面向星地融合網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一編排架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)*

宋雅琴，徐暉，劉險(xiǎn)峰，曹彩紅，王亞鵬，程志密，王胡成

（中信科移動(dòng)通信技術(shù)股份有限公司，北京 100083）

0 引言

ITU-R 在2023 年的建議書[1]中提出包括超大規(guī)模連接和泛在連接等在內(nèi)的6G 六大典型場景，以及對移動(dòng)性、連接密度等多個(gè)指標(biāo)提出更高要求，同時(shí)新增覆蓋能力、互操作性等新指標(biāo)，新場景和新指標(biāo)以及6G 網(wǎng)絡(luò)“全域覆蓋，場景智聯(lián)”[2-4]的新愿景，使得僅靠增加接入設(shè)備、提高網(wǎng)絡(luò)帶寬難以從根本上滿足6G 目標(biāo)[5]。衛(wèi)星通信有望成為解決上述問題的有效手段，衛(wèi)星通信利用其廣域覆蓋、組網(wǎng)靈活、抗毀能力強(qiáng)、安全性高等特點(diǎn)[6]，能夠?yàn)槠h(yuǎn)地區(qū)提供遠(yuǎn)距離通信，能夠應(yīng)對災(zāi)后應(yīng)急通信需求，并且能夠有效擴(kuò)展地面網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)洋沙漠等特殊地區(qū)的覆蓋范圍[7]。然而，衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于頻譜資源稀缺、信號衰落大、通信信號傳輸距離遠(yuǎn)，僅依靠衛(wèi)星通信時(shí)，通信峰值速率和連接數(shù)有限、通信時(shí)延高[5]。相比之下，地面通信在系統(tǒng)容量、覆蓋深度、數(shù)據(jù)傳輸速率等方面仍然占據(jù)絕對的優(yōu)勢。因此，地面通信和衛(wèi)星通信優(yōu)勢互補(bǔ)、協(xié)同組網(wǎng)形成星地融合網(wǎng)絡(luò)是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要趨勢[8-11]。

星地融合通信正朝著“5G 體制兼容”到“6G 系統(tǒng)融合”的技術(shù)路線進(jìn)行發(fā)展[12-14]，面向6G 的星地融合網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)星地系統(tǒng)的深度融合，手機(jī)將直連衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的無差異接入。然而，星地融合網(wǎng)絡(luò)由于分層分域的體系結(jié)構(gòu)、高動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒍嗑S異構(gòu)的泛在資源等特性，星地統(tǒng)一編排存在新的挑戰(zhàn)。本文首先介紹星地統(tǒng)一編排的技術(shù)進(jìn)展和挑戰(zhàn)，然后提出一種面向星地融合網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一編排架構(gòu)，進(jìn)一步提出分布式自治技術(shù)和算網(wǎng)協(xié)同編排技術(shù)分別用于實(shí)現(xiàn)星地統(tǒng)一編排的多層多域組網(wǎng)和多維資源編排。

1 星地統(tǒng)一編排的技術(shù)進(jìn)展和挑戰(zhàn)

1.1 星上邊緣計(jì)算的研究現(xiàn)狀

隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展以及衛(wèi)星用戶的增多，面向6G，衛(wèi)星除了透明轉(zhuǎn)發(fā)語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，計(jì)算密集型業(yè)務(wù)也將大量出現(xiàn)在星上[15]，以提供算力為主的天算星座開始建設(shè)[16]。在星地融合網(wǎng)絡(luò)中引入移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC,Mobile Edge Computing）[17-18]技術(shù)，將計(jì)算能力擴(kuò)展到星地融合網(wǎng)絡(luò)邊緣，可以有效減少衛(wèi)星與地面之間頻繁的星地鏈路傳輸、降低業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延、節(jié)省星地鏈路帶寬，并通過計(jì)算節(jié)點(diǎn)下沉給用戶帶來更高的隱私保護(hù)性能。3GPP TR 23.700[19]討論了非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN,Non-Terrestrial Network）[20]的衛(wèi)星邊緣計(jì)算場景，其通過將UPF、gNB、MEC 節(jié)點(diǎn)部署于衛(wèi)星以支持邊緣計(jì)算功能上星。衛(wèi)星邊緣計(jì)算的引入，為資源受限的設(shè)備，提供了就近完成計(jì)算任務(wù)卸載的機(jī)會(huì)[21]，避免衛(wèi)星用戶接收到計(jì)算任務(wù)后需要先轉(zhuǎn)發(fā)到地面信關(guān)站，再傳輸?shù)皆朴?jì)算中心的超長時(shí)延[15]；同時(shí)，在數(shù)據(jù)回傳服務(wù)場景中，支持衛(wèi)星僅將有價(jià)值的數(shù)據(jù)發(fā)送至地面進(jìn)行進(jìn)一步分析，節(jié)約饋電鏈路的帶寬資源、提高數(shù)據(jù)分析效率[16]。

在衛(wèi)星邊緣計(jì)算的趨勢下，業(yè)界提出多種基于MEC 的星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[22-23]，支持在衛(wèi)星、信關(guān)站、地面基站分別部署MEC。然而，現(xiàn)有星上邊緣計(jì)算方案更多的是將星上計(jì)算作為地面的補(bǔ)充，在地面無法覆蓋或能力不足時(shí)，通過租賃星上計(jì)算服務(wù)為用戶提供服務(wù)，一方面僅將業(yè)務(wù)單邊卸載到某MEC 導(dǎo)致缺乏星地計(jì)算資源之間的協(xié)同，另一方面缺乏星地的統(tǒng)一運(yùn)營和高效互聯(lián)互通。

1.2 星地融合網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一編排的挑戰(zhàn)

為了實(shí)現(xiàn)星地融合網(wǎng)絡(luò)的多維度資源和多要素服務(wù)的統(tǒng)一編排，主要存在下述三方面的挑戰(zhàn)。

（1）多維多域資源的協(xié)同編排挑戰(zhàn)

星地融合網(wǎng)絡(luò)由多層多域的多個(gè)物理節(jié)點(diǎn)組成，頻譜、計(jì)算、帶寬、能量、存儲等多維資源分散分布在不同軌道的LEO/MEO/GEO 衛(wèi)星、信關(guān)站和地面數(shù)據(jù)中心等節(jié)點(diǎn)，不同物理節(jié)點(diǎn)的資源特性不同、資源分散且高度不均衡。為了滿足6G 多樣化業(yè)務(wù)需求，星地融合網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一編排需要實(shí)現(xiàn)對多維異構(gòu)資源的統(tǒng)一感知和表征，實(shí)現(xiàn)對多域資源的統(tǒng)一管理和互聯(lián)互通，充分利用各物理節(jié)點(diǎn)本身的資源特點(diǎn)，基于業(yè)務(wù)特性完成其資源需求的高效協(xié)同編排，從而優(yōu)化星地聯(lián)合業(yè)務(wù)的處理時(shí)延、提高資源利用率[6]。

（2）動(dòng)態(tài)的資源可用性和資源需求的靈活編排挑戰(zhàn)

低軌衛(wèi)星相對地球高速運(yùn)動(dòng)，繞地球旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間不到130 分鐘[24]，網(wǎng)絡(luò)為用戶業(yè)務(wù)提供服務(wù)期間，由于衛(wèi)星和用戶的雙重移動(dòng)性，可能發(fā)生衛(wèi)星或波束的切換，導(dǎo)致多維資源的可用性隨衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)存在動(dòng)態(tài)變化，增加資源編排的復(fù)雜性[15]。同時(shí)，資源需求還會(huì)隨用戶位置或業(yè)務(wù)需求的動(dòng)態(tài)變化而變化[23]。資源可用性變化或資源需求變化都可能導(dǎo)致資源分配結(jié)果與用戶需求不匹配的情況，造成資源浪費(fèi)或業(yè)務(wù)體驗(yàn)不足等問題，影響星地融合網(wǎng)絡(luò)的按需服務(wù)保障能力[7]。

（3）異構(gòu)資源和多元化需求的多要素自適應(yīng)編排挑戰(zhàn)

6G 場景和用戶業(yè)務(wù)呈現(xiàn)多元化和個(gè)性化趨勢，不同場景不同特性，不同業(yè)務(wù)可能包含對連接服務(wù)、智能（AI,Artificial Intelligence）服務(wù)、計(jì)算服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、安全服務(wù)等多要素服務(wù)的差異化需求，使得星地融合網(wǎng)絡(luò)的編排變得更加復(fù)雜。不同行業(yè)場景的特點(diǎn)和要求各異，如果網(wǎng)絡(luò)資源無法靈活動(dòng)態(tài)變更，易造成編排成本高、資源不匹配等問題。因此，需要使用統(tǒng)一的編排架構(gòu)靈活實(shí)現(xiàn)多要素的自適應(yīng)編排，避免由于存在過多靜態(tài)配置等人為干預(yù)機(jī)制帶來高成本和延遲適應(yīng)等問題。

2 面向6G星地融合的統(tǒng)一編排架構(gòu)

星地融合網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出多層多域、異構(gòu)化、動(dòng)態(tài)化等特點(diǎn)，導(dǎo)致編排架構(gòu)十分復(fù)雜。為了滿足6G 星地融合網(wǎng)絡(luò)用戶的多樣化業(yè)務(wù)需求，以及不同業(yè)務(wù)要求的多維資源和多類型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。本文提出如圖1 所示的星地融合網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一編排架構(gòu)，編排中心負(fù)責(zé)對虛擬資源池、網(wǎng)絡(luò)功能、服務(wù)開放進(jìn)行智能化編排管理，實(shí)現(xiàn)端到端網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一編排。

圖1 星地融合網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一編排架構(gòu)

面向基礎(chǔ)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)疆域從地面段的基站、信關(guān)站、數(shù)據(jù)中心等擴(kuò)展到衛(wèi)星段的中低軌衛(wèi)星（MEO/LEO）和高軌衛(wèi)星（GEO），資源類型從傳統(tǒng)的頻譜、存儲、帶寬資源擴(kuò)展增加了AI 和計(jì)算等資源，編排中心具備對多樣化異構(gòu)資源的全生命周期管理能力，基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV,Network Function Virtualization）[25]技術(shù)將全網(wǎng)物理基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的虛擬資源池，向上提供按需的多維多域資源的統(tǒng)一編排和調(diào)度。

面向網(wǎng)絡(luò)功能，為適配千行百業(yè)定制化要求而衍生出的多樣化定制化功能（或服務(wù)），網(wǎng)絡(luò)功能將呈現(xiàn)原子化和開放化特性，支持網(wǎng)絡(luò)功能的按需編排。編排中心具備對網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行按需設(shè)計(jì)、快速上線、版本管理等全生命周期的管理能力，可以基于高中低軌道衛(wèi)星的環(huán)境和資源狀態(tài)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的輕量化設(shè)計(jì)、柔性分割和敏捷部署，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的動(dòng)態(tài)編排，為用戶按需提供連接、智能、計(jì)算、數(shù)據(jù)等服務(wù)。

面向服務(wù)開放，編排中心將拉通星地融合網(wǎng)絡(luò)的各層各域，將連接能力、算力能力、智能能力、數(shù)據(jù)能力等原子化能力統(tǒng)一編排為可對內(nèi)對外提供的服務(wù)。對內(nèi)，通過對多要素的高效協(xié)同提升網(wǎng)絡(luò)性能上限；對外，智能精準(zhǔn)感知不同應(yīng)用的業(yè)務(wù)需求，對多要素進(jìn)行按需智能編排和配置，支持自動(dòng)生成滿足業(yè)務(wù)需求的端到端服務(wù)流，通過統(tǒng)一封裝，為用戶提供定制化的高性能服務(wù)。

最后，編排中心將支持傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理模式向網(wǎng)絡(luò)自治方向的演進(jìn)，在傳統(tǒng)的故障、配置、計(jì)費(fèi)、性能和安全（FCAPS,Fault、Configuration、Accounting、Performance and Security）管理基礎(chǔ)上，通過建立全域網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜場景下的智能化異常檢測與自愈機(jī)制，以及深度融合數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)，以虛控實(shí)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)“規(guī)-建-維-優(yōu)”的自動(dòng)閉環(huán)控制，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)魯棒性與抗毀能力。

3 面向星地融合網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一編排關(guān)鍵技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)星地融合網(wǎng)絡(luò)中分層分域網(wǎng)絡(luò)的資源、功能、服務(wù)等多要素的統(tǒng)一編排，提出分布式自治技術(shù)用于星地融合網(wǎng)絡(luò)的按需部署和靈活組網(wǎng)，以及提出算網(wǎng)協(xié)同編排技術(shù)實(shí)現(xiàn)多維資源的高效協(xié)同。

3.1 星地融合的分布式自治技術(shù)

當(dāng)前的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是獨(dú)立運(yùn)營管理，僅實(shí)現(xiàn)了星地之間比較有限的互聯(lián)互通。面向6G，星地網(wǎng)絡(luò)深度融合，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)勢互補(bǔ)和網(wǎng)絡(luò)功能按需部署，滿足星地多種異構(gòu)接入場景和差異化網(wǎng)絡(luò)性能需求。由于集中式組網(wǎng)方式被認(rèn)為存在架構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大、容易遭受攻擊、數(shù)據(jù)安全性低等缺陷，本文提出如圖2 所示的星地融合分布式自治技術(shù)，支持網(wǎng)絡(luò)服務(wù)根據(jù)場景按需定制和靈活部署。

圖2 星地融合的分布式自治技術(shù)

星地融合網(wǎng)絡(luò)由中心節(jié)點(diǎn)和分布式節(jié)點(diǎn)按需組網(wǎng)。中心節(jié)點(diǎn)部署在地面，具備較為完備的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)功能，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的全局管理控制。分布式節(jié)點(diǎn)可以按需部署于地面、MEO/LEO 衛(wèi)星和GEO 衛(wèi)星，根據(jù)不同的場景和地理環(huán)境實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的差異化定制，在星上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的輕量化設(shè)計(jì)，在星地之間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的柔性分割，為星地融合網(wǎng)絡(luò)的不同用戶提供精準(zhǔn)匹配的連接、智能、數(shù)據(jù)等多要素服務(wù)。單個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過節(jié)點(diǎn)內(nèi)的智能閉環(huán)自治滿足用戶個(gè)性化需求，不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間通過智能協(xié)同實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間協(xié)作的接入管理、會(huì)話管理、業(yè)務(wù)連續(xù)性管理，滿足特定的業(yè)務(wù)場景、用戶規(guī)模、地理環(huán)境等要求。

為了降低分布式網(wǎng)絡(luò)的資源編排和調(diào)度開銷，星地融合網(wǎng)絡(luò)將呈現(xiàn)中心和分布式混和的聯(lián)合管控方式，在中心節(jié)點(diǎn)和分布式節(jié)點(diǎn)分別部署中央編排中心和區(qū)域編排中心，實(shí)現(xiàn)全局統(tǒng)一編排和區(qū)域按需編排。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同交互，引入數(shù)據(jù)與知識空間相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)自驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)計(jì)算、數(shù)據(jù)、算法與網(wǎng)絡(luò)的深度融合。區(qū)域編排中心基于本地?cái)?shù)據(jù)生成知識庫，并將本領(lǐng)域歷史知識、專家經(jīng)驗(yàn)融合到已有的模型或者深度學(xué)習(xí)算法中形成知識定義的資源調(diào)度技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分布式節(jié)點(diǎn)內(nèi)的自組織、自管理、自優(yōu)化。中央編排中心通過區(qū)域編排中心的知識庫遷移感知全網(wǎng)的編排知識，對全場景全域網(wǎng)絡(luò)對象進(jìn)行統(tǒng)一建模與表征，明確相互約束機(jī)制，在全域范圍內(nèi)完成圈層和自治域?qū)蛹壍恼{(diào)度，并利用實(shí)時(shí)監(jiān)測、算網(wǎng)預(yù)測分析，以及數(shù)字孿生等技術(shù)形成“感知—學(xué)習(xí)—決策”的整網(wǎng)智能閉環(huán)的統(tǒng)一編排機(jī)制。

3.2 星地融合的算網(wǎng)協(xié)同編排技術(shù)

現(xiàn)有星地融合編排技術(shù)對多維多域的資源感知和管控方案存在跨域交互困難、異構(gòu)資源表征不統(tǒng)一等問題。同時(shí)，現(xiàn)有工作主要是建立在物理網(wǎng)絡(luò)是靜態(tài)拓?fù)洹⒂脩粜枨笙鄬Ψ€(wěn)定的前提下，忽略了物理網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性、用戶需求的動(dòng)態(tài)變化、資源狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化，一般按資源使用峰值靜態(tài)分配，造成資源浪費(fèi)等問題。本文提出一種星地融合的算網(wǎng)協(xié)同編排技術(shù)，如圖3 所示，將位于地面段和衛(wèi)星段的所有物理節(jié)點(diǎn)都作為算力節(jié)點(diǎn)[29]向算網(wǎng)管理中心進(jìn)行算力注冊，實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)資源的全面感知和動(dòng)態(tài)調(diào)度，解決網(wǎng)絡(luò)資源和計(jì)算資源聯(lián)合調(diào)度的復(fù)雜性問題。

圖3 星地融合的算網(wǎng)協(xié)同編排技術(shù)

算網(wǎng)管理中心由算網(wǎng)需求感知、算網(wǎng)資源管理、算網(wǎng)策略生成、智能分析預(yù)測、算網(wǎng)多域協(xié)同編排等功能模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)全局算網(wǎng)資源的智能管控和協(xié)同編排。

算網(wǎng)需求感知模塊基于意圖感知技術(shù)將用戶角度的高層次、粗顆粒、抽象化的業(yè)務(wù)需求智能感知為網(wǎng)絡(luò)可以具體實(shí)施的包含對無線資源、傳輸資源和網(wǎng)絡(luò)資源等的算網(wǎng)資源需求；算網(wǎng)資源管理模塊實(shí)現(xiàn)對算力節(jié)點(diǎn)的管理和抽象建模，以及通過對多維資源的感知，生成算網(wǎng)資源的統(tǒng)一表征知識庫，實(shí)現(xiàn)對算網(wǎng)資源的統(tǒng)一管理；算網(wǎng)策略生成模塊根據(jù)業(yè)務(wù)算網(wǎng)資源需求結(jié)果以及算網(wǎng)資源統(tǒng)一表征知識庫，智能決策業(yè)務(wù)編排的目標(biāo)圈層和目標(biāo)域，根據(jù)終端自身能力、終端位置信息、星歷信息、算力資源類型、算力資源形態(tài)、資源狀態(tài)等，結(jié)合算網(wǎng)預(yù)測分析，利用AI 計(jì)算生成最優(yōu)的算網(wǎng)資源調(diào)度策略；智能分析預(yù)測模塊通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集等實(shí)現(xiàn)算網(wǎng)資源狀態(tài)和算力服務(wù)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，并不斷優(yōu)化現(xiàn)有算法模型，基于實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)果和星歷數(shù)據(jù)、專家知識等，實(shí)現(xiàn)算網(wǎng)態(tài)勢預(yù)測、星上資源的可服務(wù)時(shí)長預(yù)測、用戶資源需求預(yù)測等，支撐算網(wǎng)策略生成模塊的智能調(diào)度和動(dòng)態(tài)調(diào)整；算網(wǎng)多域協(xié)同編排模塊基于算網(wǎng)策略生成模塊的調(diào)度策略和業(yè)務(wù)部署策略，完成各域的網(wǎng)絡(luò)功能編排與算力服務(wù)編排，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源、計(jì)算資源、安全策略、應(yīng)用管理、業(yè)務(wù)管理等方面的協(xié)同，完成按需端到端資源自配置，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)資源的高效利用。

算網(wǎng)協(xié)同編排技術(shù)通過對多維異構(gòu)資源的統(tǒng)一表征和全面感知，除了可以滿足終端用戶對多維資源的差異化動(dòng)態(tài)需求，還可以用于滿足部署網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能（VNF,VNF Manager）的按需部署。NFV 編排器（NFVO,NFV Orchestrator）將其管理的基礎(chǔ)設(shè)施作為算力節(jié)點(diǎn)注冊到算網(wǎng)管理中心，算網(wǎng)管理中心接收部署網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的業(yè)務(wù)需求，解析出該業(yè)務(wù)中每個(gè)VNF 對應(yīng)的算網(wǎng)資源需求，然后基于本地維護(hù)的算力資源狀態(tài)信息、位置環(huán)境信息等，將每個(gè)VNF 調(diào)度到不同的算力節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行部署。算網(wǎng)管理中心根據(jù)調(diào)度策略將部署到相同算力節(jié)點(diǎn)的VNF 組織為子網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，生成對應(yīng)NFVO 所需的模型文件，并通知對應(yīng)NFVO 進(jìn)行子網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的實(shí)例化部署。NFVO 接收到模型文件和通知后，基于模型文件部署對應(yīng)的子網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。同時(shí)，算網(wǎng)管理中心監(jiān)控算力節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的資源占用情況，當(dāng)資源不足時(shí)，算網(wǎng)管理中心可以將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中的部分或全部網(wǎng)絡(luò)功能調(diào)度到新的算力節(jié)點(diǎn)部署，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了實(shí)現(xiàn)對編排管理系統(tǒng)上星的可行性驗(yàn)證，本文將當(dāng)前在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行地面移動(dòng)通信系統(tǒng)驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)化編排管理系統(tǒng)增強(qiáng)為擬用于星地融合網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證的新型編排管理系統(tǒng)，提升編排效率。本文使用在實(shí)驗(yàn)室自研搭建的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證平臺,該平臺基于NFV[25]將網(wǎng)絡(luò)資源抽象成虛擬資源池，支持網(wǎng)絡(luò)功能的靈活動(dòng)態(tài)部署；基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN,Software Defined Network）[25]技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶面的控制（UPFC）與轉(zhuǎn)發(fā)（UPFU）分離，屏蔽底層物理網(wǎng)絡(luò)在通信協(xié)議上的差異。接下來介紹標(biāo)準(zhǔn)化編排管理系統(tǒng)與新型編排管理系統(tǒng)的性能對比。

標(biāo)準(zhǔn)化編排管理系統(tǒng)使用基于開源OSM 的MANO[26]實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的高效管理和編排，基于OpenStack[27]的開源云計(jì)算管理平臺在x86 通用服務(wù)器上搭建虛擬化平臺，將傳統(tǒng)運(yùn)行在專用硬件上的核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行虛擬化，生成虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（VNF,Virtualized Network Function），并將VNF 部署在虛機(jī)（VM,Virtual Machine）上。新型編排管理系統(tǒng)使用基于輕量級的Kubernetes 虛擬化平臺（即K3s）和基于容器[28]的輕量級虛擬化技術(shù)。

為了對標(biāo)準(zhǔn)化編排管理系統(tǒng)和新型編排管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能部署效率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，以3GPP 定義的5G 系統(tǒng)的SMF（Session Management Function）網(wǎng)絡(luò)功能的部署為例進(jìn)行測試。標(biāo)準(zhǔn)化編排管理系統(tǒng)和新型編排管理系統(tǒng)部署SMF 網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)對比情況如表1 所示，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能部署過程中涉及模型生成、模型分析、虛擬資源分配、網(wǎng)元初始配置四個(gè)階段，具體包括生成NSD/VNFD、分析NSD/VNFD、創(chuàng)建VM、初始化juju、執(zhí)行config、執(zhí)行scp 動(dòng)作、執(zhí)行vnfstart 動(dòng)作等流程。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了4 次，由于每次測試時(shí)存在系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境差異和測量結(jié)果記錄偏差等原因，每次實(shí)驗(yàn)結(jié)果不完全相同。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化編排管理系統(tǒng)和新型編排管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能部署時(shí)間對比（以SMF為例）

從表1 可以看到，基于OpenStack 和VM 的標(biāo)準(zhǔn)化編排管理系統(tǒng)在進(jìn)行單個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能（這里是SMF）的部署和服務(wù)啟動(dòng)時(shí)間約為8 分鐘，基于K3s 和容器的新型編排管理系統(tǒng)約為3 分半。測試一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片包含AMF、SMF、UPF 三個(gè)基本的網(wǎng)絡(luò)功能時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化編排管理系統(tǒng)大約需要10 分鐘，說明耗時(shí)與網(wǎng)絡(luò)功能的數(shù)量有正相關(guān)關(guān)系，但不是線性增長關(guān)系。而新型編排管理系統(tǒng)，由于采用了更輕更快的容器技術(shù)，并且改進(jìn)了網(wǎng)元的業(yè)務(wù)配置方式從而避免了OSM 系統(tǒng)中juju 組件的初始化時(shí)間，它的網(wǎng)元初始配置是在容器創(chuàng)建時(shí)已通過環(huán)境變量注入的方式傳遞給容器，因此不影響部署時(shí)間。模型生成方面，標(biāo)準(zhǔn)化編排管理系統(tǒng)是通過人工方式完成模型文件的設(shè)計(jì)、制作和上載，非部署時(shí)候?qū)崟r(shí)進(jìn)行，所以未計(jì)入部署時(shí)間，新型編排管理系統(tǒng)是基于AI 實(shí)時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片部署的意圖感知，其生成模型耗費(fèi)約3 分鐘時(shí)間。同樣創(chuàng)建一個(gè)包含AMF、SMF、UPF 三個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能的網(wǎng)絡(luò)切片，新型編排管理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測試時(shí)長大約為4 分鐘，相較于基于VM 的標(biāo)準(zhǔn)編排管理系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)切片的部署效率提升了約60%。新型編排管理系統(tǒng)的性能提升為星地融合網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一編排提供了潛在的基礎(chǔ)平臺方案。

5 結(jié)束語

星地融合網(wǎng)絡(luò)以地面網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、以衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為延伸，實(shí)現(xiàn)星地互聯(lián)和廣域全覆蓋，已成為6G 網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，星地融合網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一編排成為其中的一個(gè)關(guān)鍵問題。目前，面向6G 星地融合網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一編排技術(shù)的研究仍然處于早期階段。面向未來，還需要深入研究并解決資源池化和資源區(qū)域化管理壁壘等技術(shù)，避免子網(wǎng)的“拼接”問題，同時(shí)，星地統(tǒng)合的統(tǒng)一編排還涉及到地面網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商還是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的管理劃分等體制問題，需要通過合理的合作共贏實(shí)現(xiàn)真正的星地統(tǒng)一編排。