软件定义的星地融合智能无线网络

　　摘要：为了实现6G面向全场景、支撑全业务的愿景，地面移动通信网络需深度融合卫星通信网络进行星地组网以扩展通信覆盖范围，提高服务交付能力。然而，星地融合网络复杂异构、拓扑高动态和设备及协议异质性等特点使得网络资源协同管理和调度面临挑战。为此，提出了软件定义的星地融合智能无线网络体系架构，探讨了相应的关键技术，并对未来发展进行了展望。

　　关键词：星地融合网络;软件定义网络;人工智能;柔性可重构组网

　　1.引言

　　随着5G大规模部署工作的进行，致力于实现全场景、全应用的全球无缝智慧连接、深度连接和泛在连接通信愿景的6G研究也在不断展开[12]。然而，依赖于基站和光纤等基础设施的地面移动通信系统，受制部署环境和经济成本，目前仅覆盖了约6%的地表面积，难以满足天空地海广域立体通信需求;并且，对于地震和海啸等自然灾害容忍度较低，回程网络易被摧毁而造成通信系统瘫痪;此外，无法有效支撑处于高速运动状态终端不间断的服务请求[3]。

　　针对这些问题，业界普遍认为具有广阔的覆盖范围、强健的抗毁能力和稳定持续的交付性能的卫星通信网络可作为地面移动通信网络的有力补充，通过深度整合构建的星地融合网络，可以在人口密集区域发挥高密度基站的优势，实现大容量海量接入;在人口稀疏区域发挥卫星广域覆盖的优势，实现全地域全时随选接入。

　　参考文献[4]探讨了现有地面网络架构在星地融合网络中的可用性，并深入讨论了星地融合网络的系统集成、协议优化、资源管理和分配等问题。参考文献[5]针对未来应用极大容量的需求和星地链路较长的传播时延等问题，总结了星地融合网络在保障服务质量方面所涉及的关键网络功能。参考文献[6]介绍和分析了卫星通信网络和地面移动通信网络的差异，提出了多个星地网络协作模型，并进一步研究了各模型所涉及的关键技术。参考文献[7]回顾了星地融合网络代表性架构，并按照传输、控制和管理、资源分配和安全对有关研究进行了梳理总结。

　　尽管针对星地融合网络的研究已经取得了一些进展，但是如何解决星地融合网络结构灵活性差、差异化业务适配性低、网络智能化不足和资源利用率低等问题，实现敏捷柔性可重构组网，提供面向业务需求的资源配置和服务保障仍面临重大挑战。通过利用软件定义网络(oftwaredefinednetwork,SDN)和网络功能虚拟化(etworkfunctionvirtualization,NFV)技术，将有效处理卫星通信网络和地面移动通信网络从设备和协议的异质性到网络功能和架构的异构性[89];引入人工智能(artificialintelligence,AI)技术，能够完成细粒度网络资源的智能协同管理和调度[1011]，进而实现星地融合网络按需智能化组网，显著降低融合网络的运维复杂度和成本。

　　2.低轨卫星通信与星地融合

　　根据轨道高度，卫星可以分为高轨道(geostationaryorbit,GEO)卫星、中轨道(middleearthorbit,MEO)卫星和低轨道(owearthorbit,LEO)卫星，各轨道卫星特点见表。其中，低轨卫星由于距离地表较近，相对于高轨和中轨卫星有较低的发射成本、较短的传输时延和较高的数据传输率，并且对地面终端有较低的信号功率容忍度，有助于地面终端的小型化。

　　另一方面，相关技术的快速迭代也不断强化新型低轨星座的优势。首先，集成电路技术的进步使卫星模块化和小型化变成现实，卫星规模化、批量化生产成为可能，大幅降低了卫星研制和生产成本，同时显著提升了星上处理能力，为潜在的星上计算和优化提供算力支撑;其次，包括一箭多星和火箭回收等火箭发射技术的突破极大地降低了卫星的发射成本;另外，基于毫米波、太赫兹、可见光通信技术的星际链路通信技术的发展，将大幅减少卫星通信对星地链路的需求和对地面信关站的依赖[3]。

　　目前，世界各国纷纷开启新型低轨卫星星座的规划和部署。其中，OneWe星座计划在海拔200km的12个低轨道面部署882颗卫星，每颗卫星配备16个用户波束以确保用户在仰角大于55时至少有一颗OneWeb卫星覆盖;Starlink星座计划在海拔540570km和150325km的低轨空间部署约30000颗卫星以实现高通量的数据传输;两个星座均采用Ku频段作为用户链路，Ka频段作为馈电链路。另外，相比于未配置星间链路的OneWeb星座对地面信关站的强依赖，规划了星间链路的Starlink在未来星际组网具有更大的灵活性。根据公开数据显示，目前OneWeb和Starlink分别能够提供单星峰值容量.97bit/s和21.36Gbit/s，往返时延ms和ms左右的数字通信服务。

　　2.1.星地融合组网

　　尽管低轨卫星通信正在蓬勃发展，但除了广域无缝持续覆盖的优势外，其在人均建设和运维成本、终端成本和通信速率等方面相比地面移动通信总体处于劣势。因此，相对于取代地面移动通信网络的发展定位，低轨卫星通信网络更应该“兼容5G、融合6G”[3]。目前，新型低轨卫星星座已经初步具备与地面网络组网的能力。第一代OneWeb星座星地融合组网方案如图所示，通过地面特定用户终端接入节点将地面移动通信网络的流量经由低轨卫星转发到地面信关站，并交付给地面移动通信系统的基站和核心网处理。

　　其中，卫星只负责射频信号的转发接口，所有空中接口的处理交由地面移动通信系统完成。采用弯管操作的星地融合组网，可以直接使用现有地面移动通信网络架构完成透明传输，但是缺乏星载边缘计算的支撑将极大地降低星上无线资源实时智能分配与优化和边缘服务快速响应的能力。此外，所有流量都需经由用户链路和馈电链路转发，将带来不可忽略的传输时延，同时占用过多的星地链路频谱资源。

　　2.2.问题与挑战

　　通过深度整合卫星网络与地面网络以构建星地融合网络，能够响应未来面向万物智联与全球立体广域覆盖的通信需求，实现6G面向全场景、全业务的服务交付愿景。然而，星地融合组网仍然面临以下诸多挑战。卫星网络配置固定及难以更新，星上载荷支撑的服务和应用类型有限。通信技术和应用服务的快速发展使早先发射的卫星逐渐难以满足用户的通信需求。此外，传统卫星管控策略与星载硬件的深度耦合和异种设备间的差异化配置方案都增加了网络管控的复杂度，降低了网络功能部署和更新的灵活性。

　　不同卫星星座间资源和信息隔离。尽管目前启动的低轨卫星星座计划众多，但各星座采用的通信技术和网络协议不尽相同，使得不同星座之间相互隔离，难以进行全面硬件共享和信息交互，将极大地浪费在轨网络资源。网络拓扑高动态，管控困难。

　　除高轨卫星外，其他不同轨道面的卫星与卫星、卫星与地面信关站和卫星与用户终端间相对位置的高速变化给层次化和立体化的复杂动态星地融合网络的管理和控制带来极大挑战。星地融合网络资源协同调度与优化困难。卫星通信网络与地面移动通信网络在组成设备、通信技术、网络协议和架构等方面的显著差异，以及两者间存在的信息孤岛等问题，对星地融合网络资源协同调度与优化提出了严峻的挑战。

　　3软件定义的星地融合智能无线网

　　3.1.网络架构

　　面向广域立体无缝覆盖下多样化的应用场景和差异化的用户需求，基于SDN、FV、网络切片和分布式AI等技术，提出了一种软件定义的星地融合智能无线网络架构，其组成示意图如图所示。该架构使用SDN技术分离网络的控制平面和数据平面，通过统一开放接口提升网络可编程性和可重构性以处理星地融合网络中设备和协议异质性等问题，并引入具有全局网络视图的SDN控制器实现星地多域异构网络具有业务适应性的资源统一管理和跨域动态配置。

　　通过对卫星网络和地面移动通信的各个网络功能进行柔性分割，实现网络功能的模块化部署，能够完成对3GPP的弯管转发和再生处理两种组网方式的高效兼容。具体地，根据不同场景和业务对星上处理的需求，卫星可基于FV技术自适应部署接入网用户平面功能、接入网控制平面功能和部分核心网功能等，实现按需灵活的组网配置，保障网络整体服务质量。

　　此外，基于NFV技术在卫星和地面网络边缘可部署边缘计算(multiaccessedgecomputing,MEC)服务，以就近支撑计算或数据密集型应用，降低传输时延和星地回传链路负担。同时，基于MEC的内容服务缓存可极大提高内容服务的交付效率。针对偏远地区应用场景，可直接通过低轨卫星弯管载荷完成地面终端射频信号的转发，然后借助信关站传输到地面接入网用户平面、控制平面和核心网进行处理，完成精简快速组网，实现用户流量的透明传输，同时也可降低星上处理负担。

　　针对海洋和极地作业及终端处于高速移动状态的高铁、航空等应用场景，可通过将部分核心网功能部署在高轨卫星用于为其覆盖范围内具有接入网用户平面和控制平面功能的中低轨接入卫星提供服务，实现卫星独立组网，降低星地链路频繁信令交互产生的开销和时延。为应对由自然灾害、物理攻击等损毁地面移动通信基础设施造成通信中断等问题，可通过配置接入网用户平面和接入网控制平面的卫星，实现关键业务上星备份，构建稳定的通信网络。

　　此外，针对巨容量高保真通信需求，可通过配备边缘计算功能的卫星，实现网络边缘端的信号处理和内容分发以及卫星端的测量与智能数据分析;针对巨连接物联网通信需求，借助卫星的广域覆盖和星上大规模干扰协作处理，实现物联网终端的海量接入和数据的星上汇聚与分析，同时降低馈电链路的通信负载，响应气象水文地址监测、野生动物保护、交通运输和工业制造等大规模机器通信需求。考虑到低轨卫星快速移动导致用户频繁波束切换或星间切换和用户激增产生的大量控制平面数据对星地链路的占用等问题，提出分布式主从SDN控制方案。

　　其中，SDN主控制器位于地面，负责协调分布式SDN从控制器并完成星地网络全局视图构建，实现全网资源统一管理和编排、网络拓扑发现和维持、负载均衡和路由决策等。此外，得益于较大的覆盖范围和相对稳定的星地链路，同步轨道卫星可搭载SDN从控制器，负责覆盖范围内中低轨卫星的网络管理和控制。在卫星网络流量和服务负载密集区域，部分中低轨卫星可搭载SDN从控制器通过星间链路实现邻近范围内卫星分组管理，以应对由于中低轨卫星数量的逐渐增加以及用户服务请求的差异化和复杂化造成同步轨道卫星SDN从控制器管理负担过大等问题。

　　4.关键技术

　　为了充分利用卫星通信网络广域无缝覆盖能力和地面移动通信网络密集且丰富的网络资源，发挥软件定义的星地融合智能无线网络的性能潜力，需要对以下关键技术进行深入研究。

　　4.1.无缝切换和移动性管理

　　星地融合网络全场景广域无缝通信服务交付的实现依赖于用户在卫星通信网络和地面移动通信网络之间灵活的无感切换。然而，非地球同步轨道卫星相对地面的高移动性将导致用户和卫星间用户链路发生频繁的波束切换或星间切换，增加了服务中断风险和网络管理开销。

　　因此，如何有效处理星地融合网络的切换和移动性管理问题，并在保障用户服务质量的前提下设计出实现最小化切换次数的切换策略是星地融合网络的一个重要课题。与地面移动通信网络基于信号强度进行切换决策不同，卫星通信的波束边缘与波束中心点的信号强度差异较小，很难确定具有普适性的切换阈值。同时，由于星地链路较长的传输时延，接收端的多样性和潜在的高移动性，以及服务需求的差异性，都为星地融合网络的移动性管理提出了更高的要求。此外，星地链路的强周期切换也对切换的敏捷性和可靠性带来了挑战。

　　5.未来展望

　　5.1.面向场景的星地融合网络切片

　　星地融合网络致力于填补海洋、天空、高山和偏远地区信息鸿沟，实现广域立体无缝覆盖、提供每平方千米超百万连接和0bit/s的巨容量随遇接入以及端对端数秒级的超低时延。具体而言，针对传统卫星应用场景(如环境监测、动物保护和交通运输等)，星地融合网络将极大增加监测终端的接入数量、延伸其部署范围，同时借助星地边缘计算平台实现数据实时智能分析和反馈，提供更准确的环境监测和灾害预警，更广泛的生物追踪以及更精准的导航规划和运输溯源;对于移动宽带通信应用(如全息视频通信、AR/VR和广域物联网等)，通过构建面向差异化场景的星地融合网络切片，利用星地链路、星间链路和地基链路协同传输以及天基和地基协同计算与缓存，实现用户无感的业务统一交付。

　　然而，星地融合网络中不同链路无线信道的随机和时变特性增加了切片隔离的难度，为统一的切片隔离机制设计带来显著挑战。另外，卫星网络和地面移动网络在空口、协议和频谱分配等配置方面存在较多差异，如何设计资源管理机制以规避星地融合切片中接入制式的影响，提升网络接入性能也是未来亟须解决的问题之一。

　　5.2.时延敏感星地融合网络

　　全产业物联网的快速发展，使得物与物、人与物、人与人间的信息交互与操作协同趋于智能化、常态化，进而对信息传输的时延、带宽和抖动等提出了更精细、更确定的性能要求。为了实现星地融合网络数据确定性传输，可基于分布式主从SDN控制器的网络状态数据，使用AI技术进行时延预测并优化流量调度策略和路由路径。然而，如何训练和部署AI智能引擎完成对业务流量和QoS优先级的智能识别和分类，并综合考虑网络设备能力和目前业务队列状态，实现细粒度的计算调度将是一个具有挑战性的问题。

　　此外，在星地融合网络动态的网络拓扑和时变的链路状态下，如何综合考虑不同链路之间的负载均衡，快速制定流量路由策略是一大挑战。另外，由于星地融合网络中不同无线链路环境的显著性差异，使得传输冗余度和传输时延权衡分析面临挑战，如何设计链路自匹配的冗余传输机制，保证流量传输的成功率和各类链路的稳定性也是未来研究方向之一。

　　5.3.星地融合无线传输技术

　　星地融合网络中涉及种类型的卫星无线链路：星间链路、星地用户链路、星地馈电链路。星间链路作为实现流量星间路由和负载均衡的基础，能够有效降低卫星网络对地面通信网络和地面信关站全球部署的依赖，实现同轨异轨卫星、星座和星群间协同组网。其中，激光通信链路由于信道容量大、抗电磁干扰能力强及保密性好等特点，被视为构建未来星间链路的主要候选。此外，微波星间链路也逐渐从Ka频段向太赫兹频段等更高频段发展，以适应星间信息传输需求的增长。目前，国内外对这两种新型星间链路的研究和实现都在稳步进行，未来微波和激光混合星间链路将持续并存发展。另外，对星间链路快速对准和稳定维持技术的研究也将是星地融合网络的一大重点和难点。

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　　6.结束语

　　本文调研了星地融合网络的发展现状，提出了软件定义的星地融合智能无线网络架构，通过构建分布式主从SDN控制器完成对卫星网络和地面移动通信网络的状态监测，整合边缘计算和人工智能构建网络管理知识库实现对星地融合网络虚拟化资源池的智能管控与调度，提供面向业务需求的柔性可重构星地组网，进而实现天空地海全场景、全业务的服务交付。随着对6G需求和关键技术研究的不断深入，包括星地融合网络的虚拟化、网络功能部署和融合网络切片等问题还需要进一步研究。

　　参考文献：

　　[1]彭木根,孙耀华,王文博.智简6G无线接入网:架构、技术和展望[J].北京邮电大学学报,2020,43(3):110.

　　作者：袁硕，任奕璟，王则予，孙耀华，彭木根

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