天基算力网络：星载智能计算的基础与关键技术。 清华大学姜春晓教授团队联合上海科技大学石远明等研究人员在中国工程院院刊Engineering发表题为Space Computing Power Networks: Fundamentals and Techniques（天基算力网络：基础与技术）的观点与评论（Views Comments）文章。
本文针对海量空间信息处理面临的传输瓶颈与计算资源限制，提出了一种天基算力网络（Space-CPN）架构。该架构通过整合低轨（LEO）、中轨（MEO）和高轨（GEO）卫星的通信与计算能力，为实现安全、快速、准确的星载智能数据处理提供了系统性框架。文章系统探讨了支撑该架构的三大关键技术：面向任务的通信、类脑计算以及鲁棒资源分配，为未来空间网络的发展提供了工程参考。
天基算力网络的崛起与挑战
随着遥感等空间业务的快速发展，卫星获取的数据量激增，传统的先后处理模式面临着卫星过境时间短、传输带宽受限等严峻挑战。为此，Space-CPN架构应运而生，它扩展了传统算力网络的概念，将GEO/MEO/LEO卫星作为应对突发事件的空间计算中心，而地面站则作为处理高算力需求的地面计算中心（如图1所示）。
然而，实现Space-CPN面临三大核心挑战：首先，传统的面向数据的通信原则以香农定理为基础，已难以满足特定计算任务（如海量遥感图像处理）的通信需求，通信模式需要向面向任务的通信转变。其次，传统的冯·诺依曼架构存在存算分离的瓶颈，导致能耗巨大，迫切需要引入低功耗的类脑（Neuromorphic）计算架构。最后，空间网络具有高度动态的拓扑结构和业务需求的不确定性，这为计算任务的调度和通信、计算、存储资源的分配带来了极大困难。
图1.Space-CPN架构示意图
面向任务的通信：特征压缩与空中计算
为了在Space-CPN中无缝集成通信与计算，研究提出采用面向任务的通信方案。在信息压缩方面，针对卫星图像中常见的云层遮挡等噪声干扰，研究团队提出了鲁棒信息瓶颈（RIB）和基于Fisher信息的F-RIB方法（如图2所示）。该方法旨在最大化推理结果与标签之间的互信息，同时通过最小化特征对云层噪声的敏感度，在不增加通信开销的前提下提升了特征传输的鲁棒性与下游推理的准确性。
在信息传输方面，针对星载联邦学习中模型聚合带来的延迟问题，研究探讨了编码空中计算（AirComp）技术。该技术利用无线信道的波形叠加特性，允许各卫星同时发送信号，在空中直接实现加法运算。结合基于格量化（lattice quantization）的数字调制方案，系统能够在不依赖完美信道状态信息的情况下，有效抵抗噪声干扰并大幅降低聚合延迟。
图2.卫星推理任务中采用的F-RIB方法
类脑计算：高能效的星载处理架构
针对星载计算的功耗限制，脉冲神经网络（SNNs）因其稀疏性、离散性和事件驱动特性，成为一种极具潜力的高能效计算模型。为了在Space-CPN中训练SNN，研究提出了卫星联邦类脑学习网络架构（如图3所示）。该架构利用同一轨道内卫星形成的稳定环形拓扑，采用Ring-AllReduce算法实现高效的轨内模型聚合；并设计了联邦异构混合平均算法，以纠正由数据和硬件异构性引起的收敛偏差。
图3.Space-CPN中的卫星类脑计算与学习网络架构
此外，为了减少对星地链路的频繁依赖，作者进一步提出了一种完全在轨的去中心化类脑计算架构。针对跨轨道平面通信拓扑不稳定的问题，该架构引入了中继求和（relay sum）策略（如图4所示），在保证较低通信开销的同时，有效加速了模型更新的跨区域扩散与全局收敛。
图4.用于去中心化卫星类脑学习的跨面聚合方法
鲁棒资源分配：应对动态与不确定性
面对空间网络动态拓扑和突发任务的不确定性，作者提出了微服务驱动的星载处理架构（如图5所示），将复杂的推理过程拆分为低耦合的微服务模块并分布式部署。针对突发任务（如火灾监测）请求的不确定性，研究将部署问题转化为部分可观测马尔可夫决策过程（POMDP），并引入扰动智能体进行对抗性训练，从而通过鲁棒强化学习获得能够在极端场景下有效运作的微服务部署策略。
图5.Space-CPN中基于微服务的星载处理架构
同时，为了优化遥感图像处理的资源调度并最小化平均处理延迟，作者将卫星任务调度建模为多对多背包匹配问题。面对数据量的随机波动，该方案采用分布式鲁棒优化（Distributionally robust optimization）方法，结合核密度估计与Wasserstein距离构建模糊集，在避免过度保守的同时，实现了动态环境下计算资源与通信带宽的高效调度。
结果与讨论
Space-CPN为实现全球无缝连接和支持多样化的星载计算任务提供了一种具有前景的系统架构。该研究表明，通过在通信策略上转向面向任务的特征压缩与传输、在计算架构上引入高能效的类脑模型，以及在资源分配上采用应对不确定性的鲁棒优化方法，可以有效解决动态空间网络中的资源调度和计算瓶颈。随着这些关键技术的不断成熟，Space-CPN将为未来空间网络中各类先进的星载计算服务提供坚实的基础。（来源：EngineeringJournals微信公众号）
相关论文信息：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809925003248 特别声明：本文转载仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性；如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用，须保留本网站注明的“来源”，并自负版权等法律责任；作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜，请与我们接洽。
作者：姜春晓等 来源：《工程》
