面向衛(wèi)星通信的6G霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(xué) 信息與通信工程學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100876)

0 引言

隨著5G的商業(yè)應(yīng)用,6G也隨之提出并不斷發(fā)展。相比更前一代的通信技術(shù),5G在大帶寬、低時(shí)延、海量終端等場(chǎng)景下提供了高質(zhì)量服務(wù),有利推進(jìn)了科技社會(huì)進(jìn)步。然而,目前依然有80%的陸地、95%的海洋區(qū)域是網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋的;同時(shí)5G網(wǎng)絡(luò)僅能覆蓋地表10 km高度以內(nèi)的區(qū)域,存在大量網(wǎng)絡(luò)空白區(qū)域[1]。6G在5G的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了“空天地海一體化”的愿景,以全球無(wú)縫覆蓋為目標(biāo),提供“泛在連接”的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。衛(wèi)星通信作為地面網(wǎng)絡(luò)的重要補(bǔ)充,成為了6G研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一[2]。

6G的核心包括網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、感知、緩存等[3],網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)作為6G的骨架,是連接各個(gè)網(wǎng)元、傳輸數(shù)據(jù)、提供業(yè)務(wù)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(tǒng)架構(gòu)難以滿足日趨復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò),霧計(jì)算(Fog Computing)是一種分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),與傳統(tǒng)的云計(jì)算相比,霧計(jì)算更注重網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)網(wǎng)元的協(xié)作與資源共享,其服務(wù)核心在于云與邊緣之間的節(jié)點(diǎn)間分布式計(jì)算[4]。由于衛(wèi)星在軌能源依賴于光伏的特點(diǎn),單個(gè)衛(wèi)星的算力等資源受限,再加以衛(wèi)星的移動(dòng)性,單星提供持續(xù)性服務(wù)的能力受到極大限制。因此,多星協(xié)作的服務(wù)模式成為必然發(fā)展趨勢(shì),霧計(jì)算使能的衛(wèi)星通信不僅能夠滿足6G的低時(shí)延、大容量、廣連接等需求,還能使衛(wèi)星各個(gè)功能互惠增強(qiáng)。但是不同衛(wèi)星在系統(tǒng)架構(gòu)、功能模塊、關(guān)鍵技術(shù)等方面存在明顯差異,要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信的霧計(jì)算,需要聯(lián)合大量衛(wèi)星,充分考慮其共性及特異性,借助霧計(jì)算及AI等技術(shù)打造可靠的協(xié)作組網(wǎng)和服務(wù)模式。當(dāng)前,衛(wèi)星通信作為6G研究的熱點(diǎn),面臨著通信以透明轉(zhuǎn)發(fā)為主、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡(jiǎn)單、單星算力較弱,難以滿足6G“空天地海”一體化、低時(shí)延、高能效的需求[5]。本文主要針對(duì)以上內(nèi)容,介紹了6G霧計(jì)算與智能衛(wèi)星通信結(jié)合的背景、研究現(xiàn)狀,提出了衛(wèi)星通信場(chǎng)景下的霧計(jì)算架構(gòu),分析了關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn),并對(duì)未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 6G霧計(jì)算背景與現(xiàn)狀

1.1 研究背景

6G在5G基礎(chǔ)上,針對(duì)更廣闊的范圍、更精細(xì)的場(chǎng)景,對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求,在通信性能以外,計(jì)算性能也成為了關(guān)鍵指標(biāo)之一[6]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)正在建設(shè)的算力網(wǎng)絡(luò),已經(jīng)是算網(wǎng)一體的雛形,通信與計(jì)算的融合既作為霧計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù),又是6G的重要組成部分,即6G網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)網(wǎng)元、節(jié)點(diǎn)均具備計(jì)算能力,構(gòu)建成為霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò),各節(jié)點(diǎn)以算力協(xié)同、共享的方式提供優(yōu)質(zhì)的霧計(jì)算服務(wù),是一個(gè)先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算概念[7]。從架構(gòu)而言,霧計(jì)算的各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)的中間層,即邊緣與云之間的全部通信、計(jì)算節(jié)點(diǎn),其特性注定了各個(gè)霧節(jié)點(diǎn)之間的架構(gòu)、功能都存在很大差異,如何能夠規(guī)范、通用地設(shè)計(jì)霧計(jì)算架構(gòu),將霧節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一編排調(diào)度,是6G霧計(jì)算研究的關(guān)鍵方向。

1.2 研究現(xiàn)狀

霧計(jì)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(jì)算是面向分布式計(jì)算的一種基礎(chǔ)架構(gòu),由計(jì)算能力相對(duì)較弱的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成[8]。在地面網(wǎng)絡(luò)中,得益于光纖骨干網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),云計(jì)算迅速成為地面網(wǎng)絡(luò)的主要架構(gòu),因?yàn)楣饫w骨干網(wǎng)的時(shí)延相對(duì)較低,云服務(wù)的時(shí)延大多在可接受范圍內(nèi)。然而在衛(wèi)星通信中,由高算力平臺(tái)構(gòu)成的云服務(wù)中心主要部署在地面,當(dāng)終端進(jìn)行云計(jì)算時(shí)需要經(jīng)過(guò)多次星地鏈路從而導(dǎo)致難以忍受的時(shí)延[9]。因此,在衛(wèi)星通信中,霧計(jì)算是優(yōu)先級(jí)更高的選擇,有關(guān)衛(wèi)星霧計(jì)算的研究尚處于起步階段。當(dāng)前,6G霧計(jì)算的研究主要分為了幾個(gè)方向:霧無(wú)線接入網(wǎng)、霧節(jié)點(diǎn)任務(wù)遷移、資源共享、資源分配[10]。

圖1 霧計(jì)算層級(jí)架構(gòu)Fig.1 Layered architecture of fog computing

1.2.1 霧無(wú)線接入網(wǎng)

霧無(wú)線接入網(wǎng)是一種從霧計(jì)算發(fā)展而來(lái),采用分布式架構(gòu),以無(wú)線接入站為霧節(jié)點(diǎn),通過(guò)利用節(jié)點(diǎn)的信號(hào)處理、協(xié)作資源管理和分布式存儲(chǔ)計(jì)算等能力,實(shí)現(xiàn)終端業(yè)務(wù)需求,減低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,從而進(jìn)行靈活自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)管理[11]。在最新的研究中,將霧無(wú)線接入網(wǎng)的分布式AI技術(shù)、多維資源優(yōu)化、智能信號(hào)處理作為主要研究方向[12]。霧無(wú)線接入網(wǎng)為地面霧計(jì)算的應(yīng)用場(chǎng)景提供了極大的擴(kuò)展,為通信感知計(jì)算融合理論提供了應(yīng)用基石。

1.2.2 霧節(jié)點(diǎn)任務(wù)遷移

霧計(jì)算架構(gòu)下的算力協(xié)同主要以任務(wù)遷移、計(jì)算卸載的形式進(jìn)行,其關(guān)鍵指標(biāo)為任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間和能耗,針對(duì)執(zhí)行時(shí)間最小化的優(yōu)化目標(biāo),采用馬爾可夫決策、李雅普諾夫優(yōu)化算法、自適應(yīng)算法、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等,對(duì)任務(wù)遷移的路由、時(shí)隙等進(jìn)行優(yōu)化,從而獲得更低時(shí)延[13]。針對(duì)能量消耗的優(yōu)化目標(biāo),采用切分子任務(wù)、無(wú)環(huán)有向圖、在線學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、組合優(yōu)化等手段和方法降低節(jié)點(diǎn)總能耗[14]。部分研究中聯(lián)合優(yōu)化了兩個(gè)目標(biāo),通過(guò)考慮通信、計(jì)算、感知等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合優(yōu)化。

1.2.3 霧節(jié)點(diǎn)資源共享

由于霧節(jié)點(diǎn)的單點(diǎn)資源規(guī)模遠(yuǎn)低于云節(jié)點(diǎn),在進(jìn)行需要大量資源的服務(wù)時(shí),多節(jié)點(diǎn)資源聯(lián)合共享是此類問(wèn)題的有效解決方案[15]。資源共享技術(shù)使得整個(gè)霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算、感知、存儲(chǔ)等資源能夠共享,從而能夠采用多點(diǎn)協(xié)同的方式進(jìn)行業(yè)務(wù)服務(wù)。為了在并發(fā)協(xié)同服務(wù)中平衡各個(gè)節(jié)點(diǎn)資源需求的公平性、避免“公共悲劇”出現(xiàn),研究者們提出了區(qū)塊鏈、支付策略、區(qū)分策略等方案[16]。霧節(jié)點(diǎn)資源共享的主旨是在節(jié)點(diǎn)具備空余資源時(shí),將空閑資源提供給有超額資源需求的節(jié)點(diǎn),從而進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間協(xié)同,提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

1.2.4 霧計(jì)算資源分配

霧計(jì)算中的資源分配一向是領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn),由于更側(cè)重于分布式協(xié)同,資源分配技術(shù)在霧計(jì)算中占據(jù)著重要地位,霧計(jì)算中的資源分配往往是借助網(wǎng)絡(luò),將計(jì)算、感知等資源分配到某個(gè)業(yè)務(wù)。資源分配的目標(biāo)是提高資源利用率,增強(qiáng)業(yè)務(wù)處理能力。針對(duì)上述目標(biāo),研究者們采用了納什均衡、多臂博弈、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、整數(shù)規(guī)劃等方法對(duì)霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的資源進(jìn)行整合調(diào)度,從而使資源分配方案收斂到相對(duì)均衡的狀態(tài)[17]。

2 面向衛(wèi)星通信的6G霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)

覆蓋面積大、容量高的衛(wèi)星通信技術(shù)可以擺脫地形限制,為全球用戶提供泛在的通信、計(jì)算服務(wù),充分彌補(bǔ)地面蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的不足。同時(shí),相較地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),衛(wèi)星通信具有研發(fā)周期短、在軌運(yùn)行不易受自然災(zāi)害影響的優(yōu)勢(shì)[18]。低軌衛(wèi)星體積小、質(zhì)量輕、集成化程度高、制作成本低,有著極大的商業(yè)化應(yīng)用前景。衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),是實(shí)現(xiàn)6G互聯(lián)互通、萬(wàn)物智聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 國(guó)外衛(wèi)星通信現(xiàn)狀

2.1.1 國(guó)際海事衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)Inmarsat

作為最早的國(guó)際海事衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng),Inmarsat采用同步軌道衛(wèi)星為海上船舶提供通信服務(wù)。至今該系統(tǒng)已經(jīng)歷經(jīng)了五代,目前在軌第四代系統(tǒng)正在使用,并且開(kāi)始建設(shè)第五代系統(tǒng)。Inmarsat初代系統(tǒng)通過(guò)租用衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)特定功能,直到20世紀(jì)90年代初,才自主發(fā)射了第二代衛(wèi)星星座網(wǎng)。Inmarsat系統(tǒng)前三代系統(tǒng)為全球海事業(yè)務(wù)提供低帶寬通信和安全保障。從第四代系統(tǒng)開(kāi)始,Inmarsat開(kāi)發(fā)了首個(gè)提供全球覆蓋的衛(wèi)星通信系統(tǒng)全球區(qū)域?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)(Broadband Global Area Network,BGAN),具備數(shù)據(jù)分組交換的能力,實(shí)現(xiàn)了更高的數(shù)據(jù)帶寬。從2010年開(kāi)始,Inmarsat提出由5顆衛(wèi)星構(gòu)建的Global Xpress(GX)系列衛(wèi)星,采用Ka頻段為航海、航空等更多的業(yè)務(wù)場(chǎng)景提供通信保障[19]。

2.1.2 銥星系統(tǒng)

銥星(Iridium)系統(tǒng)是由摩托羅拉公司提出的全球首個(gè)個(gè)人衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng),通過(guò)星間鏈路搭建天基網(wǎng)絡(luò)為全球用戶提供通信服務(wù)。銥星一代系統(tǒng)于1997年首發(fā),至2007年建設(shè)完成。該系統(tǒng)由66顆低軌衛(wèi)星和6顆備用星構(gòu)成空間衛(wèi)星段,分布在6個(gè)高度約為780 km的軌道平面上。一代系統(tǒng)主要為用戶提供話音、短信、數(shù)據(jù)通信等業(yè)務(wù)。銥星二代系統(tǒng)于2007年提出建設(shè),計(jì)劃于2017年完成部署。二代系統(tǒng)承載了一代系統(tǒng)的全部業(yè)務(wù)功能,并且在通信容量、話音質(zhì)量等方面有了很大的進(jìn)步[20]。

2.1.3 星鏈

星鏈(Starlink)是由美國(guó)SpaceX公司提出的大型低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)為全球用戶,特別是偏遠(yuǎn)地區(qū)用戶提供衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。該計(jì)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(wèi)星。2019年,SpaceX公司計(jì)劃追加部署30 000顆星鏈衛(wèi)星,以構(gòu)建一個(gè)衛(wèi)星總數(shù)約為42 000顆的巨型星座網(wǎng)絡(luò)。基于SpaceX獵鷹火箭相對(duì)較低的生產(chǎn)成本和強(qiáng)大的運(yùn)力,星鏈衛(wèi)星得以快速部署[21]。目前Starlink在軌衛(wèi)星數(shù)量占世界在軌航天器總數(shù)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(shù)據(jù)傳輸服務(wù),并實(shí)現(xiàn)較低的傳輸時(shí)延。Starlink系統(tǒng)的部署將衛(wèi)星通信技術(shù)推向了一個(gè)新的高度。

2.2 國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1 “天通一號(hào)”

2016年8月6日,國(guó)內(nèi)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的首發(fā)星“天通一號(hào)”01星在中國(guó)西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功升空。“天通一號(hào)”衛(wèi)星通信系統(tǒng)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(gòu)成。系統(tǒng)部署完成后可以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋,為航海、航空、地面用戶提供服務(wù)。

2.2.2 “虹云”

“虹云”系統(tǒng)是我國(guó)航天科工集團(tuán)設(shè)計(jì)研發(fā)的全國(guó)首個(gè)低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)[22],可以為全球用戶提供通信服務(wù)。此外,由于系統(tǒng)集成了導(dǎo)航、遙感等功能,對(duì)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通導(dǎo)遙一體化有著重要意義。

2.2.3 “鴻雁”系統(tǒng)

“鴻雁”系統(tǒng)由我國(guó)航天科技集團(tuán)研發(fā),2018年發(fā)射首顆衛(wèi)星,并計(jì)劃于2023年完成骨干衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)部署。系統(tǒng)通過(guò)部署低軌道衛(wèi)星星座融合導(dǎo)航增強(qiáng)功能,解決當(dāng)前系統(tǒng)短板,提供更高質(zhì)量的導(dǎo)航定位服務(wù)[23]。

2.3 面向衛(wèi)星場(chǎng)景的霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

車(chē)聯(lián)網(wǎng)、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)等新興業(yè)務(wù)場(chǎng)景的涌現(xiàn),帶來(lái)了地面用戶設(shè)備數(shù)據(jù)量的急劇增長(zhǎng),為6G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)部署提出了新的挑戰(zhàn)。衛(wèi)星通信作為6G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一,亟需新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提供支持[24]。同時(shí),為實(shí)現(xiàn)極低時(shí)延、超高速率、超鏈接、全域覆蓋的空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)藍(lán)圖,結(jié)合當(dāng)前邊緣計(jì)算、云計(jì)算等AI技術(shù)優(yōu)勢(shì)是十分必要的[25]。因此本文提出一種新型的面向衛(wèi)星場(chǎng)景的霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),如圖2所示,并對(duì)其功能模塊進(jìn)行了分析討論[26]。

面向不同的用戶場(chǎng)景和性能需求,在傳統(tǒng)以基站為中心的無(wú)線接入網(wǎng)基礎(chǔ)上,增加地面霧節(jié)點(diǎn)和衛(wèi)星霧節(jié)點(diǎn),通過(guò)云霧協(xié)作的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),提升信號(hào)傳輸速率和質(zhì)量,降低信息傳輸處理時(shí)延,滿足多樣化的業(yè)務(wù)要求。

地面通信系統(tǒng)利用云服務(wù)器提供資源的管理、信號(hào)處理、功率分配、接入控制等功能。基站作為云網(wǎng)絡(luò)控制中心,結(jié)合AI模型訓(xùn)練,進(jìn)行策略更新、網(wǎng)絡(luò)管理等功能,優(yōu)化提升網(wǎng)絡(luò)性能。地面霧節(jié)點(diǎn)和由低軌衛(wèi)星星座為主構(gòu)成的衛(wèi)星霧節(jié)點(diǎn)可以提供分布式龐大的分布式算力。云網(wǎng)絡(luò)控制中心可以根據(jù)能耗和時(shí)延要求,將網(wǎng)絡(luò)任務(wù)分別向云網(wǎng)絡(luò)層和霧節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行計(jì)算卸載,基于任務(wù)感知實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)編排和動(dòng)態(tài)組網(wǎng),通過(guò)云霧計(jì)算協(xié)同和計(jì)算卸載的方式,可以最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量,提升用戶體驗(yàn)。同時(shí),針對(duì)地面通信網(wǎng)絡(luò)難以支撐的低空、海上用戶,衛(wèi)星全時(shí)全域的覆蓋能力和地面節(jié)點(diǎn)協(xié)同補(bǔ)充,對(duì)構(gòu)建高速率、低時(shí)延、全覆蓋6G空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)有重要的意義。

3 關(guān)鍵技術(shù)

面向智能衛(wèi)星通信的6G霧計(jì)算系統(tǒng)通過(guò)將衛(wèi)星通信與霧計(jì)算系統(tǒng)相結(jié)合,進(jìn)行衛(wèi)星通信資源、計(jì)算資源、感知資源的協(xié)調(diào)部署,滿足衛(wèi)星智能組網(wǎng)、協(xié)作計(jì)算、自主決策與高性能需求的智能服務(wù)需求。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中通信、感知、計(jì)算、存儲(chǔ)等資源的高效利用,建設(shè)符合6G需求的智能衛(wèi)星通信霧計(jì)算系統(tǒng),尚有以下需要突破的關(guān)鍵技術(shù):協(xié)作計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、數(shù)據(jù)緩存與預(yù)取、智能路由與負(fù)載均衡、安全與隱私保護(hù)。

3.1 協(xié)作計(jì)算

協(xié)作計(jì)算是低軌衛(wèi)星霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的一種創(chuàng)新處理模式和技術(shù)途徑。它融合了低軌衛(wèi)星、霧計(jì)算和邊緣計(jì)算的特點(diǎn),旨在提高遙感數(shù)據(jù)的星上處理能力,實(shí)現(xiàn)更高效快速的數(shù)據(jù)處理和響應(yīng)。

低軌衛(wèi)星運(yùn)行在較低的軌道高度,飛行速度較快,能夠頻繁覆蓋目標(biāo)區(qū)域并獲取高分辨率的遙感圖像數(shù)據(jù)。在傳統(tǒng)的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理方式中,數(shù)據(jù)通常需要全部下傳至地面處理中心,然后再進(jìn)行處理,這導(dǎo)致了較大的數(shù)據(jù)傳輸壓力和時(shí)延。而衛(wèi)星協(xié)作計(jì)算通過(guò)在衛(wèi)星載荷端部署計(jì)算資源,利用協(xié)作計(jì)算技術(shù)在衛(wèi)星側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和存儲(chǔ),可以在衛(wèi)星上就近處理部分?jǐn)?shù)據(jù),減少對(duì)地面?zhèn)鬏數(shù)囊蕾?降低通信壓力和時(shí)延。

協(xié)作計(jì)算賦能低軌衛(wèi)星更強(qiáng)的自主處理能力。衛(wèi)星邊緣云可以具備自主態(tài)勢(shì)感知、自主任務(wù)規(guī)劃、自主數(shù)據(jù)處理等能力。衛(wèi)星可以自主發(fā)現(xiàn)感興趣的區(qū)域或?qū)ο?規(guī)劃并執(zhí)行任務(wù),生成動(dòng)作執(zhí)行指令,從而實(shí)現(xiàn)自主化的遙感觀測(cè)和處理。這樣的自主性可以提高衛(wèi)星對(duì)地面需求的快速響應(yīng)能力,特別對(duì)于災(zāi)后救援和緊急監(jiān)測(cè)等應(yīng)用具有重要意義。此外,當(dāng)?shù)孛嬲景l(fā)生故障時(shí),衛(wèi)星協(xié)作計(jì)算能力可以自主調(diào)整和協(xié)同處理任務(wù),從而增強(qiáng)了衛(wèi)星系統(tǒng)的彈性和穩(wěn)健性。

3.2 網(wǎng)絡(luò)虛擬化

低軌衛(wèi)星霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)虛擬化是通過(guò)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)等技術(shù)手段,將網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行抽象化,將網(wǎng)絡(luò)功能和服務(wù)從底層硬件中解耦,實(shí)現(xiàn)更靈活、高效、可編程的網(wǎng)絡(luò)管理和服務(wù)交付。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)面臨資源有限、多類型、分布式等問(wèn)題,虛擬化技術(shù)能夠?qū)?shí)體資源和功能性資源抽象為邏輯資源,消除資源實(shí)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(shù)在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管理中的應(yīng)用可以提高網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性,通過(guò)靈活的資源調(diào)配和優(yōu)化,滿足不同任務(wù)場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)需求,確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院蛢?yōu)先級(jí)。

總體而言,虛擬化技術(shù)在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管理中發(fā)揮著重要作用。它能夠解決資源有限、多樣化和分布式的問(wèn)題,提供靈活的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和資源調(diào)配,改善網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性,為不同任務(wù)需求提供個(gè)性化的資源分配方案。隨著航天和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的應(yīng)用前景將會(huì)更加廣闊。

3.3 數(shù)據(jù)緩存與預(yù)取

低軌衛(wèi)星霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)緩存與預(yù)取技術(shù)是為了優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸和提高用戶體驗(yàn)而采取的策略。在面臨傳輸延遲較高或網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的情況下,這些技術(shù)可以減少用戶等待時(shí)間、提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)效率。

數(shù)據(jù)緩存是將用戶經(jīng)常訪問(wèn)或可能需要的數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)在本地或邊緣設(shè)備上,以便快速訪問(wèn)。在低軌衛(wèi)星霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中,衛(wèi)星和地面設(shè)備可以設(shè)置數(shù)據(jù)緩存區(qū)域,將常用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在離用戶更近的位置。用戶請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí),先檢查本地緩存是否有所需數(shù)據(jù),如果有,則直接返回,減少對(duì)遠(yuǎn)程服務(wù)器的訪問(wèn)時(shí)間。

對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)或用戶,可以設(shè)置不同的數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)。對(duì)于緊急任務(wù)或高優(yōu)先級(jí)用戶,在低軌衛(wèi)星霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中,可以優(yōu)先緩存或預(yù)取相關(guān)數(shù)據(jù),提高數(shù)據(jù)傳輸效率。考慮到可能存在多個(gè)衛(wèi)星或地面設(shè)備,同一份數(shù)據(jù)可能有多個(gè)副本,因此,在數(shù)據(jù)緩存與預(yù)取技術(shù)中需要考慮數(shù)據(jù)副本的管理,確保數(shù)據(jù)的一致性和有效利用。數(shù)據(jù)請(qǐng)求調(diào)度算法可以根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況和用戶需求,動(dòng)態(tài)決定數(shù)據(jù)的緩存與預(yù)取策略,以適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和用戶場(chǎng)景。

通過(guò)合理的數(shù)據(jù)緩存與預(yù)取技術(shù),低軌衛(wèi)星霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)可以降低用戶等待時(shí)間,提高數(shù)據(jù)傳輸效率,優(yōu)化用戶體驗(yàn);同時(shí)減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。這些技術(shù)在低軌衛(wèi)星霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值,特別在面對(duì)高延遲和不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí)發(fā)揮重要作用。

3.4 智能路由與負(fù)載均衡

低軌衛(wèi)星霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)采用智能路由和負(fù)載均衡技術(shù),旨在優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸和提高用戶體驗(yàn)。由于網(wǎng)絡(luò)涉及多個(gè)衛(wèi)星、地面節(jié)點(diǎn)和用戶設(shè)備的通信,傳統(tǒng)靜態(tài)路由無(wú)法適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性。智能路由技術(shù)根據(jù)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜玩溌窢顟B(tài),動(dòng)態(tài)選擇最佳傳輸路徑,減少延遲和丟包率。負(fù)載均衡技術(shù)能夠在不同路徑上均勻分配數(shù)據(jù)流量,提高網(wǎng)絡(luò)性能。

在低軌衛(wèi)星霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中,智能路由技術(shù)考慮了鏈路質(zhì)量、擁塞情況和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求,選擇質(zhì)量較好且傳輸時(shí)延較低的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí),針對(duì)緊急任務(wù)或高優(yōu)先級(jí)用戶,優(yōu)先傳輸相關(guān)數(shù)據(jù),確保其數(shù)據(jù)得到及時(shí)處理和響應(yīng)。而負(fù)載均衡技術(shù)監(jiān)測(cè)各節(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況和鏈路帶寬,將數(shù)據(jù)流量分配到負(fù)載較輕或帶寬較大的節(jié)點(diǎn)和鏈路上,以提高整體數(shù)據(jù)傳輸速度和質(zhì)量。

綜合運(yùn)用智能路由和負(fù)載均衡技術(shù),低軌衛(wèi)星霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸,提高網(wǎng)絡(luò)可靠性和性能。這對(duì)滿足多樣化的用戶需求,保障衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率和數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量具有重要意義。隨著低軌衛(wèi)星霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展,智能路由和負(fù)載均衡技術(shù)的應(yīng)用前景將更加廣闊,為網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)優(yōu)化和提升用戶體驗(yàn)帶來(lái)更多機(jī)遇。

3.5 安全與隱私保護(hù)

在低軌衛(wèi)星霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中,衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能涉及商業(yè)、科研等敏感信息,因此必須使用強(qiáng)大的加密算法來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)的機(jī)密性,確保數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中不會(huì)被未授權(quán)的第三方獲取。對(duì)于高度敏感的數(shù)據(jù),還可以考慮使用端到端的加密技術(shù)。對(duì)于傳輸?shù)拿舾袛?shù)據(jù),應(yīng)使用加密技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密,確保數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中不被竊取或篡改。同時(shí),對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的用戶和設(shè)備,應(yīng)實(shí)施身份認(rèn)證機(jī)制,防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。此外,部署衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)防火墻和入侵檢測(cè)系統(tǒng)及時(shí)識(shí)別和攔截潛在的網(wǎng)絡(luò)攻擊,防止惡意用戶或黑客入侵系統(tǒng),保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的安全性。對(duì)于用戶的個(gè)人信息和敏感數(shù)據(jù),應(yīng)采取隱私保護(hù)技術(shù)和數(shù)據(jù)匿名化措施,確保用戶隱私不被泄露。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)也可能面臨來(lái)自網(wǎng)絡(luò)攻擊者的拒絕服務(wù)攻擊,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不可用。建立抗DDoS攻擊的防御機(jī)制,包括流量過(guò)濾、流量清洗和網(wǎng)絡(luò)容量擴(kuò)展等,是必要的。還在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)部署網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)和入侵檢測(cè)系統(tǒng),及時(shí)發(fā)現(xiàn)和應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的安全威脅,包括未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)、異常流量和攻擊行為。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的安全是全球性的挑戰(zhàn),需要各國(guó)之間進(jìn)行合作和信息共享。同時(shí),各國(guó)應(yīng)建立相關(guān)的政策法規(guī),規(guī)范衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的安全管理和使用。在高度連接的未來(lái),網(wǎng)絡(luò)安全與隱私保護(hù)是必不可少的重要環(huán)節(jié),需要得到持續(xù)的關(guān)注和加強(qiáng)。

4 展望

衛(wèi)星霧計(jì)算通信網(wǎng)絡(luò)通過(guò)構(gòu)建天基網(wǎng)絡(luò)與地基網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、互相耦合,能夠提供更大規(guī)模的覆蓋面積、支持更多樣化的業(yè)務(wù)服務(wù)、實(shí)現(xiàn)更智能化的網(wǎng)絡(luò)管理,發(fā)展前景廣闊,已成為6G的研究重點(diǎn)之一。

應(yīng)急通信保障6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)具備通信距離遠(yuǎn)、覆蓋面積大、不受地形環(huán)境影響且分組靈活等優(yōu)點(diǎn)。在自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭(zhēng)等突發(fā)事件地區(qū),地面通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓時(shí),可以迅速構(gòu)建通信鏈路,及時(shí)為用戶提供應(yīng)急通信保障。

賦能AI衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)隨著衛(wèi)星業(yè)務(wù)類型的多樣化,AI技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用可以為衛(wèi)星資源管理、數(shù)據(jù)處理、信息融合等諸多方面提供輔助。同時(shí),衛(wèi)星路由管理、通信抗干擾等衛(wèi)星通信相關(guān)的AI算法研究表現(xiàn)出了巨大的潛力。

賦能算力網(wǎng)絡(luò)無(wú)人機(jī)、自動(dòng)駕駛等新型場(chǎng)景涌現(xiàn)出的數(shù)據(jù)量激增,需要更高的網(wǎng)絡(luò)化算力支撐。衛(wèi)星通信擺脫地形環(huán)境的限制,和地面通信網(wǎng)絡(luò)相互補(bǔ)充,將分散的算力節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鏈接,賦能算力網(wǎng)絡(luò)發(fā)展[19]。

手機(jī)直連衛(wèi)星近年來(lái),衛(wèi)星載荷、火箭運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)不斷突破,特別是低軌衛(wèi)星,一箭多星等技術(shù)有利于衛(wèi)星快速密集組網(wǎng),衛(wèi)星的部署成本不斷降低,并且低軌道空間資源豐富,對(duì)地信號(hào)強(qiáng)度高,有利于通信的實(shí)現(xiàn)。低軌衛(wèi)星也可以適應(yīng)地面通信協(xié)議,通過(guò)服務(wù)手機(jī)直連衛(wèi)星,擺脫地形時(shí)間束縛,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信功能。

基于透明轉(zhuǎn)發(fā)的非陸地通信網(wǎng)絡(luò)(Non-Terrestrial Network,NTN)技術(shù)由于受限于星上天線規(guī)模,低軌衛(wèi)星組網(wǎng)條件下實(shí)現(xiàn)多波束的靜態(tài)全覆蓋的實(shí)現(xiàn)成本難以承受,更適合于具有透明轉(zhuǎn)發(fā)能力的高軌衛(wèi)星使用。同時(shí),星上處理和透明轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)論是異星還是同星混合組網(wǎng),均需要更多的頻率資源、功率資源支撐,同時(shí)終端存在跨代問(wèn)題,很難與地面現(xiàn)有終端甚至是后續(xù)NTN終端復(fù)用。因而,隨著星上處理能力提升,基于星上處理的低軌衛(wèi)星模式將是面向6G天地一體的主要演進(jìn)方向,同時(shí),由于地面時(shí)分雙工(Time Division Duplexing)頻率資源相對(duì)豐富,未來(lái)6G采用效率更高的TDD模式也會(huì)是天地一體空口演進(jìn)的重要方向。

5 結(jié)束語(yǔ)

在“空天地海一體化、萬(wàn)物智聯(lián)、AI內(nèi)生”等6G愿景的驅(qū)動(dòng)下,6G應(yīng)當(dāng)能夠?yàn)槿魏稳恕C(jī)、物提供任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的互聯(lián)互通,實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景的通信需求。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延、資源容量、拓?fù)鋭?dòng)態(tài)等特性,與霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的特性深度契合,構(gòu)建6G智能衛(wèi)星霧計(jì)算通信網(wǎng)絡(luò)將為6G愿景的實(shí)現(xiàn)提供有力支撐。本文對(duì)面向智能衛(wèi)星通信的6G霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀做了廣泛分析,并提出一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),探討其關(guān)鍵技術(shù)及面臨的挑戰(zhàn)。

能夠預(yù)見(jiàn),作為支撐6G愿景的關(guān)鍵技術(shù),智能衛(wèi)星霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)將在未來(lái)15年內(nèi)成為地表網(wǎng)絡(luò)的有效補(bǔ)充,拓寬人類通信范圍,增強(qiáng)用戶空域泛在連接的關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí),作為不易受自然災(zāi)害影響的通信基礎(chǔ)設(shè)施,智能衛(wèi)星霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)將能夠在人類應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害、維護(hù)主體安全、保障社會(huì)服務(wù)等方面提供有力支撐。