一种基于MEC服务器的星地两级边缘网络及其协作方法与流程

本发明属于无线通信系统技术领域，特别是一种基于mec服务器的星地两级边缘网络协作方法。

背景技术：

当前，移动边缘计算(mobileedgecomputing，mec)已经成为解决核心网回传拥塞、降低业务时延的主要手段，在欧洲电信标准化协会(europeantelecommunicationsstandardsinstitute,etsi)的推动下，已经成为无线通信产业发展的重要研究方向。

部署在网络边缘的节点具有存储能力，可将用户请求的热门业务进行缓存，降低核心网回传拥塞的压力，同时降低获取业务内容的时延，改善用户体验。

然而，这种技术仍面临许多的挑战，首先，网络中的通信、存储以及计算资源差异很大，不同的资源管理方案还不能实现对单独的节点进行性能最优化；其次，网络业务的协作性有待加强，节点需将多种网络功能进行统一，因此需要对相关实体和接口进行设计。

目前，针对网络边缘计算的研究有很多，但都没有针对星地边缘网络协作方法进行分析，在卫星地面融合网络中，地空资源的孤岛效应明显。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于移动边缘计算服务器的星地两级边缘网络及其协作方法，将星地两级边缘网络作为研究场景，通过在地基局部边缘节点和天基全局边缘节点上部署移动边缘计算服务器简称mec服务器，形成了位于地面的地基局部边缘智能实体和位于空中的天基全局边缘智能实体，通过将两个智能实体相结合，实现网络资源的高效利用。

一种基于mec服务器的星地两级边缘网络，包括：

将基于mec服务器的地基局部边缘智能实体的功能模块分割为四部分组成，包括：地基边缘局部智能感知模块、本地网络管理控制模块、本地边缘节点资源分配模块、个性化服务与应用模块；

将基于mec服务器的天基全局边缘智能实体的功能模块分割为四部分组成，包括：天基边缘全局智能感知模块、全局网络管理控制模块、全局边缘节点资源分配模块、个性化服务与应用模块。

根据各模块实现星地两级边缘网络控制协作；地基局部边缘节点(基站、信关站)对地基边缘局部进行智能认知，提取终端设备信息(分布、电量、存储和传输能力)、用户行为特征(用户空间分布、业务流量时间分布、用户移动性和社交关系)、网络状态(业务负载、信道情况)，完成本地信息的精准感知；

天基全局边缘节点(卫星、无人机、飞艇)由于覆盖范围更广，将覆盖多个地基局部边缘节点所在区域；地基局部边缘节点周期性上报天基全局边缘节点局部智能认知信息，天基全局边缘节点全局控制实体对所覆盖区域内多个本地智能控制实体的信息进行综合分析，实现对更大范围的全局网络进行智能认知。

地基局部边缘节点中基于局部感知的信息，进行本地网络管理控制，具体技术包括动态资源分配、本地数据处理、能量收割与高能效控制、缓存策略。该部分的实现由部署在地基局部边缘节点(基站或信关站)内的移动边缘计算模块mec支持实现，实现技术包括网络中现有的通信技术。

天基全局边缘节点基于全局智能感知信息，对全局网络管理控制，具体技术包括负载均衡、接入控制、移动性管理、数据处理、挖掘与数据安全、存储、计算、无线频谱资源分配，以及能量收割、休眠开关策略与高能效服务策略。全局网络管理控制技术实现的基础，是天基与地基网络控制与业务分离的软件定义架构。通过协作，实现天基网络在全局的资源管理。

本地边缘节点在本地网络控制管理技术的支持下，对地基无线频谱资源、计算资源、存储资源进行分配；本地边缘节点资源分配的基础，是网络功能虚拟化；

全局边缘节点在全局网络管理技术的支持下，对天基计算资源、存储资源、回程链路资源进行分配；全局边缘节点资源分配的基础，是网络功能虚拟化；地基边缘节点的资源分配服务于局部区域的个性化应用；天基边缘节点的资源分配服务于全局范围内的个性化应用。

本发明的优点在于：

1.通过在天基和地基部署边缘节点，可充分利用二者存储、计算和通信资源，有效提升星地网络的协作和资源的高效利用。

2.通过地基的局部认知和天基的全局认知，可对网络业务需求动态变化、资源分布利用情况等网络状态更加精准的了解，并从局部和全局的角度高效解决。

3.本发明从接入控制和负载均衡的角度给出了天基和地基部署边缘节点后的协作方法，通过仿真验证可有效降低网络时延。

附图说明

图1是本发明提供的星地两级边缘智能实体及接口示意图；

图2a为本发明中基于星地两级边缘网络协作方法中控制接入方法流程图；

图2b为本发明中基于星地两级边缘网络协作方法中负载均衡方法流程图；

图3为本发明中mec服务器与星地两级边缘网络的连接示意图；

图4为本发明与现有技术的网络延时对比柱状图。

具体实施方式

本发明提供一种基于mec服务器的星地两级边缘网络协作方法，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种基于mec的星地边缘网络协作方法，将星地边缘网络作为研究场景，如图3所示，通过在地基局部边缘节点和天基全局边缘节点上分别部署移动边缘计算服务器简称mec服务器，形成了位于地面的地基局部边缘智能实体和位于空中的天基全局边缘智能实体，通过将两个智能实体相结合，实现网络资源的高效利用。

所述地基局部边缘节点，包括基站和信关站；所述天基全局边缘节点，包括卫星、无人机、飞艇等。

之所以都是边缘节点，是因为这些边缘节点都在接入网，虽然天基全局边缘节点离用户的实际距离很远，但逻辑距离很近，用户可直接接入，并且时延也在毫秒级别，相对于核心网来说，是网络的边缘。

所述mec服务器，是指具有计算能力的独立实体，分别与地基局部边缘节点和天基全局边缘节点进行连接，并部署在地基局部边缘节点和天基全局边缘节点中或节点附近，以增强节点的计算处理能力。

所述独立实体，是在地基局部边缘节点和天基全局边缘节点中或节点附近部署mec服务器后，整体形成的具有一定功能作用的逻辑整体。通过在节点中或节点附近部署mec服务器，成为地基边缘智能节点，逻辑上作为一个地基局部边缘智能实体；天基全局边缘节点部署mec服务器后，成为天基边缘智能节点，逻辑上作为一个天基全局边缘智能实体，作为智能控制逻辑实体控制该节点的通信、计算、存储等功能。

因此，地基局部边缘节点部署mec服务器后，成为地基边缘智能节点，逻辑上作为一个地基局部边缘智能实体；天基全局边缘节点部署mec服务器后，成为天基边缘智能节点，逻辑上作为一个天基全局边缘智能实体。

如图1所示，对星地边缘网络划分为两个功能实体，分别为地基局部边缘智能实体和天基全局边缘智能实体。

所述的地基局部边缘智能实体包括：地基边缘局部智能感知模块、本地网络管理控制模块、本地边缘节点资源分配模块、个性化服务与应用模块；

所述的天基全局边缘智能实体包括天基边缘全局智能感知模块、全局网络管理控制模块、全局边缘节点资源分配模块、个性化服务与应用模块。

所述地基边缘局部智能感知模块用于感知终端设备信息、用户行为特征和网络状态，并与与天基边缘全局智能感知模块进行协同感知。

所述本地网络管理控制模块包括对动态资源分配、本地数据处理、能效收割与高能效控制、缓存策略的管理控制；所述全局网络管理控制模块包括对四个部分的管理控制，分别第一部分是负载均衡、接入控制、移动性管理，第二部分是对数据处理、挖掘与数据安全的管理控制，第三部分是对存储、计算、无线频谱资源分配的管理控制，第四部分是对能量收割、休眠开关策略与高能效服务的管理控制。

所述本地边缘节点资源分配模块包括对无线频谱资源、计算资源和存储资源的资源分配；所述全局边缘节点资源分配模块包括对计算资源、存储资源和回程链路资源的资源分配。

星地两级边缘网络作为一种新的场景，需要充分考虑星上资源的广度优势和存储、计算能力不足的劣势，整体考虑用户、网络和设备的状态进行适配优化。

地基局部边缘节点(基站、信关站)对地基边缘局部进行智能感知，提取终端设备信息(分布、电量、存储和传输能力等)、用户行为特征(用户空间分布、业务流量时间分布、用户移动性和社交关系等)、网络状态(业务负载、信道情况等)，完成本地信息的精准感知；

天基全局边缘节点(卫星、无人机、飞艇等)由于覆盖范围更广，将覆盖多个地基局部边缘节点所在区域；地基局部边缘节点周期性上报天基全局边缘节点局部智能认知信息，天基全局边缘智能实体对所覆盖区域内多个本地的地基局部边缘智能实体的本地信息进行综合分析，实现对更大范围的全局网络进行智能感知。

地基局部边缘智能实体中的本地网络管理控制模块，对地基边缘局部感知模块提供的本地信息进行本地网络管理控制，具体包括动态资源分配、本地数据处理、能量收割与高能效控制、缓存策略。该部分的实现由部署在地基局部边缘节点(基站或信关站)内的移动边缘计算模块mec支持实现，实现技术包括网络中现有的通信技术。

天基全局边缘智能实体中的全局网络管理控制模块，对天基边缘全局智能感知模块提供的全局智能感知信息进行全局网络管理控制，具体技术包括负载均衡、接入控制、移动性管理、数据处理、挖掘与数据安全、存储、计算、无线频谱资源分配，以及能量收割、休眠开关策略与高能效服务策略。全局网络管理控制技术实现的基础，是天基与地基网络控制与业务分离的软件定义架构。通过协作，实现天基网络在全局的资源管理。

本地边缘节点资源分配模块在本地网络控制管理模块的支持下，对地基无线频谱资源、计算资源和存储资源进行分配。本地边缘节点资源分配的基础，是网络功能虚拟化；

全局边缘节点资源分配模块在全局网络管理模块的支持下，对天基计算资源、存储资源和回程链路资源进行分配。全局边缘节点资源分配的基础，是网络功能虚拟化。

地基边缘节点的资源分配模块服务于局部区域个性化服务与应用模块；天基边缘节点的资源分配模块服务于全局范围内个性化服务与应用模块。

卫星地面混合网络中采用星地协作控制策略实现用户接入，如图2a，具体接入策略如下：

(1)用户终端向地基局部边缘节点提出随机接入请求；

(2)地基局部边缘节点将系统信息反馈给用户终端；

(3)地基局部边缘节点向天基全局边缘节点上报基站负载及用户终端行为特征和请求内容；

(4)天基全局边缘节点进行接入控制，判断用户终端接入控制地基局部边缘节点或天基全局边缘节点，形成判决结果；

(5)天基全局边缘节点将判决结果回传至地基局部边缘节点；

(6)地基局部边缘节点通知用户终端判决结果并触发接入流程；

(7)用户终端根据反馈结果，接入地基局部边缘节点或天基全局边缘节点。

针对计算密集型业务的计算卸载，星地双级边缘网络采用协作负载均衡策略，如图2b，具体策略如下：

1)用户终端向地基局部边缘节点发起计算业务卸载请求；

2)地基局部边缘节点将系统信息反馈至用户终端；所述的系统信息包括随机接入前导标识、时钟提前量、上行资源赋予、以及临时的c-rnti(无线网络临时标识)、系统带宽、系统负载等信息。

3)地基局部边缘节点向天基全局边缘节点上报信息，上报信息包括地基局部边缘节点的存储和计算能力、资源占用情况、用户行为和业务特征；

4)天基全局边缘节点根据多个地基局部边缘节点上报信息，综合判断资源分配策略并形成判决结果；

5)天基全局边缘节点将判决结果回传至地基局部边缘节点；

6)地基局部边缘节点通知用户终端判决结果并触发计算业务卸载流程；

7)用户终端将自身计算业务与其他用户终端的计算业务的公共部分内容，上传至天基全局边缘节点处理；

8)用户终端将计算业务中的个性化业务内容上传至地基局部边缘节点处理；9)天基全局边缘节点将用户终端的用户计算业务的公共部分发送至用户终端；10)地基局部边缘节点将用户终端的计算业务中的个性化业务计算结果发送至用户终端。

如图4所示，采用本发明所提出的基于mec服务器的星地两级边缘网络协作方法分别与没有mec服务器、仅地面具有边缘服务器两种情况进行对比。由此可见，采用本发明所提出的方法，可分别较上述两种情况降低网络时延达25％和33％。