集型任務可由用戶終端卸載到地面網(wǎng)絡和衛(wèi)星網(wǎng)絡實現(xiàn)計算下沉。考慮到單個邊緣節(jié)點處資源受限，而不同節(jié)點間資源使用情況存在差異，進行多節(jié)點協(xié)同任務調(diào)度可實現(xiàn)任務高效處理和網(wǎng)絡資源的高效利用。本方案以任務卸載到低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡為例，針對單衛(wèi)星節(jié)點資源受限無法滿足用戶計算需求的情況，從低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡角度出發(fā)，研究星間的協(xié)同調(diào)度。此外，本方案針對網(wǎng)絡能耗及帶寬消耗進行優(yōu)化，在滿足用戶QoE 需求條件下，實現(xiàn)對融合網(wǎng)絡性能的整體優(yōu)化。

多節(jié)點協(xié)同任務調(diào)度流程如圖9 所示，本文所設計的星間任務調(diào)度決策過程主要包含以下3 個階段。

①信息交互。在此階段，本地衛(wèi)星邊緣計算節(jié)點接收來自移動用戶的任務卸載請求。然后，節(jié)點將以分布式的方式與相鄰衛(wèi)星邊緣計算節(jié)點交互一些本地信息（包括隊列長度、緩沖區(qū)大小、執(zhí)行時間和能耗成本信息等）。

②任務調(diào)度和分配。本地衛(wèi)星邊緣計算節(jié)點判斷本地資源是否能滿足當前計算請求，若能夠滿足，則直接在本地完成任務處理；若不能滿足，則向相鄰衛(wèi)星邊緣計算節(jié)點發(fā)送協(xié)同計算請求，請求其協(xié)助計算。相鄰節(jié)點根據(jù)自身情況判斷是否接收協(xié)助請求，如接收則將自身狀態(tài)信息（如資源使用情況、處理能力等）反饋給本地節(jié)點。本地節(jié)點根據(jù)相鄰節(jié)點反饋的信息進行任務分配以最小化計算任務的總處理時延，并分發(fā)任務到相應的鄰居邊緣節(jié)點。如果本地節(jié)點判斷整個低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡都無法滿足當前計算需求，則本地節(jié)點將計算任務卸載到地面數(shù)據(jù)中心，從而以更高的時延和能量消耗進行遠程任務處理。

③任務處理和結(jié)果反饋。相鄰衛(wèi)星的邊緣計算節(jié)點接收并處理任務，然后將獲得的結(jié)果返回到本地衛(wèi)星邊緣計算節(jié)點。

圖9 多節(jié)點協(xié)同任務調(diào)度流程

4.2 移動性管理

移動性管理主要指網(wǎng)絡系統(tǒng)對移動設備通信維持的相應管理。為了保證終端在網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)的任何位置都能從網(wǎng)絡中獲取服務，并且保障服務的連續(xù)性，移動性管理的作用尤其突出，成為所有網(wǎng)絡系統(tǒng)必須考慮的重要環(huán)節(jié)。

4.2.1 相關工作進展研究

移動性管理作為一個高移動性場景下必須考慮的關鍵性問題，已經(jīng)得到了廣泛的研究。本節(jié)分別從星地協(xié)同網(wǎng)絡、移動邊緣計算和融合網(wǎng)絡3 個方面整理了相關研究。

1)星地協(xié)同網(wǎng)絡中的移動性管理

星地協(xié)同網(wǎng)絡的移動性管理相較于地面網(wǎng)絡的移動性管理更復雜，因為在星地協(xié)同網(wǎng)絡中不僅要考慮到終端設備的移動性，還需要對衛(wèi)星的移動加以考量。國內(nèi)外許多研究學者針對不同的優(yōu)化目標提出了許多解決方案。針對網(wǎng)絡可靠性，文獻[53]提出了一種引入自適應神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)的切換算法，以減少不必要的切換，從而提高了融合網(wǎng)絡的可靠性。文獻[54]分析了基于GEO 衛(wèi)星的天地融合IP 網(wǎng)絡中航天器與地面用戶之間的轉(zhuǎn)發(fā)通信所產(chǎn)生的移動性管理問題，通過一種集中式路由控制方法保障路由切換成功率。文獻[55]討論了用于具有無人機移動控制的無線通信的2 種關鍵技術(shù)，即啟用無人機的移動中繼和增強的D2D 無人機信息分發(fā)。通過使用無人機作為移動中繼，可減少地面上源與目的地之間的鏈路距離，實現(xiàn)吞吐量和能耗的優(yōu)化。

2)移動邊緣計算中的移動性管理

邊緣計算服務器在為終端設備提供服務時，實際上是邊緣計算虛擬機中的應用程序在處理終端設備上傳的計算任務。為了保障移動邊緣計算中的服務連續(xù)性，當前移動邊緣計算中的移動性管理主要從不同的優(yōu)化角度對虛擬機遷移展開研究。文獻[56]主要考慮了用戶因為無法精準地獲取信道條件和基站的計算能力而導致的移動性管理決策問題，通過Q 學習算法對任務時延進行了優(yōu)化。文獻[57]將用戶移動模型簡化為一維移動模型，將虛擬機遷移策略制定為連續(xù)時間的馬爾可夫決策過程，并提出了控制器的概念，以協(xié)助在啟動虛擬機遷移時找到最佳閾值，進而決定是否進行虛擬機遷移。文獻[58]提出了一種在線的、以用戶為中心的移動性管理方案，以利用李雅普諾夫優(yōu)化方法和多臂老虎機理論，在使邊緣計算性能最大化的同時，保持用戶通信的能耗較低。其考慮了一種讓用戶做出移動性決策的方案，而不是傳統(tǒng)的使用基站或演進分組核心網(wǎng)作為決策者的集中式方法。

3)融合網(wǎng)絡中的移動性管理

在融合網(wǎng)絡中，衛(wèi)星邊緣計算平臺上運行著多種邊緣計算應用程序，從而能為用戶終端提供多種邊緣計算的服務。在低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡中，用戶終端的位置相對固定，并且移動速度較慢，而衛(wèi)星的移動速度很快，因此終端需要頻繁地進行通信衛(wèi)星的切換并進行邊緣計算應用程序的遷移。這種情況下，應用遷移的效率和質(zhì)量會對用戶終端的服務質(zhì)量造成很大的影響，因此高效的移動性管理方案是不可或缺的。

當前針對融合網(wǎng)絡的移動性管理研究較少，相關工作主要集中于用戶設備的移動過程并從權(quán)衡用戶體驗和資源開銷等角度來提出解決方案。文獻[43]為衛(wèi)星智能城市建立了基于車輛移動性的車輛計算資源地理遷移模型，并提出了一種通過資源定價影響車輛路徑選擇的激勵方案，以平衡資源需求并在地理上分配計算資源。

表4 列出了針對星地協(xié)同網(wǎng)絡、移動邊緣計算以及融合網(wǎng)絡的移動性管理的詳細分析，并對優(yōu)化目標和技術(shù)方法進行了歸納和總結(jié)。在各個方案中，通過設計合理的移動管理方案以達到網(wǎng)絡可靠性、時延、計算性能等方面的需求。當前針對融合網(wǎng)絡的移動性管理的相關研究非常少，并且相關工作只是考慮用戶設備的移動過程并從權(quán)衡用戶體驗和資源開銷等角度來提出解決方案。然而在融合網(wǎng)絡中，衛(wèi)星的高速周期運動及衛(wèi)星信道的復雜多變等問題才是移動性管理所面臨的最主要挑戰(zhàn)。對于時延敏感的應用，如果只在用戶設備從切換完成后進行虛擬機遷移，將在短時間產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)從而降低網(wǎng)絡質(zhì)量，因此需要在衛(wèi)星切換前完成遷移決策，并進行遷移，以實現(xiàn)高效的移動性管理。在此過程中，為了實現(xiàn)任務及時、可靠的遷移，一方面需要綜合考慮衛(wèi)星和用戶設備的移動狀況，預測和決策用戶設備的切換；另一方面需要加強星間、星地間路由的管理，保證虛擬機能夠快速、高效、可靠地完成遷移過程。結(jié)合這些挑戰(zhàn)，本文將對融合網(wǎng)絡中的移動性管理方案展開詳細討論。

表4 移動性管理研究方案總結(jié)歸納

4.2.2 融合網(wǎng)絡架構(gòu)下的移動性管理方案

本文設計了一種基于用戶QoE 保障的融合網(wǎng)絡移動性管理方案，對融合網(wǎng)絡中的服務遷移流程進行優(yōu)化。該方案從用戶終端發(fā)現(xiàn)更合適的新衛(wèi)星開始，到新衛(wèi)星可以為用戶終端提供邊緣計算服務為止，規(guī)范了每個過程的任務和主要事項。遷移衛(wèi)星決策示意如圖10 所示，整個移動性管理方案包括以下6 個過程。

圖10 遷移衛(wèi)星決策示意

①偵測過程。用戶終端通過對能夠連接的衛(wèi)星進行分析，從而確定衛(wèi)星的位置變化，包括原衛(wèi)星的相對遠離和新衛(wèi)星的逐漸靠近。

②維持過程。用戶終端維持和原衛(wèi)星的通信，這一過程要持續(xù)到?jīng)Q策、遷移和路由更新過程之后，直到新衛(wèi)星已經(jīng)做好為用戶終端提供服務的準備。

③決策過程?？紤]傳輸時延和處理時延等因素，用戶終端會采用基于移動軌跡預測的隱馬爾可夫決策對何時遷移進行決策，由于衛(wèi)星的移動具有周期性，移動軌跡具有規(guī)律性，因此決策策略也將周期性與規(guī)律性考慮在內(nèi)。

④遷移過程。如果已經(jīng)決定進行應用程序遷移，首先用戶終端會向新衛(wèi)星發(fā)起通知，告知原衛(wèi)星的IP 地址，然后新衛(wèi)星會和原衛(wèi)星進行通信，接收原衛(wèi)星傳輸來的用戶終端數(shù)據(jù)和應用程序并重建，如果新衛(wèi)星已經(jīng)具有了需要遷移的應用程序，那么原衛(wèi)星只需傳輸用戶數(shù)據(jù)，不需傳輸應用程序數(shù)據(jù)。

⑤路由更新。在遷移結(jié)束后，新衛(wèi)星進行路由更新，接替原衛(wèi)星為用戶終端提供邊緣計算服務。

⑥終止過程。新衛(wèi)星向原衛(wèi)星發(fā)出通知，原衛(wèi)星刪除用戶數(shù)據(jù)并斷開與用戶終端的通信，然后根據(jù)應用程序的使用情況來決定是否關閉并刪除應用程序。

4.3 干擾管理

在融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡中，當大量接入設備同時接入MEC 服務器時，會出現(xiàn)嚴重的干擾問題。文獻[59]針對邊緣計算使能的小型蜂窩網(wǎng)絡下的干擾協(xié)調(diào)策略進行了研究，每個用戶都根據(jù)歸屬基站與干擾基站之間的相對距離（稱為干擾歸零范圍）來選擇協(xié)調(diào)基站，以此實現(xiàn)用戶干擾協(xié)調(diào)性能的提升。類似地，本文將針對融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡下的干擾問題展開相應的討論。

干擾的實質(zhì)是資源利用中的沖突。因此，干擾管理與網(wǎng)絡資源管理密切相關。另外，由于MEC服務器以分布式的形式部署在星地協(xié)同網(wǎng)絡中，終端任務處理請求數(shù)量大，星地網(wǎng)絡環(huán)境復雜，資源利用率將大大降低。因此，根據(jù)地面邊緣網(wǎng)絡、衛(wèi)星邊緣網(wǎng)絡環(huán)境和用戶終端任務計算的要求，開發(fā)高效合理的資源配置是解決干擾問題的有效途徑之一。一方面，通過網(wǎng)絡資源的合理利用，提高網(wǎng)絡資源的利用率，增加網(wǎng)絡容量。另一方面，干擾管理可以反向修改資源分配策略，進一步促進網(wǎng)絡容量的提高。此外，不均勻的干擾調(diào)度也是MEC融合星地協(xié)同網(wǎng)絡中干擾管理面臨的重要挑戰(zhàn)之一。MEC 服務器在網(wǎng)絡中的部署和覆蓋不統(tǒng)一，導致網(wǎng)絡不同區(qū)域的干擾分布不均勻。因此，結(jié)合位置信息和計算需求，如何對干擾進行智能處理和干擾管理是未來的重要研究方向之一。

4.4 異構(gòu)性

異構(gòu)性問題也是融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡面臨的一個巨大挑戰(zhàn)。在融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡中，計算資源存在于用戶終端、低軌星座網(wǎng)絡、地面邊緣網(wǎng)絡以及數(shù)據(jù)中心等不同的通信網(wǎng)絡中，由于不同通信網(wǎng)絡自身的硬件條件以及所面向的主要業(yè)務類型不同，不同通信系統(tǒng)的可用資源呈現(xiàn)出明顯的異構(gòu)特點。例如，用戶終端的計算處理資源主要使用x86 處理器，而部分衛(wèi)星網(wǎng)絡處于節(jié)能低耗電的目的，使用的是進階精簡指令集機器（ARM,acorn RISC machine）處理器。因此，如何攻克各通信網(wǎng)絡間存在的資源異構(gòu)問題，實現(xiàn)多層次、異構(gòu)、泛在計算資源的融合與統(tǒng)一調(diào)度，對于融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡的實現(xiàn)具有十分重要的理論和現(xiàn)實意義。

盡管當前有一些相關文獻，如文獻[60-61]等，已經(jīng)對星地協(xié)同網(wǎng)絡的異構(gòu)性進行了研究，但是它們大多數(shù)是從架構(gòu)設計、指標優(yōu)化等角度出發(fā)對異構(gòu)性問題展開分析和討論，而沒有考慮到異構(gòu)邊緣計算平臺的部署問題。從邊緣計算平臺部署的角度出發(fā)，解決邊緣計算場景中星地協(xié)作網(wǎng)絡的異構(gòu)問題，目前可行的方法之一就是使用K3s。K3s 是Kubernetes 的一種輕量級開源發(fā)行版，設計用于在資源受限的環(huán)境中運行Kubernetes，特別是在邊緣計算、IoT、ARM 等新興場景中。K3s 還支持各種異構(gòu)框架，比如x86_64、ARM64 和ARMv7，這使K3s 可以在任何邊緣基礎設施上更靈活地工作。

5 開放性研究問題

為了充分發(fā)揮所提出的融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡架構(gòu)的優(yōu)勢，還有一些潛在的開放性研究問題與挑戰(zhàn)需要進一步探討，總結(jié)如下。

5.1 海量用戶接入

由于星地協(xié)同網(wǎng)絡的大規(guī)模連接需求，衛(wèi)星資源具有有限性和共享性的特點。為了解決衛(wèi)星“傳輸距離遠，資源容量有限”與用戶“大連接、低功耗、廣域”之間的矛盾，進一步滿足用戶的接入需求，針對大規(guī)模用戶的接入問題，需要重點研究大規(guī)模連接條件下全球應用的用戶上行鏈路接入策略和下行鏈路尋址策略，以實現(xiàn)用戶的接入控制和尋址。

5.2 大容量并發(fā)信號可靠接收

在星地協(xié)同網(wǎng)絡中，低軌衛(wèi)星的覆蓋范圍非常大，一個波束內(nèi)往往包含大量的終端。在這種情況下，信號碰撞是一種常態(tài)，多址接入方式必須容忍這種碰撞。采用連續(xù)干擾消除（SIC,successive interference cancellation）被認為是一種非常有效的碰撞解決方案。但是，對于大容量并發(fā)信號，可能找不到不沖突的信號，即沒有干凈的復制。在這種情況下，考慮到信噪比的差異和已知的信號特征參數(shù)，利用信號分離技術(shù)可以檢測出信噪比最大的信號，并在原始混合信號中采用信號重構(gòu)和信號抵消技術(shù)，消除解析信號以減少碰撞對系統(tǒng)性能的影響。

5.3 網(wǎng)絡安全與網(wǎng)絡監(jiān)管

融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)絡可以提供多樣化服務，從而對星地協(xié)同網(wǎng)絡的安全與監(jiān)管提出了巨大的挑戰(zhàn)。多異構(gòu)終端的接入、應用網(wǎng)絡部署與實現(xiàn)等都需要設計詳細的網(wǎng)絡監(jiān)管模式進行管控。在星地協(xié)同網(wǎng)絡的信息傳輸過程中，如何實現(xiàn)信息傳輸?shù)亩丝诒O(jiān)控、低開銷的天基網(wǎng)絡監(jiān)控和安全防護以及對于不同等級信息的安全隔離是重要的研究方向。

5.4 高效通信協(xié)議棧

由于星地網(wǎng)絡終端分布范圍廣、信號傳播時延長、工作條件不可控、可維護性差等特點，研究適合星地協(xié)同網(wǎng)絡的高效通信協(xié)議棧，以解決時延較長、終端開機時間短以及處理能力弱對協(xié)議性能的不利影響。一般來說，終端的存儲處理能力是有限的，并且大部分時間不在線以及所處的使用環(huán)境難以預測，易對信息安全造成不利影響。因此，還需要考慮在協(xié)議棧內(nèi)添加相應的安全防護機制來加以解決。

5.5 傳輸體制設計

針對電磁頻譜資源嚴重不足和多系統(tǒng)共頻運行的現(xiàn)實，結(jié)合當前主流的網(wǎng)絡技術(shù)系統(tǒng)和衛(wèi)星信號傳播距離、終端分布范圍廣等特點，面向小型化、低功耗、低成本的應用需求，通過分析不同用戶和應用的終端形式、技術(shù)要求、工作環(huán)境和應用場景，頻譜共享策略和無配置自適應傳輸系統(tǒng)設計問題是需要研究的關鍵問題。

6 結(jié)束語

由于邊緣計算技術(shù)在響應速度和處理能力方面帶來顯著的性能提升，在星地協(xié)同網(wǎng)絡中引入邊緣計算技術(shù)成為重要發(fā)展趨勢并引起了國內(nèi)外研究人員的廣泛關注。本文旨在對星地協(xié)同網(wǎng)絡下的邊緣計算架構(gòu)與關鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)展開研究。首先分別概述了星地協(xié)同網(wǎng)絡和MEC 技術(shù)的基本架構(gòu)，并討論了星地協(xié)同網(wǎng)絡中引入MEC 技術(shù)的動機和MEC 在星地協(xié)同網(wǎng)絡中的部署位置。然后對融合MEC 的星地協(xié)同網(wǎng)的基本概念和參考架構(gòu)進行了概述，對其相關研究工作、融合架構(gòu)設計、關鍵支撐技術(shù)及典型應用進行了探討。最后對融合網(wǎng)絡中的一些關鍵挑戰(zhàn)和其他的一些開放性問題進行了細致的分析和討論。