天基智能网联边缘计算系统

1.本技术涉及卫星通讯技术领域，特别是涉及一种天基智能网联边缘计算系统。


背景技术：

2.未来卫星装备的复杂性在逐渐增加，这就导致装备的研发时间投入大幅增加，传统星上处理软件的生命周期最简单的方法是开发，测试和部署软件，一旦在轨无法在轨更新以适应威胁和任务需求的不断变化、海量数据，以及日益加快的运行速度。构建智能化，自主化的星上处理复杂运行体系是一个设计、建造、测试、修改和测试更多的迭代过程。智能化、自主化的星上处理软件系统本身与传统软件有着本质的不同，由于环境与目标特性在不断变化，因此星上处理软件系统具有数据驱动的、非确定性的特征。星上处理要实现智能化时代的数字化转型和实施敏捷开发，就需要打造一套基于“云边一体”的数字架构，提高数据共享和决策制定的速度。
3.边缘计算是一种将主要数据处理和数据存储放在网络边缘节点的分布式计算形式，其可就近提供边缘智能服务，满足应用在敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。在天基网络环境下，卫星之间进行网络连接不同于地面计算设备，因此如何将边缘计算应用于天基网络成为新的问题。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种天基智能网联边缘计算系统。
5.一种天基智能网联边缘计算系统，所述天基智能网联边缘计算系统部署在智联网络卫星中，所述智联网络卫星中包括智能网络处理节点以及载荷/传感器，所述智联网络卫星通过所述天基智能网联边缘计算系统进行星间通讯；所述联网络卫星通过所述天基智能网联边缘计算系统与地面中心的云计算系统进行能力统一；
6.所述智能网络处理节点包括：数据管理节点、载荷任务规划节点、载荷任务调度节点、卫星资源管理节点、星座运行关系节点、星间网络管理节点以及时钟同步节点，所述智能网络处理节点通过加密机与天基智能网联边缘计算系统进行数据交互；
7.所述载荷/传感器包括多个载荷和/或传感器，所述载荷/传感器包括：数据生成任务和初始数据处理任务，所述载荷/传感器与智能网络处理节点通过路由器连接；
8.所述天基智能网联边缘计算系统包括：
9.硬件基础层，用于提供边缘计算能力的计算单元、通讯单元、接入单元以及数据传输单元；
10.软件基础层，用于提供操作系统以及服务程序；
11.智能网联服务层，用于提供中间件、订阅/发布程序、自组网协议、时钟同步协议以及基础软件库；
12.智能网联应用层，用于进行自任务处理以及协同任务处理。
13.在其中一个实施例中，所述智联网络卫星通过所述天基智能网联边缘计算系统与
地面中心的云计算系统进行能力统一包括：
14.统一调度，用于地面中心对所述智联网络卫星进行基础设施资源的统一调度；
15.统一编排管理，用于地面中心对所述智联网络卫星的统一的资源编排和业务编排；
16.统一部署，用于地面中心协调部署所述智联网络卫星的各类服务并进行统一的管理；
17.统一运维，用于地面中心对所述智联网络卫星进行远程的运维管理；
18.安全能力，用于将地面中心的安全能力下沉到智联网络卫星中。
19.在其中一个实施例中，智联网络卫星用于执行本地的以及实施的数据处理任务，所述地面中心用于执行非实时的、数据量大的处理任务。
20.在其中一个实施例中，所述硬件基础层包括：微云集群服务器、星间无线网络收发器、多总线适配器、gpu/fpga阵列加速协处理器以及高速时间敏感网络交换机；
21.所述软件基础层包括：doker容器环境、k8s微服务编排工具、service mesh服务网格负载均衡与调度、cloud native支持环境、rtos实时操作系统以及宇航安全与容错机制；
22.所述智能网联服务层包括：建模服务模型库、分析服务规则库、仿真服务算法库、支持决策服务推理库、ros中间件、实时发布订阅协议、高精度时钟同步协议、星间动态自组网协议以及总线适配驱动与标准协议；
23.所述智能网联应用层包括：态势感知、数据融合、特征提取、实时跟踪、广播分发、频谱认知、自主决策、分布式任务规划以及自主导航。
24.在其中一个实施例中，所述智联网络卫星通过所述天基智能网联边缘计算系统构建的网络协议参考框架进行星间通讯；
25.所述网络协议参考框架包括：物理层、链路层、网络层、联接传输层、联接框架层和应用表示层。
26.在其中一个实施例中，所述物理层包括：激光链路、微波链路、高速总线、低速总线以及tte总线；
27.所述链路层包括：链路数据协议、mac接入模型以及时频同步时敏网络处理任务；
28.所述网络层包括：ip协议、路由协议、拓扑发现、链路数据协议网关以及总线数据协议网关；
29.所述联接传输层包括：消息传输协议、单播/多播/广播通讯模式、寻址方案、连接性模型、优先级排序、网络时间协议以及安全机制；
30.所述联接框架层包括：应用程序接口、发布订阅机制、请求-应答机制、服务发现机制、异常处理机制、数据资源模型、地址空间、数据类型、生命周期、状态机制、配置与管理、服务质量qos以及安全机制；
31.所述应用表示层包括：属性服务集、方法服务集以及订阅服务集。
32.在其中一个实施例中，对于有线链路，所述物理层支持高/低速总线以及敏捷传输总线；
33.所述高/低速总线包括：1553b、can、spi、串口以及lvds；
34.所述敏捷传输总线包括：tte。
35.在其中一个实施例中，所述时频同步时敏网络处理任务包括：时差测量与校准、流
量整形、资源管理以及可靠性管理；
36.所述链路层支持的协议包括：ccsds链路数据协议、802.11mac协议、无线网络时差测量与校准协议以及tsn标准协议。
37.在其中一个实施例中，所述网络层的ip协议、路由协议、拓扑发现、链路数据协议网关以及总线数据协议网关均为面向连接或者无连接的服务，用于在网络中传递数据包。
38.在其中一个实施例中，所述联接传输层用于提供与智联网络卫星建立连接的逻辑传输网络，并且提供所述智联网络卫星之间连接的语句互操作性。
39.上述天基智能网联边缘计算系统，从智能的功能层面，一方面提供卫星星座在轨自主运行服务能力，另一方面提供任务在轨分布式星间协作运行服务能力。从协作层面，不仅考虑自主任务协同调度上的协同，同时考虑不同卫星同类载荷、不同卫星不同载荷等间的信号信息层面融合处理与协同决策。从网联的功能层面，一方面提供端到端数据传输网络服务，另一方面需要提供分布式协作时频基准服务；从网络拓扑层面，不仅需要支持星间链路、星间组网、星地链路等星座内网络，同时需要支持卫星星座网络支撑。从而在进行边缘计算时，不仅能够支持实时边缘计算作业，也支持大量数据的非实时边缘计算作业，大大提升星间网络的智能化计算能力。
附图说明
40.图1为一个实施例中天基智能网联边缘计算系统的应用场景图；
41.图2为一个实施例中天基智能网联边缘计算系统的框架示意图；
42.图3为一个实施例中天基智能网联边缘计算系统的框架设计图；
43.图4为另一个实施例中网络协议参考框架的框架示意图。
具体实施方式
44.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
45.本技术提供的天基智能网联边缘计算系统，可以应用于如图1所示的应用环境中。其中，天基智能网联边缘计算系统部署在智联网络卫星中，若将智联网络卫星看做终端，将地面中心看做服务器，那么，智联网络卫星通过天基智能网联边缘计算系统进行星间通讯，通过星间通讯可以实现星间链路以及星间组网，另外终端和服务器进行连接，可以实现星地链路。
46.在一个实施例中，如图2所示，提供了一种天基智能网联边缘计算系统，部署在智联网络卫星中，智联网络卫星是进行协同处理运行的支点和基石，从网络节点的角度来看，可以将智联网络卫星抽象为：卫星平台系统、载荷/传感器系统、天基智能网联边缘计算系统三个部分，天基智能网联边缘计算系统的边缘云计算服务本质上是一种处于在轨运行的智能网联卫星中的“移动数据中心”，通过星间/星地网络将各种知识化实体链接在一起。智联网络卫星所的载荷/传感器系统以及地面信息用户系统可以理解为就是面向天基智能网联边缘计算系统的瘦客户机，它们利用天基智能网联边缘计算系统的计算和存储资源完成资源密集型计算任务，天基智能网联边缘计算系统的边缘云计算服务既可以与其他卫星天
基智能网联边缘计算系统协同，也可以与地面中心云协同，还可以在联接断开模式下自主运行以提供敏捷弹性的信息服务。
47.在图2中，智能网络处理节点包括：数据管理节点、载荷任务规划节点、载荷任务调度节点、卫星资源管理节点、星座运行关系节点、星间网络管理节点以及时钟同步节点，智能网络处理节点通过加密机与天基智能网联边缘计算系统进行数据交互；载荷/传感器包括多个载荷和/或传感器，载荷/传感器包括：数据生成任务和初始数据处理任务，载荷/传感器与智能网络处理节点通过路由器连接。通用平台是实现卫星的基础设备，实现智联网络卫星的关键是智能机的实现。
48.在其中一个实施例中，天基智能网联边缘计算与传统云计算在架构、接口、管理等关键能力上实现统一，统一指的是：统一调度、统一编排管理、统一部署、统一运维以及安全能力，才能实现智联网络卫星的功能，具体的，天基智联计算主要负责本地的、实时的数据处理任务，地面智能云底座主要负责非实时、大量数据的处理。地面智能云底座可通过统一管控模块与多个天基智联计算实现协同工作。
49.在一个具体实施例中，统一调度，用于地面中心对智联网络卫星进行基础设施资源的统一调度；统一编排管理，用于地面中心对智联网络卫星的统一的资源编排和业务编排；统一部署，用于地面中心协调部署智联网络卫星的各类服务并进行统一的管理；统一运维，用于地面中心对智联网络卫星进行远程的运维管理；安全能力，用于将地面中心的安全能力下沉到智联网络卫星中。
50.在另一个实施例中，统一调度具体是天基智联计算可以运行部署在边缘基础设施之上，并对不同架构、不同能力的异构资源进行统一抽象和管理。地面智能云底座可根据需求，对天基智联计算节点的存储、计算、网络等基础设施资源进行统一的调度，依据边缘业务的要求选择最适当的资源为其服务。天基智联计算可依据业务需要，向地面智能云底座提出资源限制变更的申请。统一编排管理指的是实现统一的资源编排和业务编排。并能够对各个天基智联计算的应用的生命周期进行统一管理，包括服务启停、健康状态检测、网络状况检测等，并能够在故障或者其他需要的情况下实现天基智联计算节点内部以及天基智联计算节点之间的应用实例迁移，统一部署指的是地面智能云底座和天基智联计算协调部署各类服务并进行统一的管理，支持远程部署各类天基智联计算的服务；统一运维指的是天基智联计算能够进行远程的运维管理，相关操作可以在地面智能云底座进行；天基智联计算安全能力指的是可将地面智能云底座的安全能力下沉到天基智联计算节点，实现包括天基智联计算基础设施安全、天基智联计算平台安全以及运行在天基智联计算上的应用安全、数据安全能力。值得说明的是上述天基智联计算指的是天基智能网联边缘计算，上述地面智能云底座指的是地面中心执行的云计算。
51.天基智能网联边缘计算系统以大规模天基信息系统卫星节点为实体，星座每颗卫星是星地“云边一体”协同处理的一个网络节点。星地“云边一体”协同处理中“智能”是指天基系统不依赖于人的控制、处理和决策能力；“云”是指在轨资源池及其使用和管理，包括星载计算、存储、网络、传感器等天基资源；“网”是指系统组成节点拓扑联接关系、联接方式及相关协议。星地“云边一体”协同处理中“云”从功能层面，一方面提供物理资源服务，另一方面需要提供不同物理资源的统一化管理与应用服务；从资源类型层面，需要支持计算、存储、网络、传感等多种类型的资源，同时支持各类资源技术发展与演化支持能力。
52.在其中一个实施例中，天基智能网联边缘计算系统包括：
53.硬件基础层，用于提供边缘计算能力的计算单元、通讯单元、接入单元以及数据传输单元。
54.软件基础层，用于提供操作系统以及服务程序。
55.智能网联服务层，用于提供中间件、订阅/发布程序、自组网协议、时钟同步协议以及基础软件库。
56.智能网联应用层，用于进行自任务处理以及协同任务处理。
57.具体的，如图3所示，给出了一种具体的天基智能网联边缘计算系统的框架设计图，星地“云边一体”协同处理的每颗卫星是带有特定传感器的智能网络处理节点，卫星可以搭载不同类型载荷/传感器，比如可见光传感器、外红探测器、pnt载荷、数据链载荷等，实现不同类型目标的探测感知或者通信导航等服务。每颗卫星通过装备的天基智能网联边缘计算系统计算平台实现星座、卫星、载荷的自主运行、智能处理；通过天基智能网联边缘计算系统网联智能弹性接口适配的星间链路、中继终端、导航模块、分发单元等通信组件与骨干星、商用星及星座内互联互通，实现传感数据、决策信息的快速分发与共享。天基智能网联边缘计算系统计算平台为感知监视、预警探测、环境监测等物理分散低轨天基信息系统提供智能协作、信息聚合的运行机制和管理平台，实现低轨天基信息系统的高度互联和自主协同运行，提升天基信息系统应用能力。
58.以osi模型为参考，提出了天基智能网联的网络互操作框架模型。天基智能网联的网络互操作框架模型分为网络域、联接域和信息域三个域。在网络域包含物理层、链路层和网络层，实现节点间网络建立、维护及可靠数据传输；联接域含联接传输层和联接框架层，实现节点间语句、语法互操作；信息域含应用表示层，实现节点间语义互操作。天基智能网联的网络互操作框架模型每一层都基于下面的层提供的功能。联接域提供了参与者之间的数据共享机制，信息域依赖于联接域提供的机制来提供有意义的信息共享。
59.①
网络互操作框架模型最低层是物理层，它指的是在联接参与者的物理介质(有线或无线)上交换物理信号(电子、光或其他)；
60.②
物理层上面是链路层，它指的是在相邻参与者之间共享的物理链路上使用信令协议来交换帧；
61.③
在链路层上面是网络层，它指的是数据包的交换(有界长度)，可能会将它们路由到多个链路上，在不相邻的(远程)参与者之间进行通信；
62.④
网络层上面是传输层，它指的是参与应用程序之间的消息交换(可变长度)；
63.⑤
在传输层之上是联接框架层，它指的是使用可配置的服务质量在参与应用程序之间交换结构化数据(状态、事件、流)；
64.⑥
在联接框架层之上但在联接域范围之外的是支持分布式数据互操作性和管理层的信息域功能，它依赖于联接域提供的数据共享机制。
65.天基智能网联的网络互操作框架模型需要通过利用来自多个来源的实时数据来创建更智能的应用程序和系统。这需要语法上的互操作性，以可发现且明确的方式交换结构化数据的能力。它是构建天基智能网联边缘计算系统的联接基础架构的基本要求。网络互操作框架模型定义了天基智能网联的联接堆栈，负责为多域智能网联星云应用程序的数据交换提供语义协作能力，同时隐藏底层传输和网络的细节。
66.网络互操作框架模型使多域智能网联星云应用程序和组件开发人员可以轻松地专注于定义和使用结构化数据模型，用于管理数据交换的服务质量(qos)以及围绕数据对象的安全策略，而无需担心较低级别的内容，同时使用标准化的联接框架可降低集成成本和加快响应时间。
67.对于网络互操作框架模型，给出了一种网络协议参考框架，对网络互操作框架模型进行了具体描述，网络协议参考框架包括：物理层、链路层、网络层、联接传输层、联接框架层和应用表示层。
68.在其中一个实施例中，物理层包括：激光链路、微波链路、高速总线、低速总线以及tte总线。
69.链路层包括：链路数据协议、mac接入模型以及时频同步时敏网络处理任务。
70.网络层包括：ip协议、路由协议、拓扑发现、链路数据协议网关以及总线数据协议网关。
71.联接传输层包括：消息传输协议、单播/多播/广播通讯模式、寻址方案、连接性模型、优先级排序、网络时间协议以及安全机制。
72.联接框架层包括：应用程序接口、发布订阅机制、请求-应答机制、服务发现机制、异常处理机制、数据资源模型、地址空间、数据类型、生命周期、状态机制、配置与管理、服务质量qos以及安全机制。
73.应用表示层包括：属性服务集、方法服务集以及订阅服务集。
74.如图4所示，给出了网络协议参考框架的系统框图，具体如下：
75.(1)物理层：物理层主要功能是节点之间物理链路的建立及物理链路上比特数据的交互。物理层支持无线和有线物理介质。对于无线链路，支持微波、激光等无线链路的创建、维持、拆除及比特数据传输；对于有线链路，支持1553b、can、spi、串口、lvds等高/低速总线，同时支持tte等时敏传输总线。
76.(2)链路层：链路层主要功能是实现相邻节点间以帧为单位透明、可靠数据传输，负责网络节点之间可见数据链路通路的建立、维持和释放等管理，同时负责时频同步时敏网络的时差测量、校准、流量整形、资源控制等工作。链路层协议支持ccsds链路数据协议、802.11mac协议、无线网络时差测量与校准协议、tsn标准协议等协议。
77.(3)网络层
78.网络层协议提供面向连接或无连接的服务，用于在网络中传递数据包。无连接服务在网络层更常见。在许多协议套件中，网络层协议是无连接的，而传输层提供面向连接的服务。例如在tcp/ip中，互联网协议(ip)和其之上的用户数据报协议(udp)是无连接的，而传输控制协议(tcp)是面向连接的。无连接传输最适合低延迟和抖动应用程序，或者在本地网络中需要高度的可伸缩性时。无连接udp传输已证明自己使用实时应用程序。面向连接的传输最适合具有复杂拓扑和高流量负载变化的网络中的高吞吐量应用程序，因为它提供了减少路由路径变化的“虚拟电路”。面向连接的tcp传输用于通过防火墙和网络地址转换(nat)路由器，以及跨广域网连接。新的应用程序可能需要面向连接的连接传输，而这种传输没有我们在tcp中发现的缺点，比如无限制的重传输延迟。当使用无连接传输时，连通性框架设计需要处理传输中由于数据包丢失或无序引起的故障。因此,设计一个基于面向连接的传输的连接框架可能会阻止它提供无连接的数据交换。
79.(4)联接传输层
80.联接传输层提供连接端点的逻辑传输网络。连接传输类似于管道，对端点之间的数据流不透明。连接传输层的关键作用是提供端点之间的语句互操作性。传输的关键功能包括端点寻址、通信模式、网络拓扑、连通性、优先级、定时和同步、消息安全性。联接传输层的消息传递协议消息传递协议是描述端点之间交换消息的格式和行为的有线协议。它可以直接公开供应用程序使用，可能使用特别的(未命名的)特定于应用程序的连接框架。消息传递协议可能包括发现、身份验证、会话建立、消息重试和确认、大消息的碎片化和重新组装、数据编码和序列化、跨连接传输的消息重新排序和消除冲突。消息传递协议可以针对不同的网络层配置进行配置和优化。网络层参数，如带宽、往返时间和最大消息大小，应该通知消息传递协议的选择服务质量。联接传输层的通信方式连接传输可能支持一对一、一对多、多对多等通信模式。
81.(5)联接框架层
82.联接框架层为参与信息交换的端点提供逻辑数据交换服务。它可以“观察”和“理解”数据交换，并使用这些知识来优化数据交付。它是传输层之上的逻辑功能层，应该与用于实现连接传输的技术无关。联接框架层的关键作用是提供端点之间的语法互操作性。交换的数据采用一种通用的、明确的数据格式，独立于端点实现，并与硬件和编程平台解耦。根据端点背后的应用程序逻辑，可能需要一个或多个数据交换模式，有两种主要的数据交换模式：发布—订阅和请求—回复。联接框架层的一个关键好处是抽象和隐藏了各种功能的实现，以便使用联接框架层的应用程序不需要知道实现，只需要使用它的功能。它降低了开发成本，提高了生产率和质量。联接框架层的关键功能包括数据资源模型、发布—订阅和请求—应答数据交换模式、数据服务质量、数据安全性和编程api。
83.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
84.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。