卫星互联网与MEC融合方案研究

卫星互联网与MEC融合方案研究

作者：温特、王立中、司鹏、颜明明、马恬、郭伊蒙

中国卫通集团股份有限公司

本文首发：第十九届卫星通信学术年会

摘  要：在卫星互联网中引入移动边缘计算(MEC)技术可有效提高用户体验质量，降低运营成本，为星地融合网络的发展提供重要技术支持。本文首先对MEC技术进行介绍，讨论了MEC技术的发展过程和在地面网络中的部署特点；然后分析了卫星互联网与MEC的融合应用，讨论了行业研究现状与典型应用场景；最后分析了卫星互联网与MEC融合架构，并对关键技术进行了概述。

关键词：卫星互联网；边缘计算；星地融合网络；组网架构

0、前言

移动边缘计算(Mobile Edge Computing, MEC)是5G的重要使能技术之一［1],它通过将计算存储能力与业务服务能力向网络边缘迁移，使应用、服务和内容可以实现本地化、近距离、分布式部署。MEC技术在一定程度上解决了5G增强移动宽带、低时延高可靠以及大规模机器通信类终端连接等场景的业务需求，因而在视频、物联网等领域展现巨大的发展潜力。

近年来，卫星互联网在应对突发事件、促进地面网络的发展中扮演着越来越重要的角色，越来越受到人们的关注［2]。为适应卫星互联网的快速发展，解决卫星链路传输时延与减小回传带宽等问题，MEC技术将逐渐应用到卫星互联网中。卫星互联网与MEC技术融合可以显著减少传输时延，提升用户体验，从而促进卫星网络的发展，满足用户更加多样化的需求。可以说MEC技术的出现为天地深度融合、协同组网提供了新的机遇，对未来星地融合网络的构建具有重大意义。

1、MEC技术简介

MEC技术的主要思想是通过在移动基站上引入业务平台功能，使得业务应用可以部署在移动网络边缘。MEC通过在无线接入侧部署通用服务器，为无线接入网提供能力支持，具体包括以下几点：

(1)降低时延，节省带宽。MEC技术使得传统无线接入网具备了业务本地化、近距离部署的条件，无线接入网由此而具备了低时延、高带宽的传输能力，有效缓解了未来移动网络对于传输带宽以及时延的要求；

(2)内容缓存。业务面下沉本地化部署使得业务应用更靠近无线网络及用户本身，MEC可在本地对用户喜好内容做缓存。当用户访问这些内容时，运营商可直接在边缘节点提供服务，从而有效提升用户的业务体验；

(3)算力支撑。MEC可在边缘增加本地算力以缓解云端计算压力，对于时延不敏感的业务，可以交由集中云处理，通过边缘和云端算力协同，使得业务取得性能和成本的平衡。

进入5G时代，网络服务更加强调客户体验，边缘计算的优势开始凸显。面对日益增长的需求，各标准化组织均开展了关于5G MEC部署的标准研究工作[3]。ETSI于2014年9月正式成立MEC工作组，并于2018年9月完成了包括5G/Wi-Fi／固网在内的MEC系统标准化工作，内容包括MEC需求、平台架构、编排管理、接口规范、应用场景研究等。3GPP标准化组织从3GPP R14版本开始定义边缘计算的网络基础能力，2019年3月在R17版本中立项5G MEC增强项目并为典型的边缘计算应用场景提供部署指南，该版本已于2022年6月正式完成。

图1  5G MEC部署示意图

在5G网络MEC实际应用场景中，MEC服务器部署于基站机房，可以提供更实时、更快速、更智能的处理能力，而业务发展需求则决定了MEC的部署位置及应用策略［4]。如图1所示，5G网络采用云化建设模式，机房布局呈分层数据中心(Data Center,DC)化特点，包括中心DC（大区中心机房）、区域DC（省层面机房）、边缘DC（本地网汇聚机房）、站点机房等四大组成部分，MEC部署的机房位置与覆盖区域和业务时延密切相关。从表1内容可以看出，MEC部署位置越靠近用户侧，覆盖区域越小，业务时延越短，适用于移动性不强但对时延要求高的业务；越靠近中心机房，覆盖区域越广，业务时延越长，适用于广域用户接入但时延不敏感的业务。

表1 MEC部署位置分析

2、卫星互联网与MEC融合应用分析

进入天地一体化时代，伴随着高通量卫星的快速发展和低轨星座的热潮重现，卫星互联网研究为卫星通信行业创造了新的发展空间，卫星庄联网与地面5G网络的融合成为新的研究热点。在这种行业背景下，卫星互联网产业应紧跟地面通信数字化发展步伐，利用MEC技术打造“软化“网络，推动星地协同算力网络发展，在维持卫星通信在海上、空中的优势地位之余，在地面通信网络中争取更重要的市场份额。因此，研究卫星互联网与MEC的融合，对卫星通信行业的未来发展具有重要的战略意义。

2.1 行业研究现状

2.1.1 SaT5G项目的卫星5G MEC演示

SaT5G联盟由BT、Avanti、SES、University  of Surrey等16家企业及研究机构组成，其目标是推动卫星通信与5G网络以高成本效益的方式实现整合。2019年6月19日，在2019欧洲网络与通信大会上，SaT5G联盟宣布成功进行了一系列卫星的5G演示，其中就包括了若干卫星5G  MEC场景，具体包括：利用5G多链路卫星和地面网络进行基于MEC的无线分层视频流传输；利用卫星视频无线组播实现缓存和实况内容分发；利用混合回传网络进行5G本地MEC内容缓存演示。

2.1.2  卫星运营商的MEC应用实践

国外方面，Intelsat与微软合作采用Microsoft Azure私有MEC和基于卫星的全球连接服务Flex  Enterprise演示其首个专用蜂窝网络，用于通过卫星网络将安全、高性能的私有LTE和5G网络以及其他云服务部署到包括偏远地区在内的全球任意位置。

国内方面，中国联通研究院于2020年6月携手华为公司联合搭建并演示了基于MEC的低轨卫星－5G融合业务演示平台，在低轨卫星与5G网络融合技术和方案方面开展合作，探索基于空地联合的卫星物联网、卫星车联组网等业务应用。

2.2 典型应用场景

卫星通信MEC技术在实际应用中，按照提供服务的网络类型可以将应用场景分为两大类：与地面网络融合提供服务的天地融合应用场景，卫星网络独立提供服务应用场景。典型场景分析如下。

2.2.1 天地融合应用场景

天地融合应用场景以CDN卫星广播应用场景为例，如图2所示。

图2 基于CDN的卫星MEC广播应用

在CDN卫星广播应用场景中，对于高质量、高流量区域的业务，网络由于负载高、时延大，从而可能导致用户的网络体验较差。卫星网络与地面网络融合，在终端侧可以发挥卫星网络覆盖范围广的广播业务优势，有效节省下行空口带宽。将MEC服务器部署在终端侧，可以增加终端的计算、存储和处理功能；在核心网侧，卫星网络与地面网络均可作为中继网络完成传输，双链路连接能够实现互补性能增益。通过MEC服务器内容缓存和卫星链路中继传输，可以有效缓解网络拥塞、提升业务的响应速度和传输带宽并降低时延，进而改善用户的体验质量。

2.2.2 卫星网络独立提供服务应用场景

(1) 机／船载MEC融合组网

如图3所示，在机／船载MEC融合组网架构中，MEC平台部署在网络边缘的机／船载服务器上，依据用户业务需求和MEC平台能力，选择机／船载MEC或地面移动网络远端服务器为用户提供服务。利用机／船载MEC为船上用户提供本地服务，不仅可以保证业务时延，而且可以有效缓解星地链路带宽需求。通过在MEC设备上部署的应用，可实现与卫星通信运营商的业务运营支撑系统BOSS的接口对接等功能，也减轻了卫星运营商数据中心的计算负载。

图3  机／船载MEC融合组网

(2)卫星物联网服务

在未部署MEC的组网架构中，一些对自然保护地的监测数据都要求卫星将图像返回到地面的数据中心进行处理，这将导致这些服务的传输能耗高、传输时延大。借助MEC的边缘计算能力，在融合MEC的组网架构中，MEC平台处可以直接完成图像的识别和处理，卫星只需要返回图像的关键部分或报警信息，而不需要返回所有的观测结果。此外，可利用卫星通信网络覆盖范围大的特点，在地面信关站部署MEC,仅需少量定点部署即可提供超大范围的MEC服务，将对应用数据的处理分发放在信关站，可以有效降低卫星运营商的地面网络负载，同时也极大节省了MEC应用服务商的部署成本。图4是卫星融合MEC物联网服务的示意图。

图4 卫星融合MEC物联网服务

3、卫星互联网与MEC融合架构与技术

3.1 融合架构分析

按照应用场景和部署位置分析，卫星互联网与MEC的融合架构[5]可分为天地融合组网架构、卫星互联网架构两大类型。

3.1.1 天地融合组网架构

天地融合组网架构主要由用户终端、卫星节点和地面通信网络系统组成，其中卫星节点主要包括卫星、卫星终端和信关站，地面通信网络系统主要包括5G基站、核心数据中心和业务服务器。用户终端的业务请求通过卫星节点传输至远端的业务服务器，并将数据通过卫星节点返回给用户终端。

图5  卫星与5G MEC融合架构

由于部署在核心网层面无法完全发挥MEC的边缘计算的能力和效果，考虑将MEC服务器部署于5G基站、信关站或卫星上，如图5所示。随着MEC部署的位置不同，卫星与5G MEC融合组网对效能的提升作用也不同，下面对这三种天地融合组网架构分别进行介绍。

(1)MEC服务器部署于5G基站

MEC服务器部署于5G基站，通过5G基站将业务请求分流到MEC，或通过卫星链路分流到远端业务服务器。该架构中，MEC部署在5G插站侧，通过缓存、本地分流、算力下沉等方式降低业务传输时延、节省核心网带宽，提升业务质量。这种部署方式与常规MEC非常相似，计算任务可以直接卸载到用户附近辈站的MEC,任务可以实现就近处理，大大减少了等待时间。此外，整个星地网络的流量也将得到缓解，降低了地面网络的服务压力。

但是，这种部署方式要求用户附近存在可用基站，更适用于密集用户场景。对于通过地面终端站连接到卫星的稀疏用户场景，这种部署方式并不适用，因为地面终端站没有额外的计算能力。而且，为一小群用户部署这种专用的MEC服务器在经济上也是不可行的。

(2)MEC服务器部署于信关站

MEC服务器部署于信关站，通过卫星链路将业务请求分流到MEC，或分流到远端业务服务器。在这种情况下，卫星覆盖范围内的所有地面设备都可以受益于卸载服务，能够为更多的用户提供计算能力更强的服务。卫星和地面骨干网之间的流量也减少了，避免了地面站网关和远端业务服务器之间的大量数据传输。

与部署于5G基站侧相比，此方案的时延相对较高，但是与将请求发送到远端业务服务器相比，它在时延方面仍然有覃大改进，且在实施和维护方面更实用。该部署方案的缺点在于，进行密集的计算将大大增加卫星的能耗，当严格限制卫星的能量供应时，计算卸载功能将会受到很大的限制。

(3)MEC服务器部署于卫星

MEC服务器部署于卫星，使卫星具有了计算、内容分发等能力，能够处理来自地面移动用户的业务请求，不仅可以有效减少星地链路传输和业务传输时延，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卫星上处理。

考虑到卫星能源和载荷的限制因素，这种部署方式往往需要联合地面基站侧共同部署MEC服务器，导致部署的难度和成本提高。此方案无法部署于已投入使用的星地融合网络中，但在新型空天地一体化网络建设过程中具备巨大潜力。

3.1.2  卫星互联网MEC架构

卫星互联网MEC架构如图6所示，MEC管理平台部署于运营中心，对卫星MEC进行系统级管控，依据用户业务需求和MEC服务器，选择MEC或地面移动网络远端服务器为用户提供服务。利用MEC为用户提供本地服务，不仅可以保证业务时延，而且可以有效减缓星地链路带宽需求，MEC服务器可以部署于信关站或卫星终端，部署位置越靠近用户时，覆盖面积越小，时延越低。

图6 卫星终端融合组网架构

卫星互联网MEC架构是在卫星通信系统架构中融入MEC系统（管理平台、服务器），包括运营中心、数据交换节点、信关站、卫星终端等组成部分。

在地面段，信关站与卫星之间交互的数据经过IPSec VPN与数据交换节点相连，在接入地面移动互联网的同时也接受运营中心的管控。运营中心部署了BSS系统和OSS系统，将MEC管理平台部署于此可以对卫星通信系统的边缘计算服务进行系统级管控，具体包括资源维护、服务管理等内容。

在空间段，卫星终端与信关站之间通过卫星进行信号传递，对飞机、船舶、应急、边防等场景进行覆盖服务。将MEC服务器部署于卫星终端适用于移动性差、时延需求较强的用户场景，将MEC服务器部署于信关站适用于移动性强、时延需求较弱的用户场景。

下面对MEC的三个部署位置进行详细介绍。

(1)运营中心MEC管理平台

运营中心MEC管理平台包括MEC系统级管理和MEC服务器级管理，前者负责管理应用程序的生命周期、应用程序规则和服务授权、流量规则等；后者负责分配、管理和释放MEC服务器内的虚拟化基础设施提供的虚拟化计算、存储资源。

(2)信关站MEC

MEC部署于信关站，覆盖面积大，时延高，适合广域用户接入但时延不敏感的业务。在该架构中，MEC服务器部署在信关站上，计算、内容分发等能力下沉到可以覆盖用户终端的信关站上，实现基于MEC的局域组网。

该部署方式类似于5G MEC部署策略中的边缘DC部署方法，可以为用户提供低时延、高带宽服务。这种情况下，MEC设备通常具有CDN功能并且包括本地化的计算能力和开放能力，因此具备了低时延和智能化特点，在智能化的应用场景中也将起到非常大的作用。

(3)卫星终端MEC

MEC部署于卫星终端，覆盖面积小，时延低，适合移动性不强但对时延要求高的业务。在该架构中，考虑到卫星终端的载荷能力较弱，将轻量化的MEC服务器部署与卫星终端，计算、内容分发等能力下沉到可以卫星终端上，实现低时延的基于MEC的服务。

该部署方式类似于5G MEC部署策略中的站点机房部署方法，此种模式数据业务离用户更近，比较适合移动性不强但对时延要求高的业务，同时支持面向家庭、学校、医院以及中小企业等特定场景的本地专网或局域网部署，提供高附加值的定制化服务。

3.2 融合关键技术分析

卫星通信MEC融合关键技术旨在提高星地网络的协同性与管理效率，提高卫星终端服务能力和兼容性，包括网络技术和软件技术。其中网络技术包括软件定义网络(SDN）、网络功能虚拟化(NFV），网络编排管控；软件技术包括容器、微服务、中间件。下面对这些关键技术进行简要分析介绍。

(1)SDN技术：将数据平面与控制平面解耦合，数据平面与控制平面之间利用SDN控制数据平面接口(control-data-plane interface, CDPI)进行通信，其目的在于简化卫星通信系统融合MEC技术后的网络管理，提高卫星通信设备的兼容性。

(2) NFV技术：采用资源虚拟化方式将软件与硬件相分离，并将传统网络设备转化为通用硬件设备，其目的在于降低卫星通信与MEC融合的建设成本和难度。

(3) 网络编排管控技术：以用户需求为目的，将各种网络服务单元进行有序的安排和组织，可以理解为对抽象网络对象的组织和调配（包括网络资源的分配调度等），其目的在于在卫星运营中心部署MEC管控系统，提高管理能力。

(4) 容器技术：是一种允许我们在资源隔离的过程中，运行应用程序和其依赖项的、轻量的、操作系统级别的虚拟化技术，其目的在于将应用程序打包为镜像，便于将相关软件移植到卫星通信系统中。

(5) 微服务技术：是一种将单一应用程序划分成一组小的服务，服务之间采用轻量级的通信机制互相沟通（通常是基于HTTP的RESTful API)的软件开发技术，其目的在于提高MEC服务与其他卫星通信服务之间的协调性和配合能力。

(6) 中间件技术：中间件是一种应用于分布式系统的基础软件，位于各类应用／服务与操作系统／数据库系统以及其他系统软件之间，其目的在于实现卫星通信系统与地面MEC服务器之间的互联互通。

4、结语

卫星本身属于能力受限系统，需要将更多的计算和存储能力下沉至地面边缘侧作为补充，以提升网络整体性能。MEC通过将传统的计算、存储与业务服务能力从集中化的算力中心朝贴近用户侧／服务侧的网络边缘部署，在网络边缘为应用程序开发者和内容提供商提供云计算能力和IT服务环境，从而减小网络传输对于算力实时性的损耗，可与空间段资源形成能力互补，是卫星互联网与5G网络融合新的切入点，将为5G时代卫星通信创新应用提供无限可能。

参考文献

[1] ESTI.  ETSI  White  Paper No.28:   MEC  in SG        networks[R/OL].   (2018-06). [2022-10-28].

https://www.etsi.org/images/files/ETSIWhitePapers/etsi_wp28_mec_in_5G_FINAL.pdf.

[2] 杨力，潘成胜，孔相广，等SG融合卫星网络研究综述［」］．通信学报，2022,43(04):202-215. 

[3]周汉，冯江平．MEC标准化进展［」］．电信科学，2019,S02:256-270.

[4]张建敏，谢伟良，杨峰义，等．SGMEC融合架构及部署策略［」］．电信科学，2018,34(04):109-117.

[5] 唐琴琴，谢人超，刘旭，等融合MEC的星地协同网络：架构、关键技术与挑战［」］．通信学报， 2020,41(04):162-181.