空間算力網絡初探*

丁文慧，高吉星，虞志剛，馮旭，陸洲

（中國電子科學研究院，北京 100041）

0 引言

空間信息網絡憑借其廣域覆蓋、大時空尺度、快速通信等優勢，成為未來6G 網絡架構的核心組成部分。國內外紛紛投入了大量的人力、物力和財力開展空間信息網絡的技術研究和商業應用[1-3]。隨著商業航天的迅猛發展，比如Starlink、Oneweb 等商業公司向太空中發射大量的通信衛星，構建一系列的巨型星座。空間信息網絡已經不再扮演傳統的信息傳輸通道角色，而是具備了數量大、種類繁多、分布廣泛的星載資源，能夠提供為空間應用提供豐富充沛的算力。同時，云計算、SDN（Software Defined Network，軟件定義網絡）、人工智能等先進技術逐步向空間擴展，為空間信息網絡的發展帶來前所未有的發展契機。

在空間信息網絡的發展過程中，星載計算資源作為空間信息網絡服務的載體，呈現出數量大、種類多、分布廣的特點。在數量方面，巨型星座的構建使得空間資源越來越多，如何將大量空間資源利用起來成為一個研究熱點問題；在種類方面，星載資源包括CPU/GPU/FPGA/DSP 等，呈現出異構性、差異化的特點，亟需解決如何管理差異化的異構資源，達到較高資源利用率的問題；在分布范圍方面，大量的星載資源全球廣域分布、網絡拓撲動態時變，節點之間的協同和調度難度大。

面向當前日益繁多復雜的空間計算資源，本文提出一種空間算力網絡的初步設想，利用虛擬化技術提供分布式感知、分布式計算、分布式傳輸、分布式存儲等核心能力，通過云邊一體化管理體系，實現星載算力資源的靈活調用、協同處理、應用開放，滿足空間信息網絡典型應用的需求。

1 發展現狀

面向日益豐富的空間算力資源，國內外工業界和學術界均開展了大量的研究，大多聚焦于巨型星座建設和空間應用探索兩個方面。

1.1 國外發展現狀

（1）星座發展

衛星互聯網星座呈爆炸式增長趨勢，為空間信息網絡發展帶來了豐富多樣的計算能力。截至2022 年7 月，美國SpaceX 公司已經向太空中發射2 900 顆衛星構建星鏈星座[4-5]，目前仍有2 500 顆在軌運行。公開資料顯示，SpaceX 每發射60 顆衛星都攜帶有4 000 多臺精簡版的Linux 計算機，據此推算，SpaceX 已向太空發射出16 640多臺Linux 計算機。大量的Linux 計算機也為空間信息網絡帶來了充沛的算力資源。OneWeb 公司計劃通過發射超過600 個小衛星到低軌道創建覆蓋全球的高速電信網絡[6]。截至2022 年3 月，OneWeb 已向地球低軌道發射了428 顆寬帶衛星。

（2）應用探索

為了充分利用空間信息網絡日益增長的計算能力，美國開展了一系列的空間邊緣計算系統構建的應用探索。2021 年6 月，Loft Orbital 衛星搭載著POET 有效載荷發射升空，部署有目標識別算法，通過在軌數據處理，可自動處理圖像，識別特定目標。2018 年7 月，美國DARPA（Defence Advanced Research Projects Agency of the Department of Defense，美國國防部高級研究計劃局）提出黑杰克計劃[7-8]，黑杰克上搭載的一種名為“Pit Boss”的載荷，能夠收集衛星傳感器獲取的各種數據，具有自主控制及自主決策系統功能。

1.2 國內發展現狀

（1）星座發展

在Starlink、Oneweb 等星座發展的帶動下，我國也將低軌互聯網星座建設提上日程。

虹云工程計劃發射156 顆衛星，致力于構建一個星載寬帶全球移動互聯網絡，提供極低通信時延、真正全球覆蓋的互聯網服務。鴻雁低軌衛星星座計劃發射300顆衛星，提供IoT、定位、導航、寬帶等業務[9]。2022年6 月2 日，吉利科技集團以“一箭九星”方式成功發射“吉利未來出行星座”的首軌衛星，未來將完成72 顆衛星的部署。2021 年4 月，中國衛星網絡集團有限公司正式成立，其工作核心就是建設我國的衛星互聯網系統，加快建設技術先進的空間信息基礎設施，努力實現衛星網絡全球覆蓋。

（2）應用探索

國內各研究團隊也紛紛探索在星上載荷部署功能軟件，為各類應用場景提供高質量的服務保障。2018 年，中科院軟件研究所牽頭發射軟件定義衛星“天智一號”，該衛星上搭載了一個小型的智能化云計算平臺，用戶可以利用“追星APP”實時訪問“天智一號”，通過上注不同功能的APP 為用戶提供多樣化、靈活化的服務[10]。2021 年11 月，由北郵、天儀公司和華為公司合作發射天算星座先導衛星“寶醞號”成功發射升空[11]，衛星上搭載了嵌入式系統樹莓派，用于部署模塊化重構和輕量化剪裁的核心網網元，并且部署了華為的KubeEdge 平臺及Sedna 子項目實現統一的資源、應用管理、分布式應用協同能力和在軌人工智能推理能力。2022 年2 月，天算星座第二顆先導試驗星“創星雷神號”發射，首次完成了星地鏈路QUIC 協議的在軌試驗驗證任務，探索解決星地鏈路存在長時延、高誤碼率、高不對稱性問題。

1.3 發展趨勢與挑戰

綜合國內外研究現狀可以看出，空間算力已經成為空間信息網絡與應用發展的重要推動力[12]，由巨型星座構建帶來的日益增長的空間算力，使空間組網、星上計算、核心網功能上天等應用成為了可能。但是，空間信息網絡具有資源廣域分布、拓撲動態時變、業務類型多樣等特點，如何高效調度廣域分布的空間算力提供按需計算服務成為一個亟待解決的關鍵問題。面臨的技術挑戰主要包括：

一是異構資源統一管理。隨著星載處理能力的提升，空間算力不再是單一的處理器架構，而是向“CPU+GPU”、“CPU+FPGA”、“CPU+NPU”等異構多樣化的計算架構發展，不同體系架構的計算單元組成的混合系統，用以滿足通用計算和專用計算的不同需求。如何對異構多樣的計算資源進行統一的管理是一個亟需解決的關鍵問題。

二是廣域動態資源調度。衛星星座的構建在空間環境規律性廣域分布著各衛星節點資源，而且低軌衛星星座處于動態時變的環境下，但是空間網絡節點的分布狀態和高速移動是有規律的，而不會是突發或者隨機的，因此，既廣域動態分布，又相對規律運動的空間資源的高效調度具有一定的難度。

三是空間算網一體服務。隨著云原生、邊緣計算、云計算等新型技術的不斷發展，空間信息網絡將打破傳統單一網絡化服務的模式，逐漸向“算力+網絡”深度融合的方向發展，以空間通信網絡設施與星載算力設施為基礎，將分布于云、邊、端的數據、計算、網絡等多種資源進行統一編排管控，實現網絡、算力、服務的深度融合和靈活組合。因此如何通過空間算力資源的統一感知和調度為用戶提供多層次疊加的一體化服務體驗是當前研究的熱點難題。

2 空間算力網絡架構設想

面向空間信息網絡日益豐富多樣的算力資源，從地面網絡云網融合的理念出發，提出了通信、網絡、計算、感知一體化融合的空間算力網絡，利用云原生技術將廣域分布的星載算力資源進行統一管理和動態調度，實現多要素深度融合的管理體系，提供一體化服務的新型信息基礎設施。

2.1 物理架構

在系統物理組成方面，參考衛星通信網絡架構，空間算力網絡可以劃分為地面段、空間段和用戶段三個部分，如圖1 所示。

圖1 空間算力網絡物理架構

（1）地面段：主要由地面數據通信網絡的算力資源組成，包括地面信關站、數據中心等。由于地面網絡算力資源主要由算力較強的地面通用處理設備構成，能夠為應用和管理提供充沛的算力。

（2）空間段：主要由若干包含感、傳、算、存等資源的星載算力載荷通過星間鏈路互聯形成，感知資源包括SAR（Synthetic Aperture Radar，合成孔徑雷達）載荷、電子偵察天線、光學成像載荷等；傳輸資源包括星地、星間鏈路的傳輸帶寬、衛星波束、頻率等；計算資源包括CPU、GPU、FPGA、DSP、NPU 等異構資源；存儲資源包括SSD 固態存儲、內存等。由于受到星載體積、重量等方面的限制，空間段算力資源通常相對稀缺，需要對多要素進行深度融合管理，實現空間算力資源的高效利用。

（3）用戶段：主要由衛星終端側的算力資源組成，包括陸、海、空、天全方位、立體分布的用戶終端，獲取空間算力網絡的感知、傳輸、應用等服務。

2.2 邏輯架構

在邏輯功能方面，參考中國移動的算力網絡體系架構[13]，提出空間算力網絡的邏輯架構，如圖2 所示，主要由算力網絡基礎設施、算力編排管理層、微服務應用層組成。

圖2 空間算力網絡邏輯架構

（1）算力基礎設施：為空間算力網絡提供基礎計算能力，主要包括星載算力載荷和地面算力資源，為網絡功能和業務應用部署提供算力底座。

（2）算力編排管理：為空間算力網絡提供資源與應用的綜合管理能力，空間算力網絡的大腦。一方面，向下利用虛擬化技術對分布式異構算力資源進行抽象，形成統一資源池供應用調度，為應用提供分布式感知、分布式計算、分布式存儲資源；另一方面，向上面向業務多樣化、差異化的服務保障需求，對資源進行統籌編排和按需調度，提高空間算力網絡有限資源的利用率。

（3）微服務應用層：為空間算力網絡提供應用服務能力。面向空間算力網絡的特定軍用或民用需求，提供基礎應用服務軟件，并支持第三方應用開發與部署。

2.3 軟件架構

基于云原生的設計理念和思路[14-16]，提出空間算力網絡的軟件架構，由基礎資源層、操作系統層、虛擬化層、云邊管理層和應用層構成，如圖3 所示：

圖3 空間算力網絡軟件架構

（1）基礎資源層：是空間算力網絡的網絡功能和業務應用的運行實體，包括感知、傳輸、計算、存儲等資源。

（2）操作系統層：是空間算力網絡中星載底層硬件的抽象，向下管理星載算力資源硬件，如內存、CPU、FPGA 等，然后把底層硬件抽象成易用的接口，向上應用層提供支持。面向不同的硬件選取適配操作系統，包括Syslix OS、ReWorks、Space OS 等。

（3）虛擬化層：是空間算力網絡中異構算力資源的抽象軟件，最終形成統一的虛擬資源池，為應用提供感知、計算、存儲、網絡、容器、鏡像以及資源編排接口。

（4）管理層：是空間算力網絡管理功能的核心，向下調用虛擬化資源進行編排和調度，向上接收應用層需求，并為應用層提供能力調用接口。在該層主要部署資源調度、服務編排、服務管理等管理軟件，并為用戶提供統一的管理和服務接口。

（5）應用層：是空間算力網絡承載的應用程序，針對具體業務應用的需求開發功能應用APP，包括目標識別、目標跟蹤、態勢更新、情報分發等，也支持第三方應用的安裝和部署。

3 空間算力網絡工作模式

根據云管理功能部署位置不同，空間算力網絡支持星地協同運行和空間自主運行兩種工作模式。

3.1 星地協同運行模式

在星地協同運行模式下，管理層功能部署于地面中心，如圖4 所示，通過地面中心和星載算力載荷的差異化功能部署，支持有中心的管理和服務。在該模式下，地面中心主要包括兩個方面的功能：一是通過API（Application Programming Interface，應用程序編程接口）管理接口實時獲取星載算力載荷資源狀態，為資源調度提供參考依據；二是通過RESTful 的服務接口接收用戶服務請求，并根據全局資源狀態形成資源利用率最大化的任務分配方案，發送給星載算力載荷。星載算力載荷一方面定時向地面中心發送本地資源狀態，另一方面接收地面中心下發的任務，適時地啟動相關應用程序，并將執行結果反饋給地面中心。在該模式下，全局管理功能部署于算力充沛的地面中心，星載算力載荷受地面中心統一管控，星載算力資源調用的控制指令通過星地鏈路傳輸至各星載算力載荷執行，傳輸時延較大。

圖4 星地協同運行模式示意圖

3.2 空間自主運行模式

在空間自主運行模式下，管理層功能部署于星載算力載荷如圖5 所示，通過輕量化管理功能的星上部署，提供無中心的管理和服務。在考慮星座時變性及節點之間連接關系的基礎上，通過選舉機制選定某個星載算力載荷作為管理的錨定點，部署輕量級的決策器和調度器，負責全局的資源管理和任務調度。而其他星載算力載荷作為邊緣側接收管理錨定點下發的任務，并將自身狀態進行上報。在該模式下，每個星載算力載荷都是對等體，同時部署管理層功能，相互之間能夠感知彼此的資源狀態情況。空間自主運行模式能夠擺脫對地面算力的依賴，使空間算力網絡在無中心的物理架構下依然能夠自主運行，為用戶提供持續服務。在該模式下，星載算力資源支持輕量化管理層功能部署，星載算力資源調用的控制指令直接通過星間鏈路傳輸至各星載算力資源執行，擺脫了對地面中心的依賴，節省了星地鏈路時延，提高了服務響應時間。

圖5 空間自主運行模式示意圖

4 空間算力網絡典型應用場景

4.1 全球信息分發

空間算力網絡具有全球廣域覆蓋的特點，面向地面網絡受損，或用戶節點與服務節點之間由于地理位置距離遠而難以通過地面網絡連通的場景，空間算力網絡可以利用星載存儲資源構建衛星CDN 網絡，支持內容分發密集型應用服務。尤其是當廣域分布在各地的多個用戶，同一時刻向同一地點發送特定內容請求的場景，對星載存儲資源進行智能化的編排，預先緩存服務內容，高效利用稀缺的星上資源，提高緩存命中率，用戶可以“就近取材”獲得服務內容，有效緩解星地鏈路帶寬壓力，提高業務響應速度。

4.2 在軌目標識別

在傳統遙感圖像目標提取應用中，遙感衛星將拍攝得到的遙感圖像下傳給地面數據處理中心，在地面進行目標檢測和跟蹤處理。但是，隨著航天電子技術的發展，衛星獲取到的遙感圖像的分辨率越來越高，數據傳輸至地面對星地帶寬的壓力較大。空間算力網絡的發展為星上處理提供了可能，利用在軌數據處理能力，通過多星協同計算快速處理和圖像識別，將單個大數據量的遙感圖像，分割成多份分配至多個星上算力載荷并行加速處理，處理結果匯聚后分發給用戶，形成“星上獲取-星上處理-星上分發”的信息處理模式。

4.3 多星協同觀測

低軌星座中各節點處于動態時變的運行狀態中，單顆衛星無法實現對特定目標區域的持續目標觀測和跟蹤，需要多顆衛星通過無縫服務遷移接力運行，提供持續觀測能力。面向低軌感知層的多源衛星協同觀測的場景，分析觀測任務對傳感器觀測時限、空間分辨率和光譜的需求，在用戶對地觀測需求的基礎之上，對多星對目標區域的協同觀測進行建模，根據不同衛星的遙感設備幅寬、側擺能力、星歷信息、資源占用情況等信息，預先編排劃分不同衛星的觀測任務，構建多個特定時刻特定衛星的目標觀測任務，通過多星感知協同，實現關鍵區域的無縫、持續觀測。

5 結束語

本文在梳理了國內外在星座構建和應用探索方面發展現狀的基礎上，總結出空間算力發展的趨勢和挑戰，提出了一種空間算力網絡架構，利用云原生技術將廣域動態分布的星載算力資源聯合起來，形成感知、傳輸、計算、存儲融合的統一資源池，通過多要素融合管理體系，構建統一的資源調度平臺，支持星地協同和空間自主兩種運行模式，為多星協同觀測、在軌目標識別、全球信息分發、軟件在軌更新等典型應用提供算力基礎。