CN114039700A - 一种面向低带宽卫星通信的边缘计算***及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向低带宽卫星通信的边缘计算***及工作方法，属于卫星通信及边缘计算领域。其中包括如下步骤：边缘计算设备及服务接入卫星通信***，并保持运行状态；***开始工作后，边缘计算数据采集模块，采集边缘业务数据、边缘设备数据及卫星链路状态数据等；边缘计算数据处理模块，对采集到的数据进行分类，并发送给不同数据处理单元；边缘计算数据处理单元，根据对应单元的数据处理算法，对数据进行计算分析，并返回结果；边缘计算数据分析模块，对处理好的数据进行分析汇总，并返回结果；边缘计算数据存储及发送模块，对处理好的数据进行本地存储及编码处理，并将编码数据通过卫星链路发送给地面。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信及边缘计算技术领域，具体涉及一种面向低带宽卫星通信的边缘计算***及工作方法。
背景技术
卫星通信***作为现代通信技术的重要成果，是在地面微波通信和空间技术的基础上发展起来的，具有通信覆盖区域大，通信距离远，通信容量大等优点，用户只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，即可接收到卫星信号，并可以实现与外界互联互通，进行语音视频通信。然而，卫星通信也存在传输时延长，信号易衰减，误码率大、带宽资源紧张等缺点。
对于低带宽的卫星通信***，如果卫星远端用户将边缘业务及设备数据全部传输到地面数据中心进行计算，不仅会占用很大的带宽，而且会因为链路时延大及丢包率大等特性，降低信息传递的时效性，导致***性能下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向低带宽卫星通信的边缘计算***及工作方法，具体通过将边缘计算技术引入低带宽卫星通信***中，在卫星远端直接对采集到的边缘业务数据、设备状态数据及链路状态数据等，利用相关计算函数及算法进行计算分析处理，并只将计算分析的结果发送给地面数据中心，这样不仅可以大大减轻卫星带宽占用压力，而且可以提高信息在卫星链路中传输的时效性，进而提高***的性能及运行效率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种面向低带宽卫星通信的边缘计算***，包括操作台和位于操作台内的控制***，其创新点在于：所述***中所有边缘计算设备及服务均部署在卫星通信***远端，主要包括数据采集模块、数据处理计算模块、数据分析模块、数据存储及发送模块。
进一步的，所述卫星通信***是以卫星作为中继站转发微波信号，在多个地面站之间通信，其特点是覆盖范围广，非常适合偏远山区或中远海船舶通信，但是由于传输距离远及带宽窄等原因，往往会出现通信延迟大、数据阻塞等情况。
进一步的，所述数据采集模块部署在边缘计算设备上，主要负责接收采集到的的边缘数据，并对采集到的数据进行分类，然后将不同类型的数据发送给不同的数据处理单元进行处理分析。
进一步的，所述边缘数据，主要包括边缘业务数据、边缘设备状态数据以及链路网络状态数据，一般通过接口主动获取的方式进行采集。
进一步的，所述数据处理计算模块，主要用来处理不同类型的数据，并且拥有各自特定数据处理算法及计算函数；其中，处理业务数据的单元，主要对业务数据进行初步计算或机器学习算法分析，返回计算结果或业务运行趋势；处理设备状态数据的单元，主要是指对边缘计算的性能数据，包括CPU、内存、硬盘容量、温度等数据进行计算分析，返回设备可供使用剩余容量；处理链路网络状态数据的单元，主要是指对卫星链路的网络质量数据，包括丢包率、延迟、带宽等数据进行计算分析，返回卫星链路的实时使用情况数据。
进一步的，所述数据分析模块，主要是指对处理好的数据进行分析，并给出相应的结论；分析处理好的边缘计算设备状态数据，根据设备可用剩余容量，决定是否需要降低边缘服务运行线程数减轻CPU性能压力，是否需要释放程序临时变量减少内存消耗，是否需要删除历史遗留数据减少硬盘占用等；分析处理好的卫星链路网络状态数据，根据链路实时质量状况，决定是否需要调整数据发送速率、编码冗余以及数据包大小；处理好的业务数据为待传输数据，一般不再作进一步的分析。
进一步的，所述数据存储及发送模块，主要负责根据分析模块中分析的结果，对边缘服务进行性能调整，并完成数据本地存储操作；边缘数据发送模块对待传输边缘数据进行编码处理，然后再将编码数据通过卫星链路发送给地面端。
进一步的，所述编码处理选用喷泉码RaptorQ编码机制，对数据进行编码处理；喷泉码是一类前向纠错编码技术，具有线性编译码复杂度且码率不受限制的特性，包括LT码、Raptor码以及RaptorQ码，其中RaptorQ码是一种定义在伽罗华域GF(256)上的Raptor码，其相比其他的喷泉码在成功译码时所需开销更少且支持更多信息分组的编码传输，特别适用于卫星通信***及边缘计算数据处理。
一种面向低带宽卫星通信的边缘计算***的工作方法，其创新点在于，包括以下步骤：
S1：边缘计算设备及服务接入卫星通信***，并保持运行状态；
S2：边缘计算数据采集模块采集边缘业务数据、边缘设备数据及卫星链路状态数据等；
S3：边缘计算数据处理模块对采集到的数据进行分类，并发送给不同数据处理单元；
S4：边缘计算数据处理单元根据对应单元的数据处理算法，对数据进行计算分析，并返回结果；
S5：边缘计算数据分析模块对处理好的数据进行汇总，分析设备运行状态及卫星链路状态，并返回边缘计算服务待调整操作；
S6：边缘计算数据存储及发送模块:对处理好的数据进行本地存储及编码处理，并将编码数据通过卫星链路发送给地面。
本发明有益效果为：
与现有卫星通信***相比，本发明一种面向低带宽卫星通信的边缘计算***及工作方法，在保证远端用户可以通过卫星链路与外界互联互通的前提下，创新性地引入边缘计算技术，构建一套适用于低带宽卫星通信的边缘计算***，使得边缘数据在卫星远端边缘处就先利用边缘设备进行计算处理分析，并只将处理好的数据返回给地面数据中心，从而可以大大减轻卫星带宽占用压力，以及提高信息在卫星链路中传输的时效性，进而提高***的性能及运行效率。
附图说明
图1为本发明边缘计算数据采集及处理流程图；
图2为本发明边缘计算数据分析及发送流程图；
图3为本发明的工作方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参看图1，一种面向低带宽卫星通信的边缘计算***及工作方法，其边缘计算数据采集及处理流程如下：
卫星远端边缘计算设备接入卫星通信***中，并保持运行状态。
边缘计算服务中数据采集模块通过接口协议或串口方式主动采集边缘数据，采集的的数据包括卫星远端业务数据、边缘计算设备运行状态数据以及卫星链路质量状态数据。其中，业务数据的采集间隔根据相关业务自行配置，边缘计算设备运行状态数据的采集间隔为30分钟一次，卫星链路状态数据的采集间隔为5分钟一次。完成数据采集后，主动将采集到的临时数据，发送给数据处理模块。
边缘计算数据处理模块收到采集数据后，根据相关标识，对数据进行分类，并将数据传到相应的数据处理单元等待处理。
其中，处理业务数据的单元，主要对业务数据进行初步计算或算法分析，具体的计算函数及分析算法，针对不同的业务数据进行定制，然后返回计算结果或业务运行趋势。
处理设备状态数据的单元，主要是指对边缘计算的性能数据，包括CPU、内存、硬盘容量、温度等数据进行计算分析，返回设备可供使用剩余容量。
处理卫星链路网络状态数据的单元，主要是指对卫星链路的网络质量数据，包括丢包率、延迟、带宽等数据进行计算分析，返回卫星链路的实时使用情况数据。
边缘计算数据处理模块完成数据计算处理后，将处理分析的结果发送给数据分析模块，进行数据分析。
实施例2
参看图2，一种面向低带宽卫星通信的边缘计算***及工作方法，其边缘计算数据分析及发送流程如下：
边缘计算服务数据分析模块接收到计算处理好的数据，进行进一步的分析，并返回边缘计算服务待调整操作。
分析处理好的边缘计算设备状态数据，根据设备可用剩余容量，决定是否需要降低边缘服务运行线程数减轻CPU性能压力，是否需要释放程序临时变量减少内存消耗，是否需要删除历史遗留数据减少硬盘占用等。具体操作如下：
将设备可用剩余容量与设备总容量及正常使用容量上限做比较，记设备可用剩余容量为r,设备总容量t,正常使用容量上限u,然后对正常使用剩余容量划分为3个段，每个段容量为
然后将设备可用容量r与nc进行比较，其中n为正整数，根据比较结果做出相应的调整。
表1边缘计算设备性能优化操作
分析处理好的卫星链路网络状态数据，根据链路实时质量状况，决定是否需要调整数据发送速率、编码冗余以及数据包大小等，优化发送策略。具体操作如下：
1)根据采集到的实时卫星链路带宽及时延，调整待发送数据包大小及发送间隔。
2)根据采集到的实时卫星链路丢包率，调整编码冗余，即编码冗余≥
其中loss表示实时丢包率。
处理好的业务数据为待传输数据，一般不再作进一步的分析。
完成数据分析操作后，边缘计算数据存储及发送模块对待传输数据进行本地存储，并按照最新的分析结果及编码策略，对待传输数据按照喷泉码编码方式进行编码，形成编码数据。
边缘计算数据发送模块根据分析的卫星链路状况，调整发送策略，即调整数据发送的频率及数据包长度，然后通过卫星链路将编码数据利用UDP通信协议发送给地面数据中心。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种面向低带宽卫星通信的边缘计算***，包括操作台和位于操作台内的控制***，其特征在于：所述***中所有边缘计算设备及服务均部署在卫星通信***远端，主要包括数据采集模块、数据处理计算模块、数据分析模块、数据存储及发送模块。
2.根据权利要求1所述的一种面向低带宽卫星通信的边缘计算***，其特征在于：所述卫星通信***是以卫星作为中继站转发微波信号，在多个地面站之间通信。
3.根据权利要求1所述的一种面向低带宽卫星通信的边缘计算***，其特征在于：所述数据采集模块部署在边缘计算设备上，主要负责接收采集到的的边缘数据，并对采集到的数据进行分类，然后将不同类型的数据发送给不同的数据处理单元进行处理分析。
4.根据权利要求3所述的一种面向低带宽卫星通信的边缘计算***，其特征在于：所述边缘数据，主要包括边缘业务数据、边缘设备状态数据以及链路网络状态数据，一般通过接口主动获取的方式进行采集。
5.根据权利要求1所述的一种面向低带宽卫星通信的边缘计算***，其特征在于：所述数据处理计算模块，主要用来处理不同类型的数据，并且拥有各自特定数据处理算法及计算函数；其中，处理业务数据的单元，主要对业务数据进行初步计算或机器学习算法分析，返回计算结果或业务运行趋势；处理设备状态数据的单元，主要是指对边缘计算的性能数据，包括CPU、内存、硬盘容量、温度数据进行计算分析，返回设备可供使用剩余容量；处理链路网络状态数据的单元，主要是指对卫星链路的网络质量数据，包括丢包率、延迟、带宽等数据进行计算分析，返回卫星链路的实时使用情况数据。
6.根据权利要求1所述的一种面向低带宽卫星通信的边缘计算***，其特征在于：所述数据分析模块，主要是指对处理好的数据进行分析，并给出相应的结论；分析处理好的边缘计算设备状态数据，根据设备可用剩余容量，决定是否需要降低边缘服务运行线程数减轻CPU性能压力，是否需要释放程序临时变量减少内存消耗，是否需要删除历史遗留数据减少硬盘占用；分析处理好的卫星链路网络状态数据，根据链路实时质量状况，决定是否需要调整数据发送速率、编码冗余以及数据包大小；处理好的业务数据为待传输数据，一般不再作进一步的分析。
7.根据权利要求1所述的一种面向低带宽卫星通信的边缘计算***，其特征在于：所述数据存储及发送模块，主要负责根据分析模块中分析的结果，对边缘服务进行性能调整，并完成数据本地存储操作；边缘数据发送模块对待传输边缘数据进行编码处理，然后再将编码数据通过卫星链路发送给地面端。
8.根据权利要求7所述的一种面向低带宽卫星通信的边缘计算***，其特征在于：所述编码处理选用喷泉码RaptorQ编码机制，对数据进行编码处理。
9.一种根据权利要求1-8任意一项所述的面向低带宽卫星通信的边缘计算***的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：边缘计算设备及服务接入卫星通信***，并保持运行状态；
S2：边缘计算数据采集模块采集边缘业务数据、边缘设备数据及卫星链路状态数据等；
S3：边缘计算数据处理模块对采集到的数据进行分类，并发送给不同数据处理单元；
S4：边缘计算数据处理单元根据对应单元的数据处理算法，对数据进行计算分析，并返回结果；
S5：边缘计算数据分析模块对处理好的数据进行汇总，分析设备运行状态及卫星链路状态，并返回边缘计算服务待调整操作；
S6：边缘计算数据存储及发送模块:对处理好的数据进行本地存储及编码处理，并将编码数据通过卫星链路发送给地面。
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