本發(fā)明涉及邊緣計算，特別是涉及一種面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，邊緣計算技術(shù)已經(jīng)成為地面5g/6g移動通信網(wǎng)絡(luò)研究的熱點，開放的邊緣計算架構(gòu)和軟硬件開發(fā)平臺發(fā)展較為成熟，“邊緣計算+云服務(wù)中心”的云邊協(xié)同模式已被應(yīng)用到智能駕駛、智慧工廠、智慧城市等智能化數(shù)字化信息系統(tǒng)中。為了提高天基系統(tǒng)的計算和通信能力，越來越多的研究人員考慮將邊緣計算直接應(yīng)用于低軌衛(wèi)星上，通過多星組網(wǎng)實現(xiàn)分布式衛(wèi)星集群算力聚合，構(gòu)建天基算力網(wǎng)絡(luò)即天基邊緣微云，與地面云計算中心協(xié)同完成天基信息在軌實時處理與高效分發(fā)，為陸海空各類用戶終端提供更快速和更高質(zhì)量的服務(wù)。

2、不同于地面邊緣微云，基于低軌衛(wèi)星的天基邊緣微云具有大時空尺度、高動態(tài)性以及資源受限等特點。高速移動的低軌衛(wèi)星不僅會導(dǎo)致邊緣微云內(nèi)部節(jié)點連接關(guān)系時變，還會導(dǎo)致邊緣微云與地面云計算中心、用戶終端節(jié)點的連接都處于動態(tài)變化中，邊緣微云內(nèi)部節(jié)點需要進行頻繁動態(tài)更新，服務(wù)連續(xù)性保障是天基邊緣微云構(gòu)建必須考慮的問題。此外，衛(wèi)星邊節(jié)點體積較小，計算、存儲、能耗等資源受限，邊節(jié)點之間、云邊之間必須進行協(xié)作才能提高任務(wù)完成效率與資源利用效率。

3、針對上述問題，一些研究工作重點關(guān)注天基邊緣微云體系架構(gòu)設(shè)計、服務(wù)高效遷移與協(xié)同智能計算方案研究，并利用數(shù)字仿真軟件驗證天基邊緣微云系統(tǒng)性能。然而，數(shù)字仿真軟件所采用的虛擬數(shù)字模型并不能完全模擬真實物理模型，只能提供近似結(jié)果，其可信度難以驗證。另一方面，少數(shù)研究工作通過研制衛(wèi)星邊緣計算原理樣機，并搭建地面試驗系統(tǒng)完成天基邊緣微云系統(tǒng)性能測試驗證。該試驗驗證系統(tǒng)可以獲得更加真實可靠的實驗數(shù)據(jù)，但是建設(shè)代價高、周期長、風(fēng)險大，并且針對大規(guī)模低軌衛(wèi)星星群邊緣微云開展全實物試驗也是不現(xiàn)實的。半實物仿真方法能夠綜合數(shù)字仿真和實物試驗的優(yōu)勢，通過在數(shù)字仿真的基礎(chǔ)上將一部分功能或模塊用實物代替的方式，實現(xiàn)數(shù)字模型與物理模型的聯(lián)動仿真，以較低的成本實現(xiàn)真實準確的大規(guī)模低軌衛(wèi)星星群邊緣微云系統(tǒng)性能仿真驗證。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真系統(tǒng)及方法，能夠提高大規(guī)模低軌衛(wèi)星星群邊緣微云系統(tǒng)性能仿真驗證的準確性，節(jié)約仿真成本。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括衛(wèi)星邊緣計算原理樣機、衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機和衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺；其中，

3、所述衛(wèi)星邊緣計算原理樣機硬件包括計算模塊、存儲模塊、互聯(lián)模塊和電源模塊。其中，計算模塊采用“計算核心板”+“計算加速板”的主從式可擴展方案。“計算核心板”負責(zé)運行星群邊緣微云核心功能和“計算加速板”的資源調(diào)度，選用支持容器化微服務(wù)生態(tài)的國產(chǎn)化arm+gpu架構(gòu)芯片，算力可達10tops，確保原理樣機運行安全可靠、自主可控；“計算加速板”選用國產(chǎn)同型號工業(yè)級arm+gpu架構(gòu)芯片，板級算力可達10tops，可以根據(jù)星上ai處理算力需求，以即插即用板插式按需擴展至50tops及以上，以滿足后續(xù)系統(tǒng)擴展及升級需求。原理樣機軟件采用云原生技術(shù)架構(gòu)，包括邊緣微云基礎(chǔ)設(shè)施層、邊緣微云平臺服務(wù)層和邊緣微云軟件服務(wù)層，適配輕量化機器學(xué)習(xí)框架，具備應(yīng)用程序、算法模型等容器級、微服務(wù)級在軌實時部署能力。原理樣機為天基邊緣微云提供硬件平臺和軟件驅(qū)動支撐；

4、所述衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機是原理樣機的數(shù)字孿生系統(tǒng)，包括基礎(chǔ)設(shè)施資源層、控制管理仿真層和軟件運行層。其中，基礎(chǔ)設(shè)施資源層通過使用kvm虛擬機技術(shù)實現(xiàn)cpu、gpu、內(nèi)存等基礎(chǔ)資源配置功能；控制管理仿真層使用quagga工具配置數(shù)字樣機的路由協(xié)議，使用traffic?control工具配置模擬數(shù)字樣機網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時延和丟包率；軟件運行層通過使用docker容器技術(shù)部署并運行衛(wèi)星邊緣計算應(yīng)用軟件。數(shù)字樣機本質(zhì)上是所述衛(wèi)星邊緣計算原理樣機的數(shù)字化虛擬模型，為天基邊緣微云應(yīng)用軟件提供運行環(huán)境支撐；

5、所述衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺包括硬件部分和軟件部分，硬件部分包括仿真服務(wù)器、顯控組件和虛實互聯(lián)接口組件；軟件部分由衛(wèi)星星群運行環(huán)境仿真單元、衛(wèi)星組網(wǎng)仿真單元、邊緣微云仿真支撐單元以及應(yīng)用場景仿真控制單元；其中，邊緣微云仿真支撐單元采用docker容器技術(shù)和kubernetes容器管理工具，實現(xiàn)低軌星群邊緣微云建立、邊緣微云服務(wù)遷移、邊緣微云協(xié)同計算等功能。所述衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺采用分布式仿真方式，將整體仿真任務(wù)按照組成功能特征分為多個模塊，單個模塊獨立進行局部功能仿真，通過底層支撐模塊來進行跨模塊的信息交互，由此完成整體仿真任務(wù)。

6、進一步，衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機運行在衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺的仿真服務(wù)器中，衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺為衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機的運行提供物理資源和基礎(chǔ)運行環(huán)境，為衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機提供邏輯軟總線接口。

7、進一步，所述衛(wèi)星邊緣計算原理樣機與衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺通過虛實互聯(lián)接口組件聯(lián)接，實現(xiàn)衛(wèi)星邊緣計算原理樣機與衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機的信息交互。

8、另一方面，本發(fā)明提供一種面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真方法，所述仿真方法包括以下步驟：

9、s1、任務(wù)場景建模：通過任務(wù)需求分析，開展星群構(gòu)型設(shè)計和星群模型構(gòu)建，對照任務(wù)場景創(chuàng)建實時或離線驅(qū)動的三維仿真場景模型；

10、s2、仿真環(huán)境配置：根據(jù)任務(wù)場景配置參數(shù)，創(chuàng)建衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機，開展數(shù)字樣機基礎(chǔ)資源配置，仿真模擬衛(wèi)星星地與星間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；

11、s3、邊緣微云構(gòu)建：根據(jù)任務(wù)需求信息，主衛(wèi)星節(jié)點（依據(jù)其5跳范圍內(nèi)鄰近衛(wèi)星節(jié)點可利用的計算資源和存儲資源，選取可以完成任務(wù)需求的最小數(shù)量衛(wèi)星節(jié)點集合構(gòu)建天基邊緣微云，實現(xiàn)邊緣微云內(nèi)計算、存儲、通信等資源共享與靈活調(diào)度，并為各類任務(wù)應(yīng)用軟件提供運行與維護支撐；

12、s4、系統(tǒng)能力驗證：根據(jù)任務(wù)需求信息，將任務(wù)鏡像部署在天基邊緣微云各節(jié)點中，調(diào)度邊緣微云資源并運行任務(wù)應(yīng)用軟件，待任務(wù)執(zhí)行完后展開任務(wù)效能評估。

13、進一步，步驟s1由衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺完成，包括：

14、s1.1星群構(gòu)型設(shè)計：星群構(gòu)型參數(shù)包括衛(wèi)星軌道高度、軌道傾角、衛(wèi)星總數(shù)、軌道面數(shù)和相位因子；

15、s1.2星群模型構(gòu)建：衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺基于星群構(gòu)型參數(shù)，開展衛(wèi)星軌道動力學(xué)模擬與可視化仿真，分析獲得所有衛(wèi)星節(jié)點的位置和姿態(tài)信息；

16、s1.3仿真場景構(gòu)建：指仿真平臺對任務(wù)場景中的其他要素進行建模，對其運動學(xué)參數(shù)或自身特性參數(shù)進行配置。

17、進一步，步驟s2由衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機和半實物仿真平臺完成；包括：

18、s2.1數(shù)字樣機創(chuàng)建：衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺針對每一個衛(wèi)星節(jié)點，都使用一個虛擬機來實現(xiàn)衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機構(gòu)建，每一個數(shù)字樣機都會分配獨立的ip地址；

19、s2.2基礎(chǔ)資源配置：每一個數(shù)字樣機的計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源都可配置，其中計算資源包括cpu和gpu的個數(shù)以及性能參數(shù)，存儲資源包括存儲空間大小參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)資源包括星地和星間鏈路通信帶寬參數(shù)；

20、s2.3網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬：仿真平臺依據(jù)星地和星間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置信息以及信道模型參數(shù)，仿真模擬衛(wèi)星星地與星間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響，分析獲得衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸情況；信道模型參數(shù)包括自由空間路徑損耗指數(shù)、大尺度和小尺度衰落參數(shù)、雨衰和大氣損耗參數(shù)。

21、進一步，步驟s3由衛(wèi)星邊緣計算原理樣機和半實物仿真平臺完成；包括：

22、s3.1微云節(jié)點選擇：衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺針對任務(wù)執(zhí)行所需要的算力資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源，依據(jù)衛(wèi)星節(jié)點的位置信息和資源使用情況、衛(wèi)星星群網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系，按需選擇部分衛(wèi)星節(jié)點組建天基邊緣微云系統(tǒng)；

23、s3.2原理樣機啟動：衛(wèi)星邊緣計算原理樣機上電并完成云原生軟件運行環(huán)境初始化，正常運行云原生應(yīng)用部署和管理工具；

24、s3.3樣機虛實映射：衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺利用虛實互聯(lián)接口組件將衛(wèi)星邊緣計算原理樣機與天基邊緣微云中部分衛(wèi)星節(jié)點的數(shù)字樣機進行連接，通過數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)衛(wèi)星實物節(jié)點和衛(wèi)星虛擬節(jié)點的時間和空間的虛實映射。

25、進一步，步驟s4由衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺、數(shù)字樣機和原理樣機共同完成，包括：

26、s4.1任務(wù)鏡像部署：衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺將任務(wù)應(yīng)用軟件以docker容器的形式進行封裝，而后打包成鏡像通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上傳到天基邊緣微云所有衛(wèi)星節(jié)點，天基邊緣微云完成鏡像加載并啟動任務(wù)應(yīng)用軟件；

27、s4.2任務(wù)執(zhí)行調(diào)度：天基邊緣微云系統(tǒng)依據(jù)任務(wù)數(shù)據(jù)按需進行任務(wù)編排和資源調(diào)度，多星高效利用自身計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源，協(xié)同完成任務(wù)要求，返回任務(wù)執(zhí)行結(jié)果；

28、s4.3任務(wù)效能評估：衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺對任務(wù)效能進行綜合分析與評估，并在仿真平臺前端顯示任務(wù)效能評估結(jié)果。

29、進一步，步驟s3.2中，所述云原生應(yīng)用部署和管理工具包括docker容器與kubernetes。

30、進一步，步驟s4.3中，評估指標為任務(wù)執(zhí)行結(jié)果、任務(wù)執(zhí)行時間和任務(wù)執(zhí)行消耗資源。

31、有益效果：本發(fā)明提出的關(guān)于衛(wèi)星邊緣計算的半實物仿真系統(tǒng)及方法，側(cè)重于利用半實物仿真技術(shù)驗證衛(wèi)星邊緣計算功能，現(xiàn)有技術(shù)中已知的半實物仿真技術(shù)大多只能驗證衛(wèi)星通信、遙感和姿軌控功能，目前并沒有針對衛(wèi)星邊緣計算功能展開半實物仿真驗證的技術(shù)。為了驗證衛(wèi)星邊緣計算功能，本發(fā)明中的原理樣機需要安裝高性能計算模塊，采用云原生技術(shù)架構(gòu)，適配輕量化機器學(xué)習(xí)框架，具備應(yīng)用程序、算法模型等容器級、微服務(wù)級在軌實時部署能力，為天基邊緣微云提供硬件平臺和軟件驅(qū)動支撐；數(shù)字樣機需要包括基礎(chǔ)設(shè)施資源層、控制管理仿真層和軟件運行層，為天基邊緣微云應(yīng)用軟件提供運行環(huán)境支撐；半實物仿真平臺新增邊緣微云仿真支撐單元，采用docker容器技術(shù)和kubernetes容器管理工具，實現(xiàn)低軌星群邊緣微云建立、邊緣微云服務(wù)遷移、邊緣微云協(xié)同計算等功能。