面向衛星通信的6G霧計算網絡技術研究與展望

趙亞飛,周家恩,王鑫洋,孫耀華,彭木根

(北京郵電大學 信息與通信工程學院 網絡與交換技術國家重點實驗室,北京 100876)

0 引言

隨著5G的商業應用,6G也隨之提出并不斷發展。相比更前一代的通信技術,5G在大帶寬、低時延、海量終端等場景下提供了高質量服務,有利推進了科技社會進步。然而,目前依然有80%的陸地、95%的海洋區域是網絡難以覆蓋的;同時5G網絡僅能覆蓋地表10 km高度以內的區域,存在大量網絡空白區域[1]。6G在5G的基礎上進一步提出了“空天地海一體化”的愿景,以全球無縫覆蓋為目標,提供“泛在連接”的網絡基礎設施。衛星通信作為地面網絡的重要補充,成為了6G研究的熱點領域之一[2]。

6G的核心包括網絡、計算、感知、緩存等[3],網絡架構作為6G的骨架,是連接各個網元、傳輸數據、提供業務并支撐其余各資源高效利用的紐帶,在6G“空天地海”“泛在連接”的愿景下,傳統架構難以滿足日趨復雜的網絡,霧計算(Fog Computing)是一種分布式網絡架構,與傳統的云計算相比,霧計算更注重網絡中各個網元的協作與資源共享,其服務核心在于云與邊緣之間的節點間分布式計算[4]。由于衛星在軌能源依賴于光伏的特點,單個衛星的算力等資源受限,再加以衛星的移動性,單星提供持續性服務的能力受到極大限制。因此,多星協作的服務模式成為必然發展趨勢,霧計算使能的衛星通信不僅能夠滿足6G的低時延、大容量、廣連接等需求,還能使衛星各個功能互惠增強。但是不同衛星在系統架構、功能模塊、關鍵技術等方面存在明顯差異,要實現衛星通信的霧計算,需要聯合大量衛星,充分考慮其共性及特異性,借助霧計算及AI等技術打造可靠的協作組網和服務模式。當前,衛星通信作為6G研究的熱點,面臨著通信以透明轉發為主、網絡架構簡單、單星算力較弱,難以滿足6G“空天地海”一體化、低時延、高能效的需求[5]。本文主要針對以上內容,介紹了6G霧計算與智能衛星通信結合的背景、研究現狀,提出了衛星通信場景下的霧計算架構,分析了關鍵技術與挑戰,并對未來發展進行了展望。

1 6G霧計算背景與現狀

1.1 研究背景

6G在5G基礎上,針對更廣闊的范圍、更精細的場景,對通信網絡提出了更高的要求,在通信性能以外,計算性能也成為了關鍵指標之一[6]。當前國內正在建設的算力網絡,已經是算網一體的雛形,通信與計算的融合既作為霧計算的關鍵技術,又是6G的重要組成部分,即6G網絡中的各個網元、節點均具備計算能力,構建成為霧計算網絡,各節點以算力協同、共享的方式提供優質的霧計算服務,是一個先進的網絡及計算概念[7]。從架構而言,霧計算的各個計算節點位于網絡的中間層,即邊緣與云之間的全部通信、計算節點,其特性注定了各個霧節點之間的架構、功能都存在很大差異,如何能夠規范、通用地設計霧計算架構,將霧節點統一編排調度,是6G霧計算研究的關鍵方向。

1.2 研究現狀

霧計算的概念最早由思科(Cisco)于2012年正式提出并定義,如圖1所示,霧計算是面向分布式計算的一種基礎架構,由計算能力相對較弱的節點構成[8]。在地面網絡中,得益于光纖骨干網絡的建設,云計算迅速成為地面網絡的主要架構,因為光纖骨干網的時延相對較低,云服務的時延大多在可接受范圍內。然而在衛星通信中,由高算力平臺構成的云服務中心主要部署在地面,當終端進行云計算時需要經過多次星地鏈路從而導致難以忍受的時延[9]。因此,在衛星通信中,霧計算是優先級更高的選擇,有關衛星霧計算的研究尚處于起步階段。當前,6G霧計算的研究主要分為了幾個方向:霧無線接入網、霧節點任務遷移、資源共享、資源分配[10]。

圖1 霧計算層級架構Fig.1 Layered architecture of fog computing

1.2.1 霧無線接入網

霧無線接入網是一種從霧計算發展而來,采用分布式架構,以無線接入站為霧節點,通過利用節點的信號處理、協作資源管理和分布式存儲計算等能力,實現終端業務需求,減低網絡負載,從而進行靈活自適應的網絡管理[11]。在最新的研究中,將霧無線接入網的分布式AI技術、多維資源優化、智能信號處理作為主要研究方向[12]。霧無線接入網為地面霧計算的應用場景提供了極大的擴展,為通信感知計算融合理論提供了應用基石。

1.2.2 霧節點任務遷移

霧計算架構下的算力協同主要以任務遷移、計算卸載的形式進行,其關鍵指標為任務執行的時間和能耗,針對執行時間最小化的優化目標,采用馬爾可夫決策、李雅普諾夫優化算法、自適應算法、強化學習等,對任務遷移的路由、時隙等進行優化,從而獲得更低時延[13]。針對能量消耗的優化目標,采用切分子任務、無環有向圖、在線學習、動態規劃、組合優化等手段和方法降低節點總能耗[14]。部分研究中聯合優化了兩個目標,通過考慮通信、計算、感知等多項指標進行綜合優化。

1.2.3 霧節點資源共享

由于霧節點的單點資源規模遠低于云節點,在進行需要大量資源的服務時,多節點資源聯合共享是此類問題的有效解決方案[15]。資源共享技術使得整個霧計算網絡中的計算、感知、存儲等資源能夠共享,從而能夠采用多點協同的方式進行業務服務。為了在并發協同服務中平衡各個節點資源需求的公平性、避免“公共悲劇”出現,研究者們提出了區塊鏈、支付策略、區分策略等方案[16]。霧節點資源共享的主旨是在節點具備空余資源時,將空閑資源提供給有超額資源需求的節點,從而進行節點間協同,提高網絡資源利用率。

1.2.4 霧計算資源分配

霧計算中的資源分配一向是領域內的熱點,由于更側重于分布式協同,資源分配技術在霧計算中占據著重要地位,霧計算中的資源分配往往是借助網絡,將計算、感知等資源分配到某個業務。資源分配的目標是提高資源利用率,增強業務處理能力。針對上述目標,研究者們采用了納什均衡、多臂博弈、強化學習、整數規劃等方法對霧計算網絡中的資源進行整合調度,從而使資源分配方案收斂到相對均衡的狀態[17]。

2 面向衛星通信的6G霧計算網絡

覆蓋面積大、容量高的衛星通信技術可以擺脫地形限制,為全球用戶提供泛在的通信、計算服務,充分彌補地面蜂窩通信網絡的不足。同時,相較地面移動通信網絡,衛星通信具有研發周期短、在軌運行不易受自然災害影響的優勢[18]。低軌衛星體積小、質量輕、集成化程度高、制作成本低,有著極大的商業化應用前景。衛星通信系統與地面通信網絡優勢互補,是實現6G互聯互通、萬物智聯的關鍵技術。

2.1 國外衛星通信現狀

2.1.1 國際海事衛星移動通信系統Inmarsat

作為最早的國際海事衛星移動通信系統,Inmarsat采用同步軌道衛星為海上船舶提供通信服務。至今該系統已經歷經了五代,目前在軌第四代系統正在使用,并且開始建設第五代系統。Inmarsat初代系統通過租用衛星來實現特定功能,直到20世紀90年代初,才自主發射了第二代衛星星座網。Inmarsat系統前三代系統為全球海事業務提供低帶寬通信和安全保障。從第四代系統開始,Inmarsat開發了首個提供全球覆蓋的衛星通信系統全球區域寬帶網絡(Broadband Global Area Network,BGAN),具備數據分組交換的能力,實現了更高的數據帶寬。從2010年開始,Inmarsat提出由5顆衛星構建的Global Xpress(GX)系列衛星,采用Ka頻段為航海、航空等更多的業務場景提供通信保障[19]。

2.1.2 銥星系統

銥星(Iridium)系統是由摩托羅拉公司提出的全球首個個人衛星移動通信系統,通過星間鏈路搭建天基網絡為全球用戶提供通信服務。銥星一代系統于1997年首發,至2007年建設完成。該系統由66顆低軌衛星和6顆備用星構成空間衛星段,分布在6個高度約為780 km的軌道平面上。一代系統主要為用戶提供話音、短信、數據通信等業務。銥星二代系統于2007年提出建設,計劃于2017年完成部署。二代系統承載了一代系統的全部業務功能,并且在通信容量、話音質量等方面有了很大的進步[20]。

2.1.3 星鏈

星鏈(Starlink)是由美國SpaceX公司提出的大型低軌衛星星座系統為全球用戶,特別是偏遠地區用戶提供衛星互聯網服務。該計劃于2015年提出,在第一階段于550 km軌道高度處部署1 584顆衛星。2019年,SpaceX公司計劃追加部署30 000顆星鏈衛星,以構建一個衛星總數約為42 000顆的巨型星座網絡。基于SpaceX獵鷹火箭相對較低的生產成本和強大的運力,星鏈衛星得以快速部署[21]。目前Starlink在軌衛星數量占世界在軌航天器總數的一半。SpaceX公司表示星鏈可以為地面用戶提供至少1 Gbit/s速率的數據傳輸服務,并實現較低的傳輸時延。Starlink系統的部署將衛星通信技術推向了一個新的高度。

2.2 國內衛星通信發展現狀

2.2.1 “天通一號”

2016年8月6日,國內衛星移動通信系統的首發星“天通一號”01星在中國西昌衛星發射中心成功升空。“天通一號”衛星通信系統部署于地球同步靜止軌道,由空間段、地面段和用戶段三部分構成。系統部署完成后可以實現全球覆蓋,為航海、航空、地面用戶提供服務。

2.2.2 “虹云”

“虹云”系統是我國航天科工集團設計研發的全國首個低軌道衛星通信系統[22],可以為全球用戶提供通信服務。此外,由于系統集成了導航、遙感等功能,對實現衛星通導遙一體化有著重要意義。

2.2.3 “鴻雁”系統

“鴻雁”系統由我國航天科技集團研發,2018年發射首顆衛星,并計劃于2023年完成骨干衛星網絡部署。系統通過部署低軌道衛星星座融合導航增強功能,解決當前系統短板,提供更高質量的導航定位服務[23]。

2.3 面向衛星場景的霧計算網絡架構

車聯網、沉浸式虛擬現實等新興業務場景的涌現,帶來了地面用戶設備數據量的急劇增長,為6G網絡設計部署提出了新的挑戰。衛星通信作為6G移動通信網絡的關鍵技術之一,亟需新型網絡架構提供支持[24]。同時,為實現極低時延、超高速率、超鏈接、全域覆蓋的空天地海一體化網絡藍圖,結合當前邊緣計算、云計算等AI技術優勢是十分必要的[25]。因此本文提出一種新型的面向衛星場景的霧計算網絡架構,如圖2所示,并對其功能模塊進行了分析討論[26]。

面向不同的用戶場景和性能需求,在傳統以基站為中心的無線接入網基礎上,增加地面霧節點和衛星霧節點,通過云霧協作的衛星網絡架構,提升信號傳輸速率和質量,降低信息傳輸處理時延,滿足多樣化的業務要求。

地面通信系統利用云服務器提供資源的管理、信號處理、功率分配、接入控制等功能。基站作為云網絡控制中心,結合AI模型訓練,進行策略更新、網絡管理等功能,優化提升網絡性能。地面霧節點和由低軌衛星星座為主構成的衛星霧節點可以提供分布式龐大的分布式算力。云網絡控制中心可以根據能耗和時延要求,將網絡任務分別向云網絡層和霧節點處進行計算卸載,基于任務感知實現網絡的自動編排和動態組網,通過云霧計算協同和計算卸載的方式,可以最大化網絡吞吐量,提升用戶體驗。同時,針對地面通信網絡難以支撐的低空、海上用戶,衛星全時全域的覆蓋能力和地面節點協同補充,對構建高速率、低時延、全覆蓋6G空天地海一體化網絡有重要的意義。

3 關鍵技術

面向智能衛星通信的6G霧計算系統通過將衛星通信與霧計算系統相結合,進行衛星通信資源、計算資源、感知資源的協調部署,滿足衛星智能組網、協作計算、自主決策與高性能需求的智能服務需求。為了實現對衛星霧計算網絡中通信、感知、計算、存儲等資源的高效利用,建設符合6G需求的智能衛星通信霧計算系統,尚有以下需要突破的關鍵技術:協作計算、網絡虛擬化、數據緩存與預取、智能路由與負載均衡、安全與隱私保護。

3.1 協作計算

協作計算是低軌衛星霧計算網絡中的一種創新處理模式和技術途徑。它融合了低軌衛星、霧計算和邊緣計算的特點,旨在提高遙感數據的星上處理能力,實現更高效快速的數據處理和響應。

低軌衛星運行在較低的軌道高度,飛行速度較快,能夠頻繁覆蓋目標區域并獲取高分辨率的遙感圖像數據。在傳統的遙感衛星數據處理方式中,數據通常需要全部下傳至地面處理中心,然后再進行處理,這導致了較大的數據傳輸壓力和時延。而衛星協作計算通過在衛星載荷端部署計算資源,利用協作計算技術在衛星側進行數據處理、分析和存儲,可以在衛星上就近處理部分數據,減少對地面傳輸的依賴,降低通信壓力和時延。

協作計算賦能低軌衛星更強的自主處理能力。衛星邊緣云可以具備自主態勢感知、自主任務規劃、自主數據處理等能力。衛星可以自主發現感興趣的區域或對象,規劃并執行任務,生成動作執行指令,從而實現自主化的遙感觀測和處理。這樣的自主性可以提高衛星對地面需求的快速響應能力,特別對于災后救援和緊急監測等應用具有重要意義。此外,當地面站發生故障時,衛星協作計算能力可以自主調整和協同處理任務,從而增強了衛星系統的彈性和穩健性。

3.2 網絡虛擬化

低軌衛星霧計算網絡中的網絡虛擬化是通過軟件定義網絡(Software Defined Network,SDN)和網絡功能虛擬化(Network Function Virtualization,NFV)等技術手段,將網絡資源進行抽象化,將網絡功能和服務從底層硬件中解耦,實現更靈活、高效、可編程的網絡管理和服務交付。

衛星網絡面臨資源有限、多類型、分布式等問題,虛擬化技術能夠將實體資源和功能性資源抽象為邏輯資源,消除資源實體間的差異性和隔離性,從而解決資源瓶頸,提高資源利用效率。虛擬化技術在衛星網絡資源管理中的應用可以提高網絡性能和可靠性,通過靈活的資源調配和優化,滿足不同任務場景下的網絡需求,確保數據傳輸的高效性和優先級。

總體而言,虛擬化技術在衛星網絡資源管理中發揮著重要作用。它能夠解決資源有限、多樣化和分布式的問題,提供靈活的網絡服務和資源調配,改善網絡性能和可靠性,為不同任務需求提供個性化的資源分配方案。隨著航天和網絡技術的不斷發展,網絡虛擬化技術在衛星網絡領域的應用前景將會更加廣闊。

3.3 數據緩存與預取

低軌衛星霧計算網絡的數據緩存與預取技術是為了優化數據傳輸和提高用戶體驗而采取的策略。在面臨傳輸延遲較高或網絡不穩定的情況下,這些技術可以減少用戶等待時間、提高數據訪問效率。

數據緩存是將用戶經常訪問或可能需要的數據暫時存儲在本地或邊緣設備上,以便快速訪問。在低軌衛星霧計算網絡中,衛星和地面設備可以設置數據緩存區域,將常用數據存儲在離用戶更近的位置。用戶請求數據時,先檢查本地緩存是否有所需數據,如果有,則直接返回,減少對遠程服務器的訪問時間。

對不同類型的數據或用戶,可以設置不同的數據優先級。對于緊急任務或高優先級用戶,在低軌衛星霧計算網絡中,可以優先緩存或預取相關數據,提高數據傳輸效率。考慮到可能存在多個衛星或地面設備,同一份數據可能有多個副本,因此,在數據緩存與預取技術中需要考慮數據副本的管理,確保數據的一致性和有效利用。數據請求調度算法可以根據當前網絡狀況和用戶需求,動態決定數據的緩存與預取策略,以適應不同的網絡環境和用戶場景。

通過合理的數據緩存與預取技術,低軌衛星霧計算網絡可以降低用戶等待時間,提高數據傳輸效率,優化用戶體驗;同時減輕網絡負載,優化網絡性能。這些技術在低軌衛星霧計算網絡中具有重要的應用價值,特別在面對高延遲和不穩定網絡環境時發揮重要作用。

3.4 智能路由與負載均衡

低軌衛星霧計算網絡采用智能路由和負載均衡技術,旨在優化數據傳輸和提高用戶體驗。由于網絡涉及多個衛星、地面節點和用戶設備的通信,傳統靜態路由無法適應網絡的動態性。智能路由技術根據實時網絡拓撲和鏈路狀態,動態選擇最佳傳輸路徑,減少延遲和丟包率。負載均衡技術能夠在不同路徑上均勻分配數據流量,提高網絡性能。

在低軌衛星霧計算網絡中,智能路由技術考慮了鏈路質量、擁塞情況和數據實時性要求,選擇質量較好且傳輸時延較低的路徑進行數據傳輸。同時,針對緊急任務或高優先級用戶,優先傳輸相關數據,確保其數據得到及時處理和響應。而負載均衡技術監測各節點的負載情況和鏈路帶寬,將數據流量分配到負載較輕或帶寬較大的節點和鏈路上,以提高整體數據傳輸速度和質量。

綜合運用智能路由和負載均衡技術,低軌衛星霧計算網絡可以實現高效、穩定的數據傳輸,提高網絡可靠性和性能。這對滿足多樣化的用戶需求,保障衛星網絡的運行效率和數據傳輸質量具有重要意義。隨著低軌衛星霧計算網絡的不斷發展,智能路由和負載均衡技術的應用前景將更加廣闊,為網絡的持續優化和提升用戶體驗帶來更多機遇。

3.5 安全與隱私保護

在低軌衛星霧計算網絡中,衛星網絡中傳輸的數據可能涉及商業、科研等敏感信息,因此必須使用強大的加密算法來保護數據的機密性,確保數據在傳輸過程中不會被未授權的第三方獲取。對于高度敏感的數據,還可以考慮使用端到端的加密技術。對于傳輸的敏感數據,應使用加密技術對數據進行加密,確保數據在傳輸過程中不被竊取或篡改。同時,對于網絡中的用戶和設備,應實施身份認證機制,防止未經授權的訪問。此外,部署衛星網絡防火墻和入侵檢測系統及時識別和攔截潛在的網絡攻擊,防止惡意用戶或黑客入侵系統,保護網絡的安全性。對于用戶的個人信息和敏感數據,應采取隱私保護技術和數據匿名化措施,確保用戶隱私不被泄露。

衛星網絡也可能面臨來自網絡攻擊者的拒絕服務攻擊,導致網絡不可用。建立抗DDoS攻擊的防御機制,包括流量過濾、流量清洗和網絡容量擴展等,是必要的。還在衛星節點部署網絡監控系統和入侵檢測系統,及時發現和應對網絡中的安全威脅,包括未經授權的訪問、異常流量和攻擊行為。

衛星網絡的安全是全球性的挑戰,需要各國之間進行合作和信息共享。同時,各國應建立相關的政策法規,規范衛星網絡的安全管理和使用。在高度連接的未來,網絡安全與隱私保護是必不可少的重要環節,需要得到持續的關注和加強。

4 展望

衛星霧計算通信網絡通過構建天基網絡與地基網絡優勢互補、互相耦合,能夠提供更大規模的覆蓋面積、支持更多樣化的業務服務、實現更智能化的網絡管理,發展前景廣闊,已成為6G的研究重點之一。

應急通信保障6G衛星通信網絡具備通信距離遠、覆蓋面積大、不受地形環境影響且分組靈活等優點。在自然災害、戰爭等突發事件地區,地面通信網絡癱瘓時,可以迅速構建通信鏈路,及時為用戶提供應急通信保障。

賦能AI衛星網絡隨著衛星業務類型的多樣化,AI技術的相關應用可以為衛星資源管理、數據處理、信息融合等諸多方面提供輔助。同時,衛星路由管理、通信抗干擾等衛星通信相關的AI算法研究表現出了巨大的潛力。

賦能算力網絡無人機、自動駕駛等新型場景涌現出的數據量激增,需要更高的網絡化算力支撐。衛星通信擺脫地形環境的限制,和地面通信網絡相互補充,將分散的算力節點進行鏈接,賦能算力網絡發展[19]。

手機直連衛星近年來,衛星載荷、火箭運輸等技術不斷突破,特別是低軌衛星,一箭多星等技術有利于衛星快速密集組網,衛星的部署成本不斷降低,并且低軌道空間資源豐富,對地信號強度高,有利于通信的實現。低軌衛星也可以適應地面通信協議,通過服務手機直連衛星,擺脫地形時間束縛,實現衛星通信功能。

基于透明轉發的非陸地通信網絡(Non-Terrestrial Network,NTN)技術由于受限于星上天線規模,低軌衛星組網條件下實現多波束的靜態全覆蓋的實現成本難以承受,更適合于具有透明轉發能力的高軌衛星使用。同時,星上處理和透明轉發無論是異星還是同星混合組網,均需要更多的頻率資源、功率資源支撐,同時終端存在跨代問題,很難與地面現有終端甚至是后續NTN終端復用。因而,隨著星上處理能力提升,基于星上處理的低軌衛星模式將是面向6G天地一體的主要演進方向,同時,由于地面時分雙工(Time Division Duplexing)頻率資源相對豐富,未來6G采用效率更高的TDD模式也會是天地一體空口演進的重要方向。

5 結束語

在“空天地海一體化、萬物智聯、AI內生”等6G愿景的驅動下,6G應當能夠為任何人、機、物提供任何時間、任何地點的互聯互通,實現全場景的通信需求。衛星網絡通信時延、資源容量、拓撲動態等特性,與霧計算網絡的特性深度契合,構建6G智能衛星霧計算通信網絡將為6G愿景的實現提供有力支撐。本文對面向智能衛星通信的6G霧計算網絡的發展現狀做了廣泛分析,并提出一種網絡架構,探討其關鍵技術及面臨的挑戰。

能夠預見,作為支撐6G愿景的關鍵技術,智能衛星霧計算網絡將在未來15年內成為地表網絡的有效補充,拓寬人類通信范圍,增強用戶空域泛在連接的關鍵技術。同時,作為不易受自然災害影響的通信基礎設施,智能衛星霧計算網絡將能夠在人類應對自然災害、維護主體安全、保障社會服務等方面提供有力支撐。