近年来，低地球轨道 (LEO) 卫星星座的扩张使卫星通信再次成为热门话题。从为偏远地区提供互联网接入，到实现跨洋近乎即时的数据传输，这些网络在未来几年将发挥更大的作用。

然而，随着SpaceX的Starlink等卫星星座发展到数万颗，它们正在超越其最初作为被动中继的角色。越来越多的卫星配备了机载计算硬件，能够直接在轨道上处理和分析数据。

这释放了诸多变革性能力，例如实时环境监测、物体追踪和智能农业。但也带来了一个重大挑战：如何在庞大且不断变化的网络中高效地调度和管理计算和通信资源。传统方法通常设计用于小型系统或延迟容忍任务，难以满足当今对动态性和即时性的需求。

新加坡科技设计大学(SUTD)助理教授熊泽辉博士解释说：“低地球轨道卫星网络高速移动，连接状态不断变化。调度策略不仅要实时应对这些变化，还要平衡计算和通信资源。这是一个比传统卫星管理复杂得多的问题。”

在发表于《IEEE 车辆技术学报》的研究论文《在大规模低地球轨道卫星网络中实现实时计算和传输服务》中，熊助理教授及其团队开发了两种基于图的算法，显著提高了在太空中提供实时计算服务的能力。这两种方法基于一个能够捕捉卫星网络不断变化的特性的时间图模型，为任务调度提供了互补的方法。

第一种方法称为基于k最短路径(KSP)的方法，该方法优先考虑通信。它快速搜索满足数据传输需求的无环路路径，然后验证这些路径上是否有足够的计算资源。第二种方法称为计算感知最短路径(CASP)，它采用了不同的方法。它首先识别具有所需计算资源的卫星，然后找到往返这些卫星的最高效通信路径——甚至在需要时允许使用非简单路径。

“这两种方法都注重实用性，并能适应实际的卫星星座，”熊助理教授补充道。“当计算资源充足但通信链路紧张时，KSP 往往表现更佳。而当星载计算资源匮乏时，CASP 则更适用。卫星运营商可以根据自身网络状况自由选择这两种方法。”

基于全球最大的运行卫星系统星链网络(Starlink)进行的大量模拟表明，即使在高度动态和资源受限的环境中，这些算法也能支持实时应用。通过优化卫星共享和分配资源的方式，该团队的方法有助于减少端到端延迟，提高网络弹性，并最大限度地提高网络能够处理的实时任务数量。

令人兴奋的是，该团队的研究可以使一系列关键应用更容易获得，无论是更快的灾害监测还是实时全球物流跟踪。

“许多新兴服务，例如遥感或智慧农业，都需要卫星收集数据、处理数据并在几秒钟内提供可操作的信息，”熊助理教授说道。“这些服务的要求相当高，但我们的方法可以帮助将愿景变为现实，从而惠及世界各地的行业、政府和社区。”

展望未来，该团队正致力于扩展其算法，以支持协作式多卫星计算，并探索利用机器学习进一步提升资源管理。他们也期待为未来6G网络的卫星通信新兴标准做出贡献。

随着世界各地的社区都在努力实现更好的连通性，卫星网络对于弥合数字鸿沟至关重要。

“地球表面超过70%的地区仍然缺乏可靠的地面网络覆盖，”熊助理教授补充道。“如果管理得当，卫星网络可以填补这一空白，实现任何人在任何时间、任何地点的通信。我们的目标是帮助开发能够实现这一全球愿景的技术。”

更多信息： Binquan Guo 等，《在大规模低地球轨道卫星网络中实现实时计算和传输服务》，IEEE 车辆技术学报(2025)。