智簡空天地一體化網絡

張 平，許文俊，王鳳玉，牛 凱,3，許曉東

(1.北京郵電大學 信息與通信工程學院，北京 100876；2.北京郵電大學 人工智能學院，北京 100876；3.鵬城實驗室 寬帶通信研究部，廣東 深圳 518000)

0 引言

第五代移動通信(5G)的部署應用開啟了萬物互聯時代，推動了信息行業(yè)與工業(yè)、農業(yè)等傳統產業(yè)融合，拉開了新產業(yè)革命的序幕。隨著5G商用的縱深推進，美國、日本、韓國等國家以及國際電信聯盟(ITU)、電氣和電子工程師學會(IEEE)等組織已經開啟針對第六代移動通信(6G)技術的研究，6G的前瞻布局刻不容緩[1-2]。為了支持網絡全覆蓋和用戶高速移動，擴大當前地面網絡通信范圍的廣度和深度，6G 將涵蓋空天地等網絡基礎設施，集成地面和非地面網絡，以提供空、天、地等全域范圍覆蓋[3]。

空天地一體化網絡融合了由軌道衛(wèi)星構成的天基網絡，由高空平臺(High Attitude Platforms，HAPs)及無人機(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)等構成的空基網絡，以及由傳統無線通信系統構成的地基網絡，從而實現全范圍無縫覆蓋，為用戶提供泛在通信服務，是未來6G的核心發(fā)展方向[4]。我國空天地一體化網絡發(fā)展處于起步階段，相繼啟動的“鴻雁”星座、“虹云”工程、“天啟”等衛(wèi)星星座計劃，以及“天地一體化信息網絡”重大項目，為空天地一體化網絡的研發(fā)提供了技術積累、前期驗證和部署試驗。現有工作側重于衛(wèi)星通信網絡建設，全域通信技術尚未實現高效融合與協同，應用場景具有局限性[5]。由于天基、空基、地基網絡承載業(yè)務的差異性、網絡資源的異質性、網絡系統及管理的多樣性等，空天地一體化網絡在網絡架構、協同組網、資源管理等方面面臨巨大挑戰(zhàn)[6]。

因此，本文提出智簡(Intelligence-endogenous and primitive-concise，Intellicise)空天地一體化網絡，通過智能網元深入挖掘信息/網絡的基本組織單元(智能本原)，利用語義基(Semantic base，Seb)、網絡基團等智能本原重新組織信息/網絡，實現不同智能網元之間的高效交互以及意圖驅動的靈巧組網[7]。以軟件定義網絡為工作基礎，智簡空天地一體化網絡可以實現“局域按需智簡、廣域達意智簡”，有效解決大時空網絡動態(tài)連接、復雜路由和異構資源分配等挑戰(zhàn)。

1 智簡系統

5G等地基網絡發(fā)展遵循堆疊處理模式，以復雜度換取性能增益；6G包括空天地一體化網絡，其節(jié)點數、用戶量、數據量等指數級增長，傳統發(fā)展思路下的“大而全”網絡將面臨高計算、高能耗、高成本、低效率等一系列問題[8]。此外，賦能千行百業(yè)的6G網絡場景化需求將更加明顯。因此，6G是一個能夠實時感知環(huán)境特征、理解用戶需求，及時根據業(yè)務態(tài)勢適變調整的動態(tài)系統，通過自我感知、自主推理、自主重塑信息及網絡組織，最終實現自身的智慧內生、原生簡約，即實現“智簡”[9]。

智簡系統，以人工智能與下一代組網技術的一體化為基礎[10]，持續(xù)地探究和利用信息及網絡的智能本原(Seb、網絡基團等)，主動以系統熵減為全局優(yōu)化目標，自適應地重塑信息系統的核心模型，最終實現自身的智慧內生、原生簡約。智簡系統可以感知和推理高層次的智能本原，實現對信息組織、網絡結構等全面簡約重塑，達到網元的高效連接和智能控制，賦能網絡管理的精簡化和網絡配置的自動化，能夠全面提升網絡資源的利用效率。

如圖 1所示，智簡系統以經典信息論、人工智能理論、系統論、復雜科學理論等多學科理論為指導，以本原信息論為理論基礎，以意圖領會、達意通信為目的，從基礎概率、模糊測度、邏輯推理、系統組織等層面交叉分析信息/網絡的本質結構，洞察發(fā)現和智能構建信息/網絡本原，以整體熵減為優(yōu)化目標，重塑通信與網絡[11]。其中，本原是信息/網絡的基本組織單元，基于人工智能方法獲取、表達與組織的本原稱為智能本原；傳統語法信息層面的本原是比特，含義/意圖層面的信息本原為語義基，系統層面的本原為網絡基團。

圖1 智簡系統內涵Fig.1 Connotation of intellicise systems

在信息層面，智簡系統通過語義基來連通意圖與比特，高層次的信息本原以底層的比特為基礎，表征信息的語義結構與特征等，構成不可分割的整體。智簡系統基于人工智能技術等精準地識別與意圖、任務相關的關鍵信息并展開針對性處理，實現通信對象間簡約而充分的面向意圖的信息交互[12]。在信息交互過程中，通信對象利用場景覺知能力和相關背景知識等，根據通信意圖提取語義元素，通過傳輸關鍵的語義元素提高交互效率。

在網絡層面，基于人工智能以及大數據等技術[13]，智簡系統可以感知和推理高層次的智能本原，從而對網絡組織、協議、資源等全面簡約重塑，達到“節(jié)點極智、鏈路極柔、網絡極簡”，實現網絡性能的全面提升。智簡系統通過智慧節(jié)點實現對網絡本原的發(fā)掘、處理和利用，通過智能決策、簡約重塑等構建柔性簡約的通信鏈路以及按需有序的網絡結構，從而精煉網絡組織與管理，實現網絡資源利用的效率提升和用戶業(yè)務的靈活服務。

2 智簡空天地一體化網絡設計

空天地一體化網絡由于跨域、跨介質、多層級建設，面臨異構網絡互連、拓撲高度動態(tài)、通信環(huán)境迥異、時延方差大及處理能力不平衡等諸多挑戰(zhàn)[14]。智簡空天地一體化網絡通過人工智能技術與信息網絡技術等的深度融合，針對通信信源、通信信道、網絡節(jié)點、網絡鏈路、網絡整體等進行智能本原的統一發(fā)掘、利用和處理，賦能網絡根據部署環(huán)境、通信意圖等自適應調整信息及網絡的組織結構，實現“節(jié)點極智、鏈路極柔、網絡極簡”，有效克服空天地一體化網絡因環(huán)境復雜、業(yè)務多樣、節(jié)點異構等導致的諸多挑戰(zhàn)。

智簡空天地一體化網絡如圖2所示。軟件定義網絡作為智簡網絡的底層支持，可以提供網絡狀態(tài)、環(huán)境及用戶等多域數據[13]，為智簡網絡的學習、決策、智慧累積等提供數據支撐。智簡網絡利用軟件定義網絡提供的全局視圖，可以分析與指導實體網絡組織結構的調整與簡約，以解決動態(tài)連接、復雜路由和高維資源分配等問題。得益于軟件定義網絡的支撐，智簡空天地一體化網絡具備“局域按需智簡、廣域達意智簡”能力。

圖2 智簡空天地一體化網絡Fig.2 Intellicise air-space-ground integrated networks

局域按需智簡空天地一體化網絡將面向千行百業(yè)，為用戶提供無處不在的多樣化服務。由于不同時空網絡在接入設備、通信環(huán)境、業(yè)務需求等方面的大差異性，各局域網絡場景化需求將更加明顯[15]。智簡空天地一體化網絡能夠根據用戶需求，按需有序地構建極簡網絡，避免“大而全”網絡帶來的結構冗余及資源浪費等問題，達到局域按需智簡。此外，智簡空天地一體化網絡還能夠綜合考慮通信需求與周圍環(huán)境，構建局域柔性鏈路以應對拓撲高度動態(tài)、通信環(huán)境迥異等多層面挑戰(zhàn)。

廣域達意智簡空天地一體化網絡需要實現空基、天基、地基間互聯互通，高度異構的大時空網絡組成將導致極大的協議間轉換開銷，造成資源浪費和效率降低。智簡空天地一體化網絡充分利用語義互通性、語義魯棒性以及高壓縮比等特性，通過挖掘、理解和分解用戶意圖，將意圖相關元素通過語義有機表達，分解并轉化為網絡拓撲、路由、移動性等方面的具體部署、配置、管控策略，完整而敏捷地貫徹實施網絡意圖，從而賦能不同異構網絡間低協議轉換開銷的高效互通，確保“廣域達意智簡”。

“十四五”規(guī)劃和2035遠景目標強調，我國要建設成為網絡強國，重點發(fā)展新一代移動通信和下一代互聯網等。空天地一體化網絡有機融合衛(wèi)星、無人機、地面網絡等，是6G的重要組成部分，面臨資源、節(jié)點、網絡異構帶來的多層面挑戰(zhàn)。智簡空天地一體化網絡可以通過智能學習、本原解析、智慧累積、智簡決策、簡約重塑等，達到“節(jié)點極智、鏈路極柔、網絡極簡”的理想網絡形態(tài)，高效地協同、聚合不同網域資源，保證大差異網絡協同滿足千行百業(yè)應用需求，實現從軟件定義網絡到智簡網絡的范式跨越。

3 結束語

習近平總書記強調，建設網絡強國的戰(zhàn)略部署要與“兩個一百年”奮斗目標同步推進。空天地一體化網絡作為6G移動通信的標志性特征，已成為學術界、產業(yè)界共識。我國移動通信科學研究及相關產業(yè)發(fā)展迅速，但“地強天弱”的問題依然存在。隨著衛(wèi)星互聯網的興起，圍繞新空間的開發(fā)利用權和主導權爭奪將愈發(fā)激烈，成為大國之間的博弈前沿。我國空天地一體化網絡技術發(fā)展處于起步階段，智簡空天地一體化網絡通過發(fā)掘和利用信息/網絡的智能本原，高效協同空基、天基、地基網絡元素，實現全域通信與網絡隨場景特征、業(yè)務需求等變化柔性重塑；智簡空天地一體化網絡有望通過范式跨越，突破國際傳統生態(tài)壟斷局勢，打破先發(fā)國家的技術壓制，賦能未來移動通信的長期可持續(xù)發(fā)展。