星载传算能力——天地一体化网络在轨边缘计算产业发展的拦路虎

2023年11月18日CCF YOCSEF太原在太原理工大学明向校区信计学院北楼一层会议室举办“卫星计算赋能天地一体化网络应用产业发展”技术论坛，本论坛由CCF YOCSEF太原副主席徐双和学术秘书董云云担任执行主席，学术秘书翟双姣和AC委员姚姗姗担任线上主席。

徐双和董云云作开场介绍

本次论坛邀请到浙江工业大学信息与通信工程学科负责人、国家优秀青年基金获得者钱丽萍，北京邮电大学信息与通信工程学院副教授潘恬，北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室讲师、中国科协青年人才托举工程项目获得者马骁，中科星图测控技术股份有限公司高级副总裁高娟，航天宏图卫星载荷副总师吴昕颖担任引导嘉宾。此外，本次论坛还邀请到东北大学副校长、国家杰出青年科学基金获得者王兴伟，沈阳航空航天大学计算机学院副院长赵亮，中国移动研究院主任研究员邓平科，中电网络通信研究院高级工程师王冬冬，阳泉市科技局党组书记、局长董增寿，中北大学信息与通信工程学院副教授姚金杰，中关村实验室助理研究员赵洁洁，长沙天仪空间科技研究院有限公司业务经理余鑫担任特邀嘉宾。

引导发言

第一位引导嘉宾浙江工业大学教授钱丽萍以《面向智慧海洋的感通算融合网络》为题，介绍了面向智慧海洋的感通算融合网络，主要涉及海洋数据的感知、通信、计算、存储、利用等诸多方面。针对海洋数据的海量性、多元性、冗余性、不安全性以及海洋通信-计算等资源的稀缺性给数据传输、利用带来的诸多难题，她分享了团队在利用有限网络资源最大化传输高价值的数据以实现海洋有效监测方面的工作。她首先介绍了空天地海一体化网络背景下的感通算融合网络架构，包括数据层、控制层和应用层；然后，阐述了如何基于数字孪生有效协调海基、地基、空基跨域感知-通信-计算多维资源的使用以提高海洋监控能力；最后，展示了卫星通信在海洋监测中如何通算互换实现监测图像的低时延高可靠天地传输。

钱丽萍作引导发言

徐双、董云云为引导嘉宾钱丽萍颁发感谢证书

第二位引导嘉宾北京邮电大学副教授潘恬分享了题为《低轨卫星组网协议与仿真验证》的报告，首先介绍了低轨卫星组网相对于高轨卫星在通信时延、构建成本、网络鲁棒性和容量可扩展性方面的优势，同时指出了低轨卫星网络因拓扑动态变化、巨型组网规模和星上资源受限所带来的挑战。在组网方面，具体的挑战点包括星间动态拓扑下的路由计算、超大规模星座的路由收敛、卫星星座与地面节点的网络编址以及星地动态拓扑下的移动切换等。针对这些问题，他分享了所在实验室近年来开展的一些研究工作，包括基于动静结合的轨道预测最短路径优先路由协议、面向低轨卫星网络动态拓扑的稳定路由生成算法、面向低轨卫星网络的轻量级路由洪泛机制以及基于身份与位置分离的低轨卫星网络移动管理协议。最后，他分享了搭建大规模低轨卫星网络仿真系统的经验，从最早基于国外成熟仿真工具进行协议设计与验证开始，到后来为了提升仿真性能的可扩展性、仿真功能的灵活度以及仿真软件的自主可控性，基于容器构建了云原生跨主机可扩展卫星网络仿真系统和半实物仿真系统。

潘恬作引导发言

徐双、董云云为引导嘉宾潘恬颁发感谢证书

第三位引导嘉宾北京邮电大学讲师马骁以《卫星计算展望：机遇与挑战》为题，首先从低轨星座迅速发展趋势以及低轨星座重要应用场景作为导入点，重点分析了部署卫星计算的三大动机——弯管架构局限性、太空数据迅猛增长以及网络控制功能上星的必要性，并指出三大动机同时也是卫星计算研究与发展的三大机遇，即新型卫星计算架构设计与任务调度、基于星-地面站-云系统的数据处理与传输以及星载核心网部署与服务性能优化。其次，她围绕卫星计算架构设计与任务调度问题，指出星上能耗与散热是限制卫星计算能力的两大重要挑战，并介绍了能耗感知的星载任务调度与数据传输分配方案。然后，围绕星地协同的数据处理与传输，考虑卫星内容分发网络场景面临的存储与通信能力受限问题，分享了卫星合作内容缓存与分发方案。之后，针对星上网络控制问题，介绍了星地协同的网络控制架构，并对未来核心网星上部署与功能优化方案进行了探索。最后，她对卫星计算未来的重点研究方向进行了展望。

马骁作引导发言

徐双、董云云为引导嘉宾马骁颁发感谢证书

第四位引导嘉宾中科星图测控技术股份有限公司高级副总裁高娟以《地基测运控的现状与发展》为题，首先分析了国内外商业航天测运控的发展现状，并指出了当前国内商业卫星测运控发展面临的诸多制约因素，包括地面站、卫星等多方接口不统一、商业模式的测运控体制和标准规范尚未形成等问题。其次，还分享了星图测控的商业航天测控站网体系，以分布各地的地面站为传感网络，以太空资产管理服务平台为处理中心，上联卫星，下达地面运营网络，面向商业航天提供测控服务、轨道增值服务、地面站支持业务、测运控中心建设业务等建设、运维等一体化服务。最后，她表示随着卫星数量的增加，商业航天测控和载荷数据接收具有巨大的市场潜力，星图测控计划布局更多的地面站，迎接商业航天的未来。

高娟作引导发言

徐双、董云云为引导嘉宾高娟颁发感谢证书

第五位引导嘉宾航天宏图卫星载荷副总师吴昕颖以《构建全球领先融合卫星星座打造卫星互联网行业新生态》为题，首先指出了卫星互联网发展历程的初步探索、平行共存、融合交织三个阶段，阐释了卫星互联网的概念内涵，指出了卫星互联网的重要发展趋势：需求牵引技术产品不断迭代，系统容量性能快速攀升；应用服务不断拓展，通导遥融合成为发展方向；空间资源加快整合，提升系统综合效能；天地网络融合快速推进，手机直连成为热点；资源加快并购整合，系统综合效能提升，赛道领跑者逐步扩大领先地位。其次，她从空间网络+感知能力构成全球化数字服务体系，传感器、载荷技术提升与多源数据融合，星间通信链路实现即时遥感与信息服务能力，商业遥感卫星边缘计算的需求等方面分析了卫星互联网的行业需求。最后，她介绍了航天宏图自主构建的女娲星座的定位、目标、建设进展和应用产品，并展望了未来多维感知构筑的数字世界以及“数据+平台+应用”发展的新格局。

吴昕颖作引导发言

徐双、董云云为引导嘉宾吴昕颖颁发感谢证书

中国科学院院士高俊发来微信祝贺

思辨环节

激烈的思辨现场

思辨点一：面对当前算力、通信、组网等限制，卫星边缘计算在天地一体化网络领域的应用前景如何？应用需求有哪些？

中国移动研究院主任研究员邓平科指出随着5G网络及其边缘计算技术的发展，“连接加算力”已经在物联网、云计算和人工智能等领域的迅速发展，我们的世界正变得越来越数字化和智能化。然而，传统的云计算模式仍然面临着一些挑战，例如长距离传输带来的延迟、大时空尺度数据同步、广域覆盖的需求等问题，这也促使卫星边缘计算成为了下一个备受关注的领域。卫星边缘计算通过连接将计算和存储资源推向离全球广域用户更近的地方，例如互联网卫星、地面站等。这种分布式计算的模式可以帮助我们解决大尺度的传输延迟和泛在连接的问题，实现更快速、更可靠的数据处理和应用。在未来面向6G的天地一体化网络中，卫星边缘计算具有更广阔的应用前景。它可以为无人机、无人车和物联网设备提供更强的实时处理能力，提高系统的安全性和使用效能。同时，卫星边缘计算还可以支持实时遥感、地理信息系统等相关应用，为灾害预防、减灾和远程医疗提供更准确的数据基础。然而，我们也面临着一些挑战和需求，如需要更高性能的通信网络来支持数据传输、设计更高效的边缘计算算法和软硬件架构以及解决数据安全和隐私保护问题。总之，在当前通信、算力和存储等有限的情况下，卫星边缘计算在未来仍然具有广阔的应用前景，可以提供更高速度的数据处理核心应用，支持天基物联网、天基实时遥感、视频传输、广域数据分发等领域的发展。

阳泉市科技局党组书记、局长董增寿认为边缘计算在解决卫星之间通信互联更具应用前景，尤其在以下几方面具有很大的技术价值：1）通信数据传输路径的减少和延迟降低；2）星上数据的处理与分析以及分布式存储与分发；3）边缘智能和决策等。此外，他强调信息技术产业发展要充分结合地区产业布局和发展优势，形成产学研用深度融合的新范式，这是实现科技创新与产业需求融合发展的关键。

长沙天仪空间科技研究院有限公司业务经理余鑫结合业务场景分析了卫星边缘计算的应用优势。目前天仪研究院自主研发的SAR（合成孔径雷达）卫星上已经部署了星上AI模块，打破了“拍照在天，处理在地”的传统应用模式，通过图像的在轨即时处理实现紧急情况下对重点目标检测识别的快速响应。目标识别方面，在卫星未过站无法数据回传情况下，利用星上AI模块对图像进行目标检测和识别，进而通过北斗短报文手段将有价值目标信息回传至地面。其次，在应急救灾方面，通过星上AI模块直接处理SAR遥感图像，快速对陆地和水体分类，提取水体面积的变化，从而实时监测洪涝灾害情况。相比于卫星过站数据回传地面后再处理的方式，通过星上AI模块大大缩短卫星图像数据处理时间，显著提升了卫星服务的时效性。此外，在卫星平台智能化提升、星间通信和星地通信、以及自然资源农业农村、海洋环境、智慧城市等场景数据处理等方面的应用有待积极探索。

中北大学副教授姚金杰认为目前天地一体化领域中涉及边缘计算的应用需求较多，如空天地海一体化应急通信网络、空间碎片成像与定位、四代北斗抗干扰能力提升等。但受限于卫星资源，可用于边缘计算的空间和能量都有限，仍受到计算散热、材料效率等影响。为此，推进空天地一体化网络边缘计算可以考虑实施分步战略，可以首先大力推广星地联合计算，之后再逐步推进卫星的边缘计算。

中关村实验室助理研究员赵洁洁指出了边缘计算在卫星互联网中较具潜力的应用场景具有以下特点：计算任务实时性高，来不及下载到地面；所处理业务发生概率低，数据全部下载地面筛查效率低等，例如预测空间站故障、识别卫星周围突发气象灾害、重点野生动物监测与保护。针对此类应用需求，通过卫星与地面协同计算来解决数据传输和实时处理问题，能够避免潜在的不良后果，提高处理效率。

北京邮电大学讲师马骁指出星地、星间通信和组网能力是实现卫星边缘计算的基础，通过类比地面云计算和边缘计算技术的发展阶段，卫星场景中数据通信对于计算能力的瓶颈问题在卫星网络发展的较早阶段暴露出来。此外，她认为星上计算、卫星组网、星间通信的发展彼此互补，而且星间通信能够为卫星计算提供支撑能力。

胡欣宇、徐双、董云云为特邀嘉宾邓平科和余鑫颁发感谢证书

思辨点二：天地一体化网络拥抱边缘计算所面临的关键科学问题与挑战是什么？

东北大学副校长王兴伟指出边缘计算的初衷是实现就近处理，改善应用的响应时间和性能，而边缘的处理能力、存储能力和网络能力能够满足应用的需要是进行边缘处理的重要前提。天地一体化网络对于边缘计算能不能拥抱、拥抱到什么程度，取决于星上载荷能力、星上处理能力和星间通信能力，因此天地一体化网络与边缘计算结合的关键前提在于卫星技术的发展。当此前提满足的情况下，天地一体化网络拥抱边缘计算最主要的两个关键问题是：1）天地协同的云边体系架构；2）面向应用需求的任务划分机制。总之，边缘计算和云计算在天地一体化网络中要发挥好作用，最主要的还是依赖卫星技术提供的载荷空间、计算装置，存储装置、网络装置能力。这也启发我们关键基础技术突破，是技术发展与进步最重要的决定因素。

中电网络通信研究院高级工程师王冬冬探讨了星载边缘计算落地实现当前面临的挑战：1）传输方面，高效、可靠的物理层传输链路是星载边缘计算能够稳定工作的必要条件，低轨卫星的高动态会导致星间和星地通信链路频繁切换，如何在通信链路频繁切换的场景下确保业务的不间断、高效、可靠传输是需要解决的关键问题。2）天基分布式云计算方面，仅基于高动态的低轨卫星网络实现星载边缘计算困难较大，而高、中、低轨混合卫星网络中绝大部分是准静态的，可以为地面云边计算技术向天基迁移带来便利，同时需要设计分布式云架构来适应天基准静态网络环境。3）算力模型和传输模型融合方面，传输模型要求能够容忍一定的丢包，而算力模型则不能出错。那么在天地一体化云网场景下如何有机地融合上述两种模型，充分发挥算力网络的最大效能。

中北大学副教授姚金杰认为天地一体化网络拥抱边缘计算面临的问题主要有两方面，一是卫星本身给边缘计算可以提供的能量、资源、空间等大小，直接影响到边缘计算的能力；二是边缘计算本身的优化问题，如优化模型的建立、计算量的优化、计算程序的优化等。此外，天地一体化组网理论、协同融合网络构建、跨媒介信息高速实时可靠传输机制等也会影响边缘计算的发展。

长沙天仪空间科技研究院有限公司业务经理余鑫从卫星研制单位的角度指出，目前微小卫星平台可承载300~500公斤的载荷，可以搭载大型服务器和处理机开展在轨科研以及业务应用，由天仪研究院与北京邮电大学合作的“天算星座”正在进行在轨边缘计算方面的积极探索。其次，由于微小卫星成本低、体积小、质量轻、发射灵活等，越来越多国家的政府和企业纷纷推出自己的微小卫星发展计划，发布了少则几十、多则上万规模的卫星星座规划，随之产生的问题是卫星轨道资源日益紧张，以及产生大量的空间碎片风险，容易对在轨运行的包括空间站和人造卫星在内的航天器构成碰撞威胁。目前主要是通过监测和预警、碰撞规避以及主动离轨等手段来保护航天器，以主动、积极地减缓空间碎片的增长。在空间碎片监测方面，目前通过地面手段对10厘米直径以上空间碎片的监测技术相对完善，可以实现对空间站和卫星运行轨道周围的空间碎片进行预警，航天器可以及早的通过主动调整姿态和变轨来规避空间碎片。在空间碎片协调委员会（IADC）等相关部门的有关指导下，目前发射入轨的卫星上都有部署自动离轨装置，卫星服役寿命结束后会在5-25年内自动离轨。对于地球静止轨道卫星，工作寿命结束后采取抬高轨道至“坟墓轨道”的方式远离地球，从而确保静止轨道工作状态下的卫星的安全。此外，低轨卫星在工作寿命结束后，可以通过自动离轨措施再入大气层陨落。作为中国航天的商业力量，天仪研究院一直高度重视“太空环保”工作，并积极投入力量开展卫星离轨技术攻关，践行“太空环保”理念。相关实验结果表明，天仪研究院自研的卫星离轨技术，能有效缩短离轨时间，实际离轨效果显著，已经在天仪自研的卫星上推广使用，助力我国空间碎片技术研究与发展。

胡欣宇、徐双、董云云为特邀嘉宾王兴伟、王冬冬和姚金杰颁发感谢证书

思辨点三：数字孪生技术能否对卫星计算赋能的天地一体化网络发展起到本质上的推动作用？

沈阳航空航天大学副院长赵亮指出IEEE INGR卫星通信组的白皮书中已经将卫星边缘计算相关内容纳入标准化工作中，并规划在2020年至2035年间，以每5年为一个阶段完成卫星通信和边缘计算的分阶段实施与部署。然而，卫星边缘计算仍面临很多困难，包括星间通信、星地通信时延、星上算力散热等挑战。卫星边缘计算的应用更多的是面向一些小概率的事件，如自然灾害、国防安全、月球上部署鹊桥网等场景。此外，他分析天地一体化网络的数字孪生可划分为两种：一种是数字孪生模型提升技术、算法和方法的能力，二是场景的数字孪生建模。数字孪生引入到天地一体化网络中必然会带来非常多的好处，但同时也面临最本质的问题，即成本问题。数字孪生发挥重要作用的场景之一即为仿真无法满足需求的情况。例如卫星发射前、鹊桥网部署前相关算法和场景的测试和验证，可以借助孪生网络进行相关验证、迭代、优化。最后，他点出卫星边缘计算中关键的两点为计算卸载、数据缓存，同样面临效率、往返时延、场景局限等挑战，但与此同时也会带来数字孪生如何部署、AI算法如何轻量化、实验如何验证等新的问题。而无论是卫星边缘计算还是天地一体化网络数字孪生，最关键的痛点均在于具体场景需求少。

中关村实验室助理研究员赵洁洁就数字孪生技术在天地一体化网络上的推动作用给出了以下两点看法：1）卫星边缘计算的许多场景需要的卫星规模大、复杂度高，很难找到验证平台，在此情况下利用数字孪生技术建模边缘计算场景就变得非常重要；2）利用真实数据和仿真数据，结合前沿的数字孪生技术，对大规模卫星应用进行孪生建模，实现模拟仿真和网络策略优化验证，从而缩短开发周期，降低开发成本。

中国移动研究院主任研究员邓平科指出从6G天地一体化网络上星之后，将其运管系统做成整个网络的数字孪生是未来6G网络架构设计的一个原生目的。与此同时为了最大化数字孪生网络的利用率，希望将其作为业务运营层或者业务层本身，在运营层开展相关的研究。将原来外生的计算、外生的智能和外生的安全等全部抽象到传统的控制面、用户面、数据面之上，做成支持内生安全、内生计算和内生智能的数字孪生本体。

中科星图测控技术股份有限公司高级副总裁高娟认为随着卫星数量的增多，卫星（尤其是业务星）发生异常时，为了不影响业务正常进行，卫星的操作者往往对遥控异常处理格外谨慎，希望在地面上有一个卫星的数字孪生体，在真正发令前进行指令的验证。在此巨型星座场景下，通过数字孪生建模进行验证就非常必要。

胡欣宇、徐双、董云云为特邀嘉宾赵亮和赵洁洁颁发感谢证书

最后，YOCSEF太原现任主席胡欣宇对本次论坛进行了总结与致谢，他希望本次技术论坛的举办能够为省内外高校、科研院所和企业搭建一个良好的交流平台，推动山西省高校、研究机构和企业共同探索卫星计算赋能天地一体化网络产业发展。本次技术论坛得到了太原理工大学计算机科学与技术学院（大数据学院）、大数据融合分析与应用山西省重点实验室、中科国宇（天津）智能科技有限公司、成都论之道科技有限责任公司的赞助支持。

YOCSEF太原主席胡欣宇作总结和致谢

合影留念

  

论坛现场花絮

撰稿：徐双 翟双姣

审稿：胡欣宇

审核：胡欣宇

CCF YOCSEF太原

中国计算机学会青年计算机科技论坛（CCF Young Computer Scientists & Engineers Forum，简称CCF YOCSEF）是由中国计算机学会1998年创建的系列性学术活动。CCF YOCSEF太原是2013年5月成立的分论坛，自成立以来，CCF YOCSEF太原分论坛紧密结合太原科技、学术与产业生态，围绕地方学术与科技热点问题展开研究思辨与讨论，为地方发展提供智库支持，聚集了一批自信、活力、敢于创新、有抱负、有能力的青年精英。历届主席分别为强彦（2013-2014）、秦品乐（2014-2015）、赵鹏（2015-2016）、王宪朝（2016-2017）、赵涓涓（2017-2018）、郭威（2018-2019）、宋昌（2019-2020）、裴向东（2020-2021）、董媛香（2021-2022）、魏巍（2022-2023），现任主席为胡欣宇。

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原文标题：星载传算能力——天地一体化网络在轨边缘计算产业发展的拦路虎

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