基于温度和能量感知的动态任务调度与计算资源分配技术在卫星计算中的应用

《IEEE Journal on Miniaturization for Air and Space Systems》：Temperature- and Energy-Aware Dynamic Task Scheduling and Computing Resource Allocation for Satellite Computing

卫星计算作为新兴边缘计算范式，面临资源受限、电池不可充电、散热差及动态环境等挑战，导致服务质量不稳定。本文提出温度与能耗感知的动态任务调度算法，通过内点法将Stackelberg博弈转化为凸优化问题，降低计算复杂度，仿真显示任务调度延迟减少28.4%，收益提升13%。

　　

摘要：

卫星计算作为一种新兴的边缘计算范式，将计算和网络服务扩展到了太空。由于近地轨道（LEO）卫星的内部设计限制以及外部环境带来的挑战，卫星计算面临着诸多固有的局限性，包括资源严重受限、电池不可充电、散热性能差以及运行条件高度动态，从而导致服务质量不可靠且不可持续。为了解决上述问题并充分发挥卫星计算的潜力，本文研究了基于温度和能源意识的动态任务调度与计算资源分配机制，旨在优化服务延迟、降低卫星上的能源消耗并提升运营效率。解决这一问题需要协调任务调度与资源分配，平衡通信延迟与计算延迟，并应对庞大的搜索空间所带来的挑战。为此，我们首先通过建立温度和能源模型将这一问题表述为一个重复的斯塔克伯格博弈（Stackelberg game）。理论分析表明，该博弈对应一个具有指数复杂性的凸优化问题。为了加快寻找斯塔克伯格均衡解的速度，我们提出了一种基于内点法的动态任务调度算法，将该算法的计算复杂度降低到了多项式级别。仿真测试表明，所提出的算法平均可将任务调度延迟降低28.4%，同时提升系统效用13%。

引言

航空航天产业的繁荣以及近地轨道（LEO）大规模星座系统的部署为新型边缘计算范式——卫星计算的出现创造了有利条件[1]。超过1000颗地球观测卫星需要频繁向地面站传输图像和遥感数据。高延迟、高抖动和低带宽的下行链路远无法满足卫星的数据传输需求，这进一步凸显了卫星计算的必要性[2]。在卫星计算范式中，内容分发、多方交互、网页浏览和跨洲视频会议等应用服务提供商可以发挥重要作用[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。同时，SpaceX、OneWeb和Kuiper等卫星运营商运营的大型星座系统将提供必要的基础设施来支持这些服务。将商用现成（COTS）计算硬件集成到卫星中，推动了卫星计算载荷向多架构设计、更高性能和更大容量的发展，尤其是在计算资源快速扩张的时代[8]、[9]。在此背景下，“太空基础设施即服务”（space infrastructure as a service）正逐渐成为现实[10]、[11]、[12]。