軟件定義的星地融合智能無線網絡

　　摘要：為了實現6G面向全場景、支撐全業務的愿景，地面移動通信網絡需深度融合衛星通信網絡進行星地組網以擴展通信覆蓋范圍，提高服務交付能力。然而，星地融合網絡復雜異構、拓撲高動態和設備及協議異質性等特點使得網絡資源協同管理和調度面臨挑戰。為此，提出了軟件定義的星地融合智能無線網絡體系架構，探討了相應的關鍵技術，并對未來發展進行了展望。

　　關鍵詞：星地融合網絡;軟件定義網絡;人工智能;柔性可重構組網

　　1.引言

　　隨著5G大規模部署工作的進行，致力于實現全場景、全應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[12]。然而，依賴于基站和光纖等基礎設施的地面移動通信系統，受制部署環境和經濟成本，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害容忍度較低，回程網絡易被摧毀而造成通信系統癱瘓;此外，無法有效支撐處于高速運動狀態終端不間斷的服務請求[3]。

　　針對這些問題，業界普遍認為具有廣闊的覆蓋范圍、強健的抗毀能力和穩定持續的交付性能的衛星通信網絡可作為地面移動通信網絡的有力補充，通過深度整合構建的星地融合網絡，可以在人口密集區域發揮高密度基站的優勢，實現大容量海量接入;在人口稀疏區域發揮衛星廣域覆蓋的優勢，實現全地域全時隨選接入。

　　參考文獻[4]探討了現有地面網絡架構在星地融合網絡中的可用性，并深入討論了星地融合網絡的系統集成、協議優化、資源管理和分配等問題。參考文獻[5]針對未來應用極大容量的需求和星地鏈路較長的傳播時延等問題，總結了星地融合網絡在保障服務質量方面所涉及的關鍵網絡功能。參考文獻[6]介紹和分析了衛星通信網絡和地面移動通信網絡的差異，提出了多個星地網絡協作模型，并進一步研究了各模型所涉及的關鍵技術。參考文獻[7]回顧了星地融合網絡代表性架構，并按照傳輸、控制和管理、資源分配和安全對有關研究進行了梳理總結。

　　盡管針對星地融合網絡的研究已經取得了一些進展，但是如何解決星地融合網絡結構靈活性差、差異化業務適配性低、網絡智能化不足和資源利用率低等問題，實現敏捷柔性可重構組網，提供面向業務需求的資源配置和服務保障仍面臨重大挑戰。通過利用軟件定義網絡(oftwaredefinednetwork,SDN)和網絡功能虛擬化(etworkfunctionvirtualization,NFV)技術，將有效處理衛星通信網絡和地面移動通信網絡從設備和協議的異質性到網絡功能和架構的異構性[89];引入人工智能(artificialintelligence,AI)技術，能夠完成細粒度網絡資源的智能協同管理和調度[1011]，進而實現星地融合網絡按需智能化組網，顯著降低融合網絡的運維復雜度和成本。

　　2.低軌衛星通信與星地融合

　　根據軌道高度，衛星可以分為高軌道(geostationaryorbit,GEO)衛星、中軌道(middleearthorbit,MEO)衛星和低軌道(owearthorbit,LEO)衛星，各軌道衛星特點見表。其中，低軌衛星由于距離地表較近，相對于高軌和中軌衛星有較低的發射成本、較短的傳輸時延和較高的數據傳輸率，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，相關技術的快速迭代也不斷強化新型低軌星座的優勢。首先，集成電路技術的進步使衛星模塊化和小型化變成現實，衛星規模化、批量化生產成為可能，大幅降低了衛星研制和生產成本，同時顯著提升了星上處理能力，為潛在的星上計算和優化提供算力支撐;其次，包括一箭多星和火箭回收等火箭發射技術的突破極大地降低了衛星的發射成本;另外，基于毫米波、太赫茲、可見光通信技術的星際鏈路通信技術的發展，將大幅減少衛星通信對星地鏈路的需求和對地面信關站的依賴[3]。

　　目前，世界各國紛紛開啟新型低軌衛星星座的規劃和部署。其中，OneWe星座計劃在海拔200km的12個低軌道面部署882顆衛星，每顆衛星配備16個用戶波束以確保用戶在仰角大于55時至少有一顆OneWeb衛星覆蓋;Starlink星座計劃在海拔540570km和150325km的低軌空間部署約30000顆衛星以實現高通量的數據傳輸;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星座對地面信關站的強依賴，規劃了星間鏈路的Starlink在未來星際組網具有更大的靈活性。根據公開數據顯示，目前OneWeb和Starlink分別能夠提供單星峰值容量.97bit/s和21.36Gbit/s，往返時延ms和ms左右的數字通信服務。

　　2.1.星地融合組網

　　盡管低軌衛星通信正在蓬勃發展，但除了廣域無縫持續覆蓋的優勢外，其在人均建設和運維成本、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絡的發展定位，低軌衛星通信網絡更應該“兼容5G、融合6G”[3]。目前，新型低軌衛星星座已經初步具備與地面網絡組網的能力。第一代OneWeb星座星地融合組網方案如圖所示，通過地面特定用戶終端接入節點將地面移動通信網絡的流量經由低軌衛星轉發到地面信關站，并交付給地面移動通信系統的基站和核心網處理。

　　其中，衛星只負責射頻信號的轉發接口，所有空中接口的處理交由地面移動通信系統完成。采用彎管操作的星地融合組網，可以直接使用現有地面移動通信網絡架構完成透明傳輸，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化和邊緣服務快速響應的能力。此外，所有流量都需經由用戶鏈路和饋電鏈路轉發，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。

　　2.2.問題與挑戰

　　通過深度整合衛星網絡與地面網絡以構建星地融合網絡，能夠響應未來面向萬物智聯與全球立體廣域覆蓋的通信需求，實現6G面向全場景、全業務的服務交付愿景。然而，星地融合組網仍然面臨以下諸多挑戰。衛星網絡配置固定及難以更新，星上載荷支撐的服務和應用類型有限。通信技術和應用服務的快速發展使早先發射的衛星逐漸難以滿足用戶的通信需求。此外，傳統衛星管控策略與星載硬件的深度耦合和異種設備間的差異化配置方案都增加了網絡管控的復雜度，降低了網絡功能部署和更新的靈活性。

　　不同衛星星座間資源和信息隔離。盡管目前啟動的低軌衛星星座計劃眾多，但各星座采用的通信技術和網絡協議不盡相同，使得不同星座之間相互隔離，難以進行全面硬件共享和信息交互，將極大地浪費在軌網絡資源。網絡拓撲高動態，管控困難。

　　除高軌衛星外，其他不同軌道面的衛星與衛星、衛星與地面信關站和衛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雜動態星地融合網絡的管理和控制帶來極大挑戰。星地融合網絡資源協同調度與優化困難。衛星通信網絡與地面移動通信網絡在組成設備、通信技術、網絡協議和架構等方面的顯著差異，以及兩者間存在的信息孤島等問題，對星地融合網絡資源協同調度與優化提出了嚴峻的挑戰。

　　3軟件定義的星地融合智能無線網

　　3.1.網絡架構

　　面向廣域立體無縫覆蓋下多樣化的應用場景和差異化的用戶需求，基于SDN、FV、網絡切片和分布式AI等技術，提出了一種軟件定義的星地融合智能無線網絡架構，其組成示意圖如圖所示。該架構使用SDN技術分離網絡的控制平面和數據平面，通過統一開放接口提升網絡可編程性和可重構性以處理星地融合網絡中設備和協議異質性等問題，并引入具有全局網絡視圖的SDN控制器實現星地多域異構網絡具有業務適應性的資源統一管理和跨域動態配置。

　　通過對衛星網絡和地面移動通信的各個網絡功能進行柔性分割，實現網絡功能的模塊化部署，能夠完成對3GPP的彎管轉發和再生處理兩種組網方式的高效兼容。具體地，根據不同場景和業務對星上處理的需求，衛星可基于FV技術自適應部署接入網用戶平面功能、接入網控制平面功能和部分核心網功能等，實現按需靈活的組網配置，保障網絡整體服務質量。

　　此外，基于NFV技術在衛星和地面網絡邊緣可部署邊緣計算(multiaccessedgecomputing,MEC)服務，以就近支撐計算或數據密集型應用，降低傳輸時延和星地回傳鏈路負擔。同時，基于MEC的內容服務緩存可極大提高內容服務的交付效率。針對偏遠地區應用場景，可直接通過低軌衛星彎管載荷完成地面終端射頻信號的轉發，然后借助信關站傳輸到地面接入網用戶平面、控制平面和核心網進行處理，完成精簡快速組網，實現用戶流量的透明傳輸，同時也可降低星上處理負擔。

　　針對海洋和極地作業及終端處于高速移動狀態的高鐵、航空等應用場景，可通過將部分核心網功能部署在高軌衛星用于為其覆蓋范圍內具有接入網用戶平面和控制平面功能的中低軌接入衛星提供服務，實現衛星獨立組網，降低星地鏈路頻繁信令交互產生的開銷和時延。為應對由自然災害、物理攻擊等損毀地面移動通信基礎設施造成通信中斷等問題，可通過配置接入網用戶平面和接入網控制平面的衛星，實現關鍵業務上星備份，構建穩定的通信網絡。

　　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星，實現網絡邊緣端的信號處理和內容分發以及衛星端的測量與智能數據分析;針對巨連接物聯網通信需求，借助衛星的廣域覆蓋和星上大規模干擾協作處理，實現物聯網終端的海量接入和數據的星上匯聚與分析，同時降低饋電鏈路的通信負載，響應氣象水文地址監測、野生動物保護、交通運輸和工業制造等大規模機器通信需求。考慮到低軌衛星快速移動導致用戶頻繁波束切換或星間切換和用戶激增產生的大量控制平面數據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，負責協調分布式SDN從控制器并完成星地網絡全局視圖構建，實現全網資源統一管理和編排、網絡拓撲發現和維持、負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定的星地鏈路，同步軌道衛星可搭載SDN從控制器，負責覆蓋范圍內中低軌衛星的網絡管理和控制。在衛星網絡流量和服務負載密集區域，部分中低軌衛星可搭載SDN從控制器通過星間鏈路實現鄰近范圍內衛星分組管理，以應對由于中低軌衛星數量的逐漸增加以及用戶服務請求的差異化和復雜化造成同步軌道衛星SDN從控制器管理負擔過大等問題。

　　4.關鍵技術

　　為了充分利用衛星通信網絡廣域無縫覆蓋能力和地面移動通信網絡密集且豐富的網絡資源，發揮軟件定義的星地融合智能無線網絡的性能潛力，需要對以下關鍵技術進行深入研究。

　　4.1.無縫切換和移動性管理

　　星地融合網絡全場景廣域無縫通信服務交付的實現依賴于用戶在衛星通信網絡和地面移動通信網絡之間靈活的無感切換。然而，非地球同步軌道衛星相對地面的高移動性將導致用戶和衛星間用戶鏈路發生頻繁的波束切換或星間切換，增加了服務中斷風險和網絡管理開銷。

　　因此，如何有效處理星地融合網絡的切換和移動性管理問題，并在保障用戶服務質量的前提下設計出實現最小化切換次數的切換策略是星地融合網絡的一個重要課題。與地面移動通信網絡基于信號強度進行切換決策不同，衛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，以及服務需求的差異性，都為星地融合網絡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。

　　5.未來展望

　　5.1.面向場景的星地融合網絡切片

　　星地融合網絡致力于填補海洋、天空、高山和偏遠地區信息鴻溝，實現廣域立體無縫覆蓋、提供每平方千米超百萬連接和0bit/s的巨容量隨遇接入以及端對端數秒級的超低時延。具體而言，針對傳統衛星應用場景(如環境監測、動物保護和交通運輸等)，星地融合網絡將極大增加監測終端的接入數量、延伸其部署范圍，同時借助星地邊緣計算平臺實現數據實時智能分析和反饋，提供更準確的環境監測和災害預警，更廣泛的生物追蹤以及更精準的導航規劃和運輸溯源;對于移動寬帶通信應用(如全息視頻通信、AR/VR和廣域物聯網等)，通過構建面向差異化場景的星地融合網絡切片，利用星地鏈路、星間鏈路和地基鏈路協同傳輸以及天基和地基協同計算與緩存，實現用戶無感的業務統一交付。

　　然而，星地融合網絡中不同鏈路無線信道的隨機和時變特性增加了切片隔離的難度，為統一的切片隔離機制設計帶來顯著挑戰。另外，衛星網絡和地面移動網絡在空口、協議和頻譜分配等配置方面存在較多差異，如何設計資源管理機制以規避星地融合切片中接入制式的影響，提升網絡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絡

　　全產業物聯網的快速發展，使得物與物、人與物、人與人間的信息交互與操作協同趨于智能化、常態化，進而對信息傳輸的時延、帶寬和抖動等提出了更精細、更確定的性能要求。為了實現星地融合網絡數據確定性傳輸，可基于分布式主從SDN控制器的網絡狀態數據，使用AI技術進行時延預測并優化流量調度策略和路由路徑。然而，如何訓練和部署AI智能引擎完成對業務流量和QoS優先級的智能識別和分類，并綜合考慮網絡設備能力和目前業務隊列狀態，實現細粒度的計算調度將是一個具有挑戰性的問題。

　　此外，在星地融合網絡動態的網絡拓撲和時變的鏈路狀態下，如何綜合考慮不同鏈路之間的負載均衡，快速制定流量路由策略是一大挑戰。另外，由于星地融合網絡中不同無線鏈路環境的顯著性差異，使得傳輸冗余度和傳輸時延權衡分析面臨挑戰，如何設計鏈路自匹配的冗余傳輸機制，保證流量傳輸的成功率和各類鏈路的穩定性也是未來研究方向之一。

　　5.3.星地融合無線傳輸技術

　　星地融合網絡中涉及種類型的衛星無線鏈路：星間鏈路、星地用戶鏈路、星地饋電鏈路。星間鏈路作為實現流量星間路由和負載均衡的基礎，能夠有效降低衛星網絡對地面通信網絡和地面信關站全球部署的依賴，實現同軌異軌衛星、星座和星群間協同組網。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展，以適應星間信息傳輸需求的增長。目前，國內外對這兩種新型星間鏈路的研究和實現都在穩步進行，未來微波和激光混合星間鏈路將持續并存發展。另外，對星間鏈路快速對準和穩定維持技術的研究也將是星地融合網絡的一大重點和難點。

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　　6.結束語

　　本文調研了星地融合網絡的發展現狀，提出了軟件定義的星地融合智能無線網絡架構，通過構建分布式主從SDN控制器完成對衛星網絡和地面移動通信網絡的狀態監測，整合邊緣計算和人工智能構建網絡管理知識庫實現對星地融合網絡虛擬化資源池的智能管控與調度，提供面向業務需求的柔性可重構星地組網，進而實現天空地海全場景、全業務的服務交付。隨著對6G需求和關鍵技術研究的不斷深入，包括星地融合網絡的虛擬化、網絡功能部署和融合網絡切片等問題還需要進一步研究。

　　參考文獻：

　　[1]彭木根,孫耀華,王文博.智簡6G無線接入網:架構、技術和展望[J].北京郵電大學學報,2020,43(3):110.

　　作者：袁碩，任奕璟，王則予，孫耀華，彭木根

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