軟件定義的星地融合智能無線網(wǎng)絡(luò)

袁碩，任奕璟，王則予，孫耀華，彭木根

（北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室，北京 100876）

1 引言

隨著5G大規(guī)模部署工作的進(jìn)行，致力于實現(xiàn)全場景、全應(yīng)用的全球無縫智慧連接、深度連接和泛在連接通信愿景的6G研究也在不斷展開[1-2]。然而，依賴于基站和光纖等基礎(chǔ)設(shè)施的地面移動通信系統(tǒng)，受制于部署環(huán)境和經(jīng)濟(jì)成本，目前僅覆蓋了約6%的地表面積，難以滿足天空地海廣域立體通信需求；并且，對于地震和海嘯等自然災(zāi)害容忍度較低，回傳網(wǎng)絡(luò)易被摧毀而造成通信系統(tǒng)癱瘓；此外，無法有效支撐處于高速運動狀態(tài)終端不間斷的服務(wù)請求[3]。

針對這些問題，業(yè)界普遍認(rèn)為具有廣闊的覆蓋范圍、強健的抗毀能力和穩(wěn)定持續(xù)的交付性能的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)可作為地面移動通信網(wǎng)絡(luò)的有力補充，通過深度整合構(gòu)建的星地融合網(wǎng)絡(luò)，可以在人口密集區(qū)域發(fā)揮高密度基站的優(yōu)勢，實現(xiàn)大容量海量接入；在人口稀疏區(qū)域發(fā)揮衛(wèi)星廣域覆蓋的優(yōu)勢，實現(xiàn)全地域全時隨選接入。參考文獻(xiàn)[4]探討了現(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在星地融合網(wǎng)絡(luò)中的可用性，并深入討論了星地融合網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)集成、協(xié)議優(yōu)化、資源管理和分配等問題。參考文獻(xiàn)[5]針對未來應(yīng)用極大容量的需求和星地鏈路較長的傳播時延等問題，總結(jié)了星地融合網(wǎng)絡(luò)在保障服務(wù)質(zhì)量方面所涉及的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)功能。參考文獻(xiàn)[6]介紹和分析了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和地面移動通信網(wǎng)絡(luò)的差異，提出了多個星地網(wǎng)絡(luò)協(xié)作模型，并進(jìn)一步研究了各模型所涉及的關(guān)鍵技術(shù)。參考文獻(xiàn)[7]回顧了星地融合網(wǎng)絡(luò)代表性架構(gòu)，并按照傳輸、控制和管理、資源分配和安全對有關(guān)研究進(jìn)行了梳理總結(jié)。

盡管針對星地融合網(wǎng)絡(luò)的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但是如何解決星地融合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活性差、差異化業(yè)務(wù)適配性低、網(wǎng)絡(luò)智能化不足和資源利用率低等問題，實現(xiàn)敏捷柔性可重構(gòu)組網(wǎng)，提供面向業(yè)務(wù)需求的資源配置和服務(wù)保障仍面臨重大挑戰(zhàn)。通過利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined network，SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（network function virtualization，NFV）技術(shù)，將有效處理衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和地面移動通信網(wǎng)絡(luò)從設(shè)備和協(xié)議的異質(zhì)性到網(wǎng)絡(luò)功能和架構(gòu)的異構(gòu)性[8-9]；引入人工智能（artificial intelligence，AI）技術(shù)，能夠完成細(xì)粒度網(wǎng)絡(luò)資源的智能協(xié)同管理和調(diào)度[10-11]，進(jìn)而實現(xiàn)星地融合網(wǎng)絡(luò)按需智能化組網(wǎng)，顯著降低融合網(wǎng)絡(luò)的運維復(fù)雜度和成本。

2 LEO衛(wèi)星通信與星地融合

根據(jù)軌道高度，衛(wèi)星可以分為地球靜止軌道（geostationary earth orbit，GEO）衛(wèi)星、中地球軌道（middle earth orbit，MEO）衛(wèi)星和低地球軌道（low earth orbit，LEO）衛(wèi)星，各軌道衛(wèi)星特點見表1。其中，LEO衛(wèi)星由于距離地表較近，相對于GEO和MEO衛(wèi)星有較低的發(fā)射成本、較短的傳輸時延和較高的數(shù)據(jù)傳輸率，并且對地面終端有較低的信號功率容忍度，有助于地面終端的小型化。另一方面，相關(guān)技術(shù)的快速迭代也不斷強化新型低軌星座的優(yōu)勢。首先，集成電路技術(shù)的進(jìn)步使衛(wèi)星模塊化和小型化變成現(xiàn)實，衛(wèi)星規(guī)?；⑴炕a(chǎn)成為可能，大幅降低了衛(wèi)星研制和生產(chǎn)成本，同時顯著提升了星上處理能力，為潛在的星上計算和優(yōu)化提供算力支撐；其次，包括一箭多星和火箭回收等火箭發(fā)射技術(shù)的突破極大地降低了衛(wèi)星的發(fā)射成本；另外，基于毫米波、太赫茲、可見光通信技術(shù)的星際鏈路通信技術(shù)的發(fā)展，將大幅減少衛(wèi)星通信對星地鏈路的需求和對地面信關(guān)站的依賴[3]。

表1 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面移動通信網(wǎng)絡(luò)的特征、優(yōu)勢和局限

目前，世界各國紛紛開啟新型低軌衛(wèi)星星座的規(guī)劃和部署。其中，OneWeb星座計劃在海拔 1 200 km的12個低軌道面部署882顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星配備16個用戶波束以確保用戶在仰角大于55°時至少有一顆OneWeb衛(wèi)星覆蓋；Starlink星座計劃在海拔540～570 km和1 150～1 325 km的低軌空間部署約30 000顆衛(wèi)星以實現(xiàn)高通量的數(shù)據(jù)傳輸；兩個星座均采用Ku頻段作為用戶鏈路，Ka頻段作為饋電鏈路。另外，相比于未配置星間鏈路的OneWeb星座對地面信關(guān)站的強依賴，規(guī)劃了星間鏈路的Starlink在未來星際組網(wǎng)具有更大的靈活性。有公開數(shù)據(jù)顯示，目前OneWeb和Starlink分別能夠提供單星峰值容量9.97 Gbit/s和21.36 Gbit/s，往返時延50 ms和20 ms左右的數(shù)字通信服務(wù)。

2.1 星地融合組網(wǎng)

盡管LEO衛(wèi)星通信正在蓬勃發(fā)展，但除了廣域無縫持續(xù)覆蓋的優(yōu)勢外，其在人均建設(shè)和運維成本、終端成本和通信速率等方面相比地面移動通信總體處于劣勢。因此，相對于取代地面移動通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展定位，LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)更應(yīng)該“兼容5G、融合6G”[3]。目前，新型LEO衛(wèi)星星座已經(jīng)初步具備與地面網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的能力。第一代OneWeb星座星地融合組網(wǎng)方案如圖1所示，通過地面特定用戶終端/接入節(jié)點將地面移動通信網(wǎng)絡(luò)的流量經(jīng)由LEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到地面信關(guān)站，并交付給地面移動通信系統(tǒng)的基站和核心網(wǎng)處理。其中，衛(wèi)星只負(fù)責(zé)射頻信號的轉(zhuǎn)發(fā)接口，所有空中接口的處理交由地面移動通信系統(tǒng)完成。采用彎管操作的星地融合組網(wǎng)，可以直接使用現(xiàn)有地面移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)完成透明傳輸，但是缺乏星載邊緣計算的支撐將極大地降低星上無線資源實時智能分配與優(yōu)化和邊緣服務(wù)快速響應(yīng)的能力。此外，所有流量都需經(jīng)由用戶鏈路和饋電鏈路轉(zhuǎn)發(fā)，將帶來不可忽略的傳輸時延，同時占用過多的星地鏈路頻譜資源。

圖1 OneWeb星座星地融合組網(wǎng)方案[12]

3GPP從R14開始衛(wèi)星與5G系統(tǒng)的融合研究，并于2016年在TS22.261討論引入衛(wèi)星接入技術(shù)作為5G的接入技術(shù)之一。在TR38.811中介紹了非地面網(wǎng)絡(luò)的作用和關(guān)鍵組成，并根據(jù)彎管與再生兩種星上載荷方案和是否需要衛(wèi)星終端作為中繼提出了4種候選網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在TR22.822中提出非地面網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的持續(xù)性、泛在性和可擴(kuò)展性交付3種用例類別。此外，ITU提出了中繼到站、小區(qū)回傳、動中通、混合多播4種5G星地融合應(yīng)用場景，并提出包括智能路由支持、動態(tài)緩存管理及自適應(yīng)流支持、一致性服務(wù)質(zhì)量和多播支持等多個各場景必須考慮的關(guān)鍵因素。另外，歐盟支持的Sat5G項目確定了衛(wèi)星通信融入5G系統(tǒng)的六大研究支柱，包括跨衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)部署5G SDN和NFV、融合網(wǎng)絡(luò)管理和編排、多鏈路和異構(gòu)傳輸、衛(wèi)星通信與5G控制面與用戶面的協(xié)調(diào)、5G安全在衛(wèi)星中的擴(kuò)展和用于緩存和虛擬網(wǎng)絡(luò)功能部署的緩存和多播技術(shù)。

2.2 問題與挑戰(zhàn)

通過深度整合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)以構(gòu)建星地融合網(wǎng)絡(luò)，能夠響應(yīng)未來面向萬物智聯(lián)與全球立體廣域覆蓋的通信需求，實現(xiàn)6G面向全場景、全業(yè)務(wù)的服務(wù)交付愿景。然而，星地融合組網(wǎng)仍然面臨以下諸多挑戰(zhàn)。

·衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)配置固定及難以更新，星上載荷支撐的服務(wù)和應(yīng)用類型有限。通信技術(shù)和應(yīng)用服務(wù)的快速發(fā)展使早先發(fā)射的衛(wèi)星逐漸難以滿足用戶的通信需求。此外，傳統(tǒng)衛(wèi)星管控策略與星載硬件的深度耦合和異種設(shè)備間的差異化配置方案都增加了網(wǎng)絡(luò)管控的復(fù)雜度，降低了網(wǎng)絡(luò)功能部署和更新的靈活性。

·不同衛(wèi)星星座間資源和信息隔離。盡管目前啟動的LEO衛(wèi)星星座計劃眾多，但各星座采用的通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不盡相同，使得不同星座之間相互隔離，難以進(jìn)行全面硬件共享和信息交互，將極大地浪費在軌網(wǎng)絡(luò)資源。

·網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓邉討B(tài)，管控困難。除GEO衛(wèi)星外，其他不同軌道面的衛(wèi)星與衛(wèi)星、衛(wèi)星與地面信關(guān)站和衛(wèi)星與用戶終端間相對位置的高速變化給層次化和立體化的復(fù)雜動態(tài)星地融合網(wǎng)絡(luò)的管理和控制帶來極大挑戰(zhàn)。

·星地融合網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)同調(diào)度與優(yōu)化困難。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面移動通信網(wǎng)絡(luò)在組成設(shè)備、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和架構(gòu)等方面的顯著差異，以及兩者間存在的信息孤島等問題，對星地融合網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)同調(diào)度與優(yōu)化提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

作為一種新型網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，SDN通過解耦控制面和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面，打破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的垂直集成，通過構(gòu)建開放、可編程和易修改的通用接口，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的軟件化和交互便利化。另一方面，NFV技術(shù)通過將依賴專用、專有硬件的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化為可在云計算平臺或通用硬件運行的軟件，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能與硬件的解耦，破除硬件廠商的深度綁定，從而提高網(wǎng)絡(luò)部署和運維的靈活性，支撐網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的快速創(chuàng)新和迭代。通過將SDN和NFV與星地網(wǎng)絡(luò)有效融合，可有效應(yīng)對上述挑戰(zhàn)。

3 軟件定義的星地融合智能無線網(wǎng)

3.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

面向廣域立體無縫覆蓋下多樣化的應(yīng)用場景和差異化的用戶需求，基于SDN、NFV、網(wǎng)絡(luò)切片和分布式AI等技術(shù)，提出了一種軟件定義的星地融合智能無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其組成示意圖如圖2所示。該架構(gòu)使用SDN技術(shù)分離網(wǎng)絡(luò)的控制平面和數(shù)據(jù)平面，通過統(tǒng)一開放接口提升網(wǎng)絡(luò)可編程性和可重構(gòu)性以處理星地融合網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備和協(xié)議異質(zhì)性等問題，并引入具有全局網(wǎng)絡(luò)視圖的SDN控制器實現(xiàn)星地多域異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)具有業(yè)務(wù)適應(yīng)性的資源統(tǒng)一管理和跨域動態(tài)配置。

圖2 軟件定義的星地融合智能無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)組成示意圖

通過對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面移動通信的各個網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行柔性分割，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的模塊化部署，能夠完成對3GPP的彎管轉(zhuǎn)發(fā)和再生處理兩種組網(wǎng)方式的高效兼容。具體地，根據(jù)不同場景和業(yè)務(wù)對星上處理的需求，衛(wèi)星可基于NFV技術(shù)自適應(yīng)部署接入網(wǎng)用戶平面功能、接入網(wǎng)控制平面功能和部分核心網(wǎng)功能等，實現(xiàn)按需靈活的組網(wǎng)配置，保障網(wǎng)絡(luò)整體服務(wù)質(zhì)量。此外，基于NFV技術(shù)在衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)邊緣可部署多接入邊緣計算（multi-access edge computing，MEC）服務(wù)，以就近支撐計算或數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用，降低傳輸時延和星地回傳鏈路負(fù)擔(dān)。同時，基于MEC的內(nèi)容/服務(wù)緩存可極大提高內(nèi)容/服務(wù)的交付效率。

針對偏遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用場景，可直接通過LEO衛(wèi)星彎管載荷完成地面終端射頻信號的轉(zhuǎn)發(fā)，然后借助信關(guān)站傳輸?shù)降孛娼尤刖W(wǎng)用戶平面、控制平面和核心網(wǎng)進(jìn)行處理，完成精簡快速組網(wǎng)，實現(xiàn)用戶流量的透明傳輸，同時也可降低星上處理負(fù)擔(dān)。針對海洋和極地作業(yè)及終端處于高速移動狀態(tài)的高鐵、航空等應(yīng)用場景，可通過將部分核心網(wǎng)功能部署在GEO衛(wèi)星用于為其覆蓋范圍內(nèi)具有接入網(wǎng)用戶平面和控制平面功能的中低軌接入衛(wèi)星提供服務(wù)，實現(xiàn)衛(wèi)星獨立組網(wǎng)，降低星地鏈路頻繁信令交互產(chǎn)生的開銷和時延。為應(yīng)對由自然災(zāi)害、物理攻擊等損毀地面移動通信基礎(chǔ)設(shè)施造成通信中斷等問題，可通過配置接入網(wǎng)用戶平面和接入網(wǎng)控制平面的衛(wèi)星，實現(xiàn)關(guān)鍵業(yè)務(wù)上星備份，構(gòu)建穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)。此外，針對巨容量高保真通信需求，可通過配備邊緣計算功能的衛(wèi)星，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)邊緣端的信號處理和內(nèi)容分發(fā)以及衛(wèi)星端的測量與智能數(shù)據(jù)分析；針對巨連接物聯(lián)網(wǎng)通信需求，借助衛(wèi)星的廣域覆蓋和星上大規(guī)模干擾協(xié)作處理，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)終端的海量接入和數(shù)據(jù)的星上匯聚與分析，同時降低饋電鏈路的通信負(fù)載，響應(yīng)氣象水文地址監(jiān)測、野生動物保護(hù)、交通運輸和工業(yè)制造等大規(guī)模機(jī)器通信需求。

考慮LEO衛(wèi)星快速移動導(dǎo)致用戶頻繁波束切換或星間切換和用戶激增產(chǎn)生的大量控制平面數(shù)據(jù)對星地鏈路的占用等問題，提出分布式主從SDN控制方案。其中，SDN主控制器位于地面，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)分布式SDN從控制器并完成星地網(wǎng)絡(luò)全局視圖構(gòu)建，實現(xiàn)全網(wǎng)資源統(tǒng)一管理和編排、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和維持、負(fù)載均衡和路由決策等。此外，得益于較大的覆蓋范圍和相對穩(wěn)定的星地鏈路，同步軌道衛(wèi)星可搭載SDN從控制器，負(fù)責(zé)覆蓋范圍內(nèi)LEO/MEO衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)管理和控制。在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)流量和服務(wù)負(fù)載密集區(qū)域，部分LEO/MEO衛(wèi)星可搭載SDN從控制器通過星間鏈路實現(xiàn)鄰近范圍內(nèi)衛(wèi)星分組管理，以應(yīng)對由于LEO/MEO衛(wèi)星數(shù)量的逐漸增加以及用戶服務(wù)請求的差異化和復(fù)雜化造成同步軌道衛(wèi)星SDN從控制器管理負(fù)擔(dān)過大等問題。

與此同時，將AI和分布式主從SDN控制器進(jìn)行整合可構(gòu)建分布式網(wǎng)絡(luò)智能編排系統(tǒng)，通過分析海量業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和管控數(shù)據(jù)形成知識庫，并借助SDN主從控制器分別完成知識庫的線下構(gòu)建和線上更新，實現(xiàn)星地網(wǎng)絡(luò)資源的自動化、智能化的按需管理和編排。具體而言，結(jié)合SDN主從控制器收集的狀態(tài)數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警和預(yù)測性維護(hù)；針對特定應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)需求，能執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)切片智能化構(gòu)建和編排，進(jìn)而實現(xiàn)柔性可重構(gòu)星地融合無線組網(wǎng)。

3.2 分層邏輯結(jié)構(gòu)

軟件定義的星地融合智能無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示，其邏輯結(jié)構(gòu)包括3層：基礎(chǔ)設(shè)施層、控制層和應(yīng)用層。其中，基礎(chǔ)設(shè)施層由包括LEO/MEO衛(wèi)星、地面交換機(jī)、信關(guān)站和基站等在內(nèi)的星地多域網(wǎng)絡(luò)中具有通信、計算和存儲等資源的設(shè)備實體組成。通過采用NFV技術(shù)解耦網(wǎng)絡(luò)功能和網(wǎng)絡(luò)硬件，破除傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備專用硬件壁壘，將星地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備演化為承載可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)功能的基礎(chǔ)硬件設(shè)施并抽象成虛擬網(wǎng)絡(luò)資源池，從而構(gòu)建星地融合分布式網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化平臺，并根據(jù)SDN控制器指令承載虛擬網(wǎng)絡(luò)功能及構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)切片。

圖3 軟件定義的星地融合智能無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

控制層由分布式主從SDN控制器組成，負(fù)責(zé)應(yīng)對集中式控制單點故障、可擴(kuò)展性差及負(fù)載不均衡和衛(wèi)星節(jié)點載荷受限等問題，并通過開放的南向接口（southbound interface，SBI）實現(xiàn)對底層物理基礎(chǔ)設(shè)施的管理，同時向上層提供虛擬網(wǎng)絡(luò)功能。此外，部署于地面的SDN主控制器通過東西向接口（eastbound/westbound interface，EBI/WBI）與地面移動通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的SDN從控制器交互，從而獲取全局網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和服務(wù)側(cè)寫以構(gòu)建全網(wǎng)視圖，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同管理與控制，并制定和下發(fā)星地網(wǎng)絡(luò)的緩存更新策略、路由策略和虛擬網(wǎng)絡(luò)功能部署與撤銷指令等。為了有效屏蔽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面移動通信網(wǎng)絡(luò)的異質(zhì)性，可針對不同制式網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行SBI的定制化開發(fā)和部署，實現(xiàn)SDN主控制器對物理資源的跨域協(xié)同調(diào)度。另外，針對人口密度不均和業(yè)務(wù)請求的潮汐特性產(chǎn)生的潛在流量和業(yè)務(wù)負(fù)載不均衡問題，部署于SDN主從控制器的AI引擎基于大數(shù)據(jù)技術(shù)可進(jìn)行深度流量分析和管控，并實現(xiàn)路由策略預(yù)更新和網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)同預(yù)調(diào)度。其中，SDN主控制器基于集中式AI引擎實現(xiàn)全網(wǎng)粗粒度的網(wǎng)絡(luò)管控，SDN從控制器基于分布式AI引擎和主控制器下發(fā)的管控策略及區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)實現(xiàn)細(xì)粒度的網(wǎng)絡(luò)管控。

應(yīng)用層通過北向接口（northbound interface，NBI）向控制層獲取全網(wǎng)狀態(tài)和虛擬網(wǎng)絡(luò)功能接口，從而部署豐富的柔性可編程服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)管理模塊（如移動性管理、流量工程、故障恢復(fù)、安全策略和切片服務(wù)等）。具體而言，應(yīng)用發(fā)出的請求由NBI轉(zhuǎn)譯成SDN控制器規(guī)則，并經(jīng)由控制層提供的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能通過SBI轉(zhuǎn)譯為基礎(chǔ)設(shè)施操作指令以完成服務(wù)響應(yīng)。此外，應(yīng)用層基于可預(yù)測的星歷圖和全局網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，可以提供智能星地、星間或波束切換和移動性管理功能，以解決星地網(wǎng)絡(luò)動態(tài)拓?fù)鋯栴}，進(jìn)而實現(xiàn)服務(wù)交付的持續(xù)性。另一方面，基于深度包檢測和AI技術(shù)將數(shù)據(jù)流量與多樣化的服務(wù)相關(guān)聯(lián)，并劃分不同QoS或QoE類，引導(dǎo)數(shù)據(jù)流向，實現(xiàn)面向質(zhì)量/體驗的智能服務(wù)交付。同時，數(shù)據(jù)流量的智能引導(dǎo)與路由策略的智能預(yù)更新將有效地避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。

4 關(guān)鍵技術(shù)

為了充分利用衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)廣域無縫覆蓋能力和地面移動通信網(wǎng)絡(luò)密集且豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，發(fā)揮軟件定義的星地融合智能無線網(wǎng)絡(luò)的性能潛力，需要對以下關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究。

4.1 無縫切換和移動性管理

星地融合網(wǎng)絡(luò)全場景廣域無縫通信服務(wù)交付的實現(xiàn)依賴于用戶在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和地面移動通信網(wǎng)絡(luò)之間靈活的無感切換。然而，非地球同步軌道衛(wèi)星相對地面的高移動性將導(dǎo)致用戶和衛(wèi)星間用戶鏈路發(fā)生頻繁的波束切換或星間切換，增加了服務(wù)中斷風(fēng)險和網(wǎng)絡(luò)管理開銷。因此，如何有效處理星地融合網(wǎng)絡(luò)的切換和移動性管理問題，并在保障用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下設(shè)計出實現(xiàn)最小化切換次數(shù)的切換策略是星地融合網(wǎng)絡(luò)的一個重要課題。與地面移動通信網(wǎng)絡(luò)基于信號強度進(jìn)行切換決策不同，衛(wèi)星通信的波束邊緣與波束中心點的信號強度差異較小，很難確定具有普適性的切換閾值。同時，由于星地鏈路較長的傳輸時延，接收端的多樣性和潛在的高移動性，以及服務(wù)需求的差異性，都為星地融合網(wǎng)絡(luò)的移動性管理提出了更高的要求。此外，星地鏈路的強周期切換也對切換的敏捷性和可靠性帶來了挑戰(zhàn)。

針對傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下采用單一指標(biāo)進(jìn)行波束切換決策產(chǎn)生的切換失敗率高和乒乓切換等問題，參考文獻(xiàn)[13]提出多波束多決策指標(biāo)切換機(jī)制，其算法流程如圖4所示。通過綜合考慮接收信號強度、鏈路丟包率和網(wǎng)絡(luò)時延等指標(biāo)，使用接收信號強度反映當(dāng)前用戶所在波束中信道質(zhì)量，鏈路丟包率和網(wǎng)絡(luò)時延反映數(shù)據(jù)傳輸?shù)膿p耗率。具體而言，首先通過SDN控制器的全局狀態(tài)信息完成用戶場景判斷，進(jìn)而確定用于切換決策的指標(biāo)；然后完成相關(guān)性對比并構(gòu)建判定矩陣，并依據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重確定優(yōu)先度計算總體情況評估值；最后根據(jù)該值確定切換時間閾值順序，完成切換決策，從而實現(xiàn)高精度、細(xì)粒度切換。

圖4 多決策指標(biāo)切換算法流程

在針對星地融合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切換機(jī)制制定和移動性管理時，還應(yīng)當(dāng)充分考慮軌道衛(wèi)星位置的可預(yù)見性。用戶終端可以根據(jù)時間相關(guān)的星歷圖確定下一輪預(yù)接入波束或衛(wèi)星，并進(jìn)行切換準(zhǔn)備。同時，衛(wèi)星節(jié)點也能夠?qū)崿F(xiàn)面向覆蓋區(qū)域的切換預(yù)測，并為即將進(jìn)行切換的波束在下一覆蓋波束中預(yù)留信道。通過引入切換請求隊列排序方法基于信道預(yù)留的波束切換機(jī)制可以有效保證全網(wǎng)波束間和星間的平滑、同步切換。

4.2 智能路由

為實現(xiàn)低時延的端對端數(shù)據(jù)傳輸，需要設(shè)計有效的路由算法以尋找高可靠性的最短數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑。然而，星地融合網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、有限的星上處理能力和鏈路資源，使得星上路由規(guī)劃面臨重大挑戰(zhàn)。此外，不斷增長的業(yè)務(wù)種類以及不同種類的業(yè)務(wù)對服務(wù)質(zhì)量的差異化需求，對借助星間鏈路實現(xiàn)流量轉(zhuǎn)發(fā)的路由策略的制定提出了更高的要求。另一方面，全球人口具有顯著的聚集效應(yīng)，地表用戶分布極度不均勻，使得不同衛(wèi)星的業(yè)務(wù)請求量不均衡。另外，不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)和業(yè)務(wù)潮汐特點進(jìn)一步加重了這種星間負(fù)載不均衡的現(xiàn)象。因此，如何設(shè)計星地數(shù)據(jù)路由策略，實現(xiàn)面向業(yè)務(wù)類型的轉(zhuǎn)發(fā)路徑規(guī)劃，完成差異化服務(wù)質(zhì)量需求的業(yè)務(wù)交付，并解決衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中流量分布不均衡問題是星地融合網(wǎng)絡(luò)中的一項關(guān)鍵研究。

隨著軟件定義的星地融合網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)張的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和愈加復(fù)雜的業(yè)務(wù)請求，流表項目數(shù)和所需存儲空間將不斷增大，從而導(dǎo)致低效的流表項查找和匹配，顯著降低流量路由效率。在參考文獻(xiàn)[14]中，通過收集網(wǎng)絡(luò)中路由請求信息并提取用戶流量的業(yè)務(wù)類型、源地址、目的地址和路徑信息以構(gòu)造訓(xùn)練樣本集，并在地面SDN控制器使用Chebyshev神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)流量的特征和傳輸模式，而后把訓(xùn)練好的模型下發(fā)到數(shù)據(jù)面各轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點代替流表進(jìn)行智能快速路由決策。

針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特殊的運行環(huán)境而可能存在的由干擾引起的臨時鏈路故障和設(shè)備問題引起的永久端口故障等造成星間路由故障的問題，參考文獻(xiàn)[15]提出基于大數(shù)據(jù)的故障監(jiān)測和基于Q-learning的路由恢復(fù)技術(shù)。首先，通過根據(jù)網(wǎng)絡(luò)故障數(shù)據(jù)訓(xùn)練AI模型，實現(xiàn)臨時鏈路故障和永久端口的故障分類、故障鏈路和節(jié)點端口的定位。然后，將當(dāng)前節(jié)點和目的節(jié)點作為狀態(tài)，相鄰節(jié)點作為動作，由排隊時間、傳輸時間和鏈路壽命組成的指標(biāo)作為Q值構(gòu)建Q-learning模型，并針對不同類型的故障，更新相關(guān)節(jié)點的局部狀態(tài)空間和動作空間的Q值，進(jìn)而在區(qū)分故障類型情況下完成路由恢復(fù)。

4.3 多維資源智能調(diào)度

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，計算和緩存模塊將逐漸小型化、微型化，使得衛(wèi)星星載處理和緩存能力得到顯著提升。然而，隨之而來的用戶業(yè)務(wù)星上傳輸需求的日漸增長，星地網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、周期性變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约爸笖?shù)級增長的數(shù)據(jù)量讓衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)通信、計算和緩存服務(wù)交付的及時性和可靠性面臨重大挑戰(zhàn)。盡管SDN架構(gòu)能夠有效實現(xiàn)多維、多源網(wǎng)絡(luò)信息的采集、傳輸、處理與跨域共享和邏輯上集中式資源管控，但傳統(tǒng)SDN資源管理和分配算法大多只針對特定的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜吞厥鈽I(yè)務(wù)服務(wù)功能，且過于依靠算法模型的低復(fù)雜性和近似性，缺乏對資源實時狀態(tài)的自適應(yīng)。此外，多維資源緊耦合狀態(tài)且差異化的調(diào)度方式以及多性能指標(biāo)的優(yōu)化目標(biāo)都進(jìn)一步增加了多維資源聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化的難度。通過引入AI技術(shù)，使用SDN控制器獲取的全局網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息和資源分配管控方案作為模型的樣本集，迭代訓(xùn)練資源管理決策模型，完成對業(yè)務(wù)請求、資源狀態(tài)等網(wǎng)絡(luò)特性的自適配，進(jìn)而取代SDN控制器傳統(tǒng)管控策略，實現(xiàn)星地融合多維資源實時有效管理與智能分配。

針對衛(wèi)星系統(tǒng)多維資源的智能調(diào)度，參考文獻(xiàn)[16]提出如圖5所示基于AI的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管理架構(gòu)，實現(xiàn)對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源的實時智能狀態(tài)分析和調(diào)度。通過地面SDN控制器收集的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)用于Network Mind的AI模型訓(xùn)練，進(jìn)而從歷史衛(wèi)星資源網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和資源分配方案中學(xué)習(xí)在各式各樣的衛(wèi)星資源網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和業(yè)務(wù)請求下的資源管控策略。之后，將策略發(fā)送到SDN控制器用于應(yīng)對最新的用戶資源請求，進(jìn)而控制衛(wèi)星完成多維資源調(diào)度。同時，相應(yīng)的“狀態(tài)-請求-響應(yīng)”也將作為新樣本用于AI模型的訓(xùn)練，從而形成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管理閉環(huán)優(yōu)化，保證AI模型對新型網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和業(yè)務(wù)請求的適應(yīng)性，提高衛(wèi)星資源的分配效率。

圖5 基于AI的SDN + Network Mind架構(gòu)

4.4 AI使能的服務(wù)鏈部署

通過SDN/NFV技術(shù)對星地網(wǎng)絡(luò)硬件基礎(chǔ)設(shè)施的虛擬化，分離控制平面和數(shù)據(jù)平面，將有效實現(xiàn)業(yè)務(wù)交付的集中統(tǒng)一管控，同時促進(jìn)新業(yè)務(wù)的創(chuàng)新和部署。如此，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商可以針對服務(wù)功能鏈（service function chain，SFC）的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（virtualized network function，VNF）進(jìn)行柔性的調(diào)整和擴(kuò)展。目前，如何編排SFC以在星地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有限的計算資源下滿足VNF部署請求，同時在有限的物理鏈路帶寬下構(gòu)建滿足虛擬鏈路帶寬請求的業(yè)務(wù)流路徑，完成SFC的映射，并降低對資源的占用實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)效益最大化已成為熱門的研究領(lǐng)域。然而，現(xiàn)有的大多數(shù)研究成果集中在單域網(wǎng)絡(luò)的SFC映射，對星地融合網(wǎng)絡(luò)的跨域場景并不適用。此外，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和地面移動通信網(wǎng)絡(luò)擁有者和運營者等方面的差異，不可避免產(chǎn)生部分信息隔離，從而進(jìn)一步增加了跨域SFC映射的難度。

在參考文獻(xiàn)[17]中，針對域內(nèi)部分信息隔離的情況，同時考慮SFC映射對傳輸時延和資源消耗的影響，將SFC跨域映射分解成SFC分割和子鏈映射兩個關(guān)鍵問題，從而提出一種區(qū)域集中管理、全局協(xié)同調(diào)度的跨域SFC映射機(jī)制，其框架如圖6所示。基于集中式SDN控制器的編排架構(gòu)，利用全局視圖構(gòu)建多域網(wǎng)絡(luò)抽象拓?fù)洌瑥亩档陀蜷g映射復(fù)雜度。通過將SFC分割問題建模成馬爾可夫決策過程，其中每個域總共可用計算資源、現(xiàn)有的VNF與各域映射關(guān)系和待處理SFC請求資源作為狀態(tài)空間，從抽象網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇滿足條件的VNF域映射作為動作空間以及使用域間傳輸時延與映射資源成本開銷刻畫獎勵函數(shù)，并基于Q-learning進(jìn)行訓(xùn)練，進(jìn)而完成SFC的跨域映射決策，實現(xiàn)VNF的多域均衡部署。

圖6 跨域SFC映射框架

5 未來展望

5.1 面向場景的星地融合網(wǎng)絡(luò)切片

星地融合網(wǎng)絡(luò)致力于填補海洋、天空、高山和偏遠(yuǎn)地區(qū)信息鴻溝，實現(xiàn)廣域立體無縫覆蓋、提供每平方千米超百萬連接和10 Tbit/s的巨容量隨遇接入以及端對端數(shù)秒級的超低時延。具體而言，針對傳統(tǒng)衛(wèi)星應(yīng)用場景（如環(huán)境監(jiān)測、動物保護(hù)和交通運輸?shù)龋?，星地融合網(wǎng)絡(luò)將極大增加監(jiān)測終端的接入數(shù)量、延伸其部署范圍，同時借助星地邊緣計算平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時智能分析和反饋，提供更準(zhǔn)確的環(huán)境監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)警、更廣泛的生物追蹤以及更精準(zhǔn)的導(dǎo)航規(guī)劃和運輸溯源；對于移動寬帶通信應(yīng)用（如全息視頻通信、VR/AR和廣域物聯(lián)網(wǎng)等），通過構(gòu)建面向差異化場景的星地融合網(wǎng)絡(luò)切片，利用星地鏈路、星間鏈路和地基鏈路協(xié)同傳輸以及天基和地基協(xié)同計算與緩存，實現(xiàn)用戶無感的業(yè)務(wù)統(tǒng)一交付。

然而，星地融合網(wǎng)絡(luò)中不同鏈路無線信道的隨機(jī)和時變特性增加了切片隔離的難度，為統(tǒng)一的切片隔離機(jī)制設(shè)計帶來顯著挑戰(zhàn)。另外，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面移動網(wǎng)絡(luò)在空口、協(xié)議和頻譜分配等配置方面存在較多差異，如何設(shè)計資源管理機(jī)制以規(guī)避星地融合切片中接入制式的影響，提升網(wǎng)絡(luò)接入性能也是未來亟須解決的問題之一。

5.2 時延敏感星地融合網(wǎng)絡(luò)

全產(chǎn)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，使得物與物、人與物、人與人間的信息交互與操作協(xié)同趨于智能化、常態(tài)化，進(jìn)而對信息傳輸?shù)臅r延、帶寬和抖動等提出了更精細(xì)、更確定的性能要求。為了實現(xiàn)星地融合網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)確定性傳輸，可基于分布式主從SDN控制器的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)數(shù)據(jù)，使用AI技術(shù)進(jìn)行時延預(yù)測并優(yōu)化流量調(diào)度策略和路由路徑。然而，如何訓(xùn)練和部署AI智能引擎完成對業(yè)務(wù)流量和QoS優(yōu)先級的智能識別和分類，并綜合考慮網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能力和目前業(yè)務(wù)隊列狀態(tài)，實現(xiàn)細(xì)粒度的計算調(diào)度將是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。此外，在星地融合網(wǎng)絡(luò)動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蜁r變的鏈路狀態(tài)下，如何綜合考慮不同鏈路之間的負(fù)載均衡，快速制定流量路由策略是一大挑戰(zhàn)。另外，由于星地融合網(wǎng)絡(luò)中不同無線鏈路環(huán)境的顯著性差異，使得傳輸冗余度和傳輸時延權(quán)衡分析面臨挑戰(zhàn)，如何設(shè)計鏈路自匹配的冗余傳輸機(jī)制，保證流量傳輸?shù)某晒β屎透黝愭溌返姆€(wěn)定性也是未來研究方向之一。

5.3 星地融合無線傳輸技術(shù)

星地融合網(wǎng)絡(luò)中涉及3種類型的衛(wèi)星無線鏈路：星間鏈路、星地用戶鏈路、星地饋電鏈路。星間鏈路作為實現(xiàn)流量星間路由和負(fù)載均衡的基礎(chǔ)，能夠有效降低衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)對地面通信網(wǎng)絡(luò)和地面信關(guān)站全球部署的依賴，實現(xiàn)同軌/異軌衛(wèi)星、星座和星群間協(xié)同組網(wǎng)。其中，激光通信鏈路由于信道容量大、抗電磁干擾能力強及保密性好等特點，被視為構(gòu)建未來星間鏈路的主要候選。此外，微波星間鏈路也逐漸從Ka頻段向太赫茲頻段等更高頻段發(fā)展，以適應(yīng)星間信息傳輸需求的增長。目前，國內(nèi)外對這兩種新型星間鏈路的研究和實現(xiàn)都在穩(wěn)步進(jìn)行，未來微波和激光混合星間鏈路將持續(xù)并存發(fā)展。另外，對星間鏈路快速對準(zhǔn)和穩(wěn)定維持技術(shù)的研究也將是星地融合網(wǎng)絡(luò)的一大重點和難點。

對于星地用戶鏈路，新型低軌星座已經(jīng)開始使用高頻段（如Ka頻段）代替低頻段進(jìn)行地面用戶與衛(wèi)星間的數(shù)據(jù)傳輸。星地饋電鏈路也逐漸從C、Ku和Ka微波頻段向更高頻段、大帶寬和小型化的毫米波和激光通信方向發(fā)展[18]。然而，Q/V頻段信號的鏈路損耗在雨雪等復(fù)雜大氣環(huán)境下會急劇增加，對其抗雨衰減模型的建立和實驗刻不容緩。此外，如何降低天氣和大氣湍流對星地激光鏈路的影響，提升其鏈路可用性也是未來研究的重點。

6 結(jié)束語

本文調(diào)研了星地融合網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了軟件定義的星地融合智能無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過構(gòu)建分布式主從SDN控制器完成對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面移動通信網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)測，整合邊緣計算和人工智能構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)管理知識庫實現(xiàn)對星地融合網(wǎng)絡(luò)虛擬化資源池的智能管控與調(diào)度，提供面向業(yè)務(wù)需求的柔性可重構(gòu)星地組網(wǎng)，進(jìn)而實現(xiàn)天空地海全場景、全業(yè)務(wù)的服務(wù)交付。隨著對6G需求和關(guān)鍵技術(shù)研究的不斷深入，包括星地融合網(wǎng)絡(luò)的虛擬化、網(wǎng)絡(luò)功能部署和融合網(wǎng)絡(luò)切片等問題還需要進(jìn)一步研究。