管瑩瑩 ,宋靜 ,宋清洋**,郭磊
(1.東北大學(xué),遼寧 沈陽 110819;2.重慶郵電大學(xué),重慶 400065)
近年來,移動通信的發(fā)展極大地改變了人們的生活,實現(xiàn)了人們“足不出戶連天下”的初步愿望。然而,新興的虛擬現(xiàn)實、元宇宙等應(yīng)用,對完全沉浸式體驗、大規(guī)模并發(fā)接入和無縫連接有更嚴(yán)格的要求,給移動通信網(wǎng)絡(luò)帶來了前所未有的挑戰(zhàn)[1]?,F(xiàn)在的移動網(wǎng)絡(luò)以地面網(wǎng)絡(luò)為主,但受自然環(huán)境和經(jīng)濟成本等因素影響,無法在山村、沙漠和海洋等偏遠地區(qū)建設(shè)地面基站,導(dǎo)致全球至今仍有大面積的覆蓋空白。此外,地面網(wǎng)絡(luò)容易受到自然災(zāi)害影響和基礎(chǔ)設(shè)施的人為破壞。因此,僅依靠地面網(wǎng)絡(luò)無法滿足未來日益增長的高質(zhì)量服務(wù)需求,深度融合天基(高軌/中軌/低軌衛(wèi)星)、空基(臨空/高空/低空飛行器)、地基(蜂窩/Wi-Fi/有線接入點)與海基(海面/海下航行器)網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)(SAGSIN,Space-Air-Ground-Sea Integrated Network),實現(xiàn)地表與立體空間的全域、全天候的覆蓋,為用戶提供泛在移動通信服務(wù)成為未來網(wǎng)絡(luò)的重要發(fā)展方向[2]。
然而,由于空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)不是衛(wèi)星、飛行器與地面網(wǎng)絡(luò)的簡單互聯(lián),導(dǎo)致如何實現(xiàn)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)、終端等方面的深度融合成為新的挑戰(zhàn)之一。另外,不同網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的涌現(xiàn)也提出了不同的用戶服務(wù)質(zhì)量(QoS,Quality of Service)等級需求,如何在空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)中保障不同類型應(yīng)用的差異化QoS需求也成為了新的挑戰(zhàn)。
網(wǎng)絡(luò)切片為解決空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的上述挑戰(zhàn)帶來了機會。網(wǎng)絡(luò)切片可以屏蔽底層物理網(wǎng)絡(luò)的差異,在通用物理基礎(chǔ)設(shè)施上按需定制虛擬網(wǎng)絡(luò),為不同類型的業(yè)務(wù)提供差異化QoS保障。然而,由于空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的通信拓撲高動態(tài)變化、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及多維資源分布非均衡等特點,給網(wǎng)絡(luò)切片帶來了挑戰(zhàn)。
本文首先介紹了空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)切片的發(fā)展現(xiàn)狀,然后分析了空天地海網(wǎng)絡(luò)切片的特點和面臨的挑戰(zhàn),最后在此基礎(chǔ)上討論了空天地海網(wǎng)絡(luò)切片的發(fā)展趨勢。
為了突破地面基礎(chǔ)設(shè)施的限制,早在2000年,美國國防部就提出要建設(shè)“天地一體化”信息網(wǎng)[3]。隨后,許多國家和組織都開始設(shè)計并部署天地一體化項目,如歐盟的SUITED項目、日本的STICS項目。中國也將天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)加入“科技創(chuàng)新2030—重大項目”,旨在推進天基信息網(wǎng)、未來互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)的全面融合。
隨著科技的發(fā)展,空中平臺(如無人機、熱氣球等)的成本下降使得科研人員提出了“空天地一體化”網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想。例如,谷歌公司的Loon項目和Facebook公司的Aquila項目,分別通過平流層的熱氣球和高空太陽能無人機來為缺少地面基礎(chǔ)設(shè)施的貧困/邊遠地區(qū)提供低成本網(wǎng)絡(luò)覆蓋,或者為用戶密集的城市熱點地區(qū)提供高性能增強覆蓋。此外,海洋面積占地球的70%,世界貿(mào)易的90%左右由國際海運行業(yè)承運。海洋通信網(wǎng)絡(luò)可以為船只提供高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò),但此前沒有得到足夠的重視。為了促進全球范圍的互聯(lián)互通,迫切需要建設(shè)空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)[4],以提供泛在的無線通信服務(wù)。
空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示,由空基、天基、地基、?;W(wǎng)絡(luò)組成:
圖1 空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
(1)天基網(wǎng)絡(luò):由各種類型的衛(wèi)星和相應(yīng)的地面基礎(chǔ)設(shè)施(地面站和控制中心)組成。根據(jù)不同的海拔高度,衛(wèi)星可分為高軌、中軌、低軌衛(wèi)星以及甚低軌衛(wèi)星。因其不受自然環(huán)境和地理位置的限制,可作為地基網(wǎng)絡(luò)強有力的延伸和補充。
傳統(tǒng)的天基網(wǎng)絡(luò)和地基網(wǎng)絡(luò)的研究是相互獨立的。近年來,學(xué)者們逐漸關(guān)注天基網(wǎng)絡(luò)與地基網(wǎng)絡(luò)的融合。文獻[5]研究了同信道干擾對天地融合中繼網(wǎng)絡(luò)的影響。文獻[6]提出了一種基于云的天地融合網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),為運營商制定能量消耗最小的資源分配方案。文獻[7]研究了基于非正交多址的天地融合網(wǎng)絡(luò),提出了系統(tǒng)能量效率最大化的用戶關(guān)聯(lián)方案和資源分配算法。
(2)空基網(wǎng)絡(luò):由飛艇、高空熱氣球、無人機等空中設(shè)備組成。它可提供與地面站、?;W(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)自動路由,也能與衛(wèi)星層交換數(shù)據(jù)信息。
與天基網(wǎng)絡(luò)相比,空基網(wǎng)絡(luò)具有靈活性好、通信響應(yīng)時間短、成本低等優(yōu)點,常用于提供某一特定區(qū)域的臨時性通信,以輔助地基、海基網(wǎng)絡(luò)通信。文獻[8]基于空中和地面數(shù)據(jù)鏈路的特性,設(shè)計了一新的性能預(yù)測模型,增加了一個新的角度以支持未來空管通信需求。文獻[9]提出了一種新型的空地通信模式,使得安裝在無人機上的多天線基站通過可重構(gòu)智能表面向多個地面用戶發(fā)送信息。文獻[10]總結(jié)了近年來空基網(wǎng)絡(luò)輔助?;ㄐ诺淖钚逻M展。
(3)地基網(wǎng)絡(luò):由許多地面子網(wǎng)組成,如蜂窩網(wǎng)絡(luò)、自組織網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)、沿?;镜?。
與天基、空基網(wǎng)絡(luò)相比,地基網(wǎng)絡(luò)可以在其覆蓋范圍(如基礎(chǔ)設(shè)施更完善的城市地區(qū))內(nèi)提供超高吞吐量和超低延遲的傳輸服務(wù)。但因其覆蓋范圍有限、部署成本高、易遭受破壞等特點,無法滿足未來日益增長服務(wù)需求。
(4)?;W(wǎng)絡(luò):由水面網(wǎng)絡(luò)和水下網(wǎng)絡(luò)組成。其中,水面網(wǎng)絡(luò)通常由具有通信能力的船舶、浮標(biāo)和無人水面艦艇等設(shè)施組成。水下網(wǎng)絡(luò)由自主水下航行器、水下傳感器和其他水下設(shè)備組成。
?;W(wǎng)絡(luò)的發(fā)展相對滯后,現(xiàn)在仍處于發(fā)展的早期階段。文獻[11]提出了一種基于邊緣計算的空天地融合網(wǎng)絡(luò)來輔助海上通信,以解決數(shù)據(jù)量激增、通信環(huán)境復(fù)雜、流量和用戶密度分布不均、海上業(yè)務(wù)需求不同等挑戰(zhàn)。文獻[12]提出了一種基于反饋的時分多址接入?yún)f(xié)議,以消除超高頻率數(shù)據(jù)傳輸之間的信道占用沖突,為海上運輸提供穩(wěn)定的信息傳輸服務(wù)。
空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)是通過深度融合天基、空基、地基以及?;鶚?gòu)建的一個超大規(guī)模、高度復(fù)雜的立體通信網(wǎng)絡(luò)。但現(xiàn)有研究成果主要是在各網(wǎng)段、或兩三個網(wǎng)段的融合方面分別積累,如天地網(wǎng)絡(luò)[5-7]、空地網(wǎng)絡(luò)[8-9]、空海網(wǎng)絡(luò)[10]、空天地網(wǎng)絡(luò)[11]等。對于空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的研究剛開始進入探索階段,主要集中在協(xié)議研究[12]、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[13-14]、安全性[15-16]等方面。如何保證各網(wǎng)段內(nèi)部正常運轉(zhuǎn)的情況下,充分協(xié)調(diào)網(wǎng)段間的協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)及資源,為未來的新應(yīng)用提供高效、經(jīng)濟、實時的差異化服務(wù)是網(wǎng)絡(luò)空天地海一體化面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV,Network Function Virtualization)將網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化后聚合為資源池,并由支持軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN,Software Defined Network)的切片管理控制器集中管理,實現(xiàn)更細粒度的資源編排。網(wǎng)絡(luò)切片利用SDN[17]和NFV[18]可以屏蔽底層物理網(wǎng)絡(luò)在通信協(xié)議上的差異,將網(wǎng)絡(luò)資源抽象成資源池,并由切片管理控制器統(tǒng)一管理,實現(xiàn)細粒度的資源編排,其架構(gòu)如圖2所示。在虛擬化后的資源池上,為每個業(yè)務(wù)提供一組隔離的虛擬資源,組成一個端到端的虛擬網(wǎng)絡(luò),以滿足不同應(yīng)用場景下的業(yè)務(wù)的多樣化QoS需求[19]。通過網(wǎng)絡(luò)切片,可以有效融合異構(gòu)的物理網(wǎng)絡(luò)資源,提供高效、細粒度的資源管理,為不同QoS需求的業(yè)務(wù)提供按需定制的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。
圖2 網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)示意圖
切片管理控制器在進行網(wǎng)絡(luò)切片時,是將多個的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能模塊(VNF,Virtualised Network Function)組成的服務(wù)功能鏈嵌入到物理網(wǎng)絡(luò)中[20],為其分配所需要的物理資源,這個過程也被稱作服務(wù)功能鏈的放置,是一種特殊的虛擬網(wǎng)絡(luò)映射問題,其復(fù)雜度為NPhard[21],這就意味著在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中不可能獲得精確的解決方案。為了降低計算復(fù)雜度和運行時間,許多啟發(fā)式方法已應(yīng)用于虛擬網(wǎng)絡(luò)嵌入問題的次優(yōu)解決方案中。在文獻[22]中,提出了一種基于減少搜索空間和提取子圖的虛擬網(wǎng)絡(luò)嵌入的加速算法。文獻[23]-[24]采用兩步式嵌入方法,首先放置虛擬節(jié)點,然后根據(jù)虛擬節(jié)點的位置將虛擬鏈路映射轉(zhuǎn)化為多商品流問題。文獻[25]-[26]則使用一階段方法來同時映射節(jié)點和鏈路,雖然獲得更好的物理資源利用率,但是由于求解元素的強耦合性,也增加了求解過程的計算復(fù)雜度。
綜上所述,網(wǎng)絡(luò)切片通過給業(yè)務(wù)定制化虛擬網(wǎng)絡(luò),有網(wǎng)絡(luò)資源隔離、按需定制的特點,以滿足差異化的業(yè)務(wù)需求,可以獲得比“一刀切”網(wǎng)絡(luò)更好的性能?,F(xiàn)有研究大多集中在地面網(wǎng)絡(luò)切片中,缺乏對空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)自身特點的考慮,難以直接應(yīng)用在空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)中。
空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)由于其能夠提供無處不在的無縫覆蓋,受到了廣泛關(guān)注,近年來對其進行網(wǎng)絡(luò)切片的研究也逐漸開展。
(1)星地融合網(wǎng)絡(luò)切片
文獻[2 7]考慮了一種超密集立方體衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)CubeSats,提出了一種星地融合網(wǎng)絡(luò)中的自動網(wǎng)絡(luò)切片框架。文獻[28]主要關(guān)注星地融合網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)功能鏈的映射,并提出了一種同時考慮服務(wù)功能復(fù)用和服務(wù)功能鏈合并的方法,旨在提高物理網(wǎng)絡(luò)的資源利用率。文獻[29]探索了星地融合網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)切片問題,利用機器學(xué)習(xí)技術(shù)來為物理網(wǎng)絡(luò)中的多條鏈路自適應(yīng)地分配權(quán)重,可以減少瓶頸路徑的使用,提高了資源利用率。
(2)空天地一體化網(wǎng)絡(luò)切片
文獻[30]研究了空天地一體化輔助的車聯(lián)網(wǎng)中動態(tài)頻譜切片的問題,提出了一種在線控制框架來動態(tài)分割空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源。在不預(yù)先知道服務(wù)到達的情況下,系統(tǒng)可以實時進行接入控制、請求調(diào)度、無人機調(diào)度和資源切片,實現(xiàn)資源隔離的服務(wù)供應(yīng)。文獻[31]研究了空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中負載均衡的服務(wù)功能鏈放置問題,提出了聚合比的概念,以平衡網(wǎng)絡(luò)中的通信資源與計算資源的消耗。文獻[32]研究了空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中基于業(yè)務(wù)類型的服務(wù)功能鏈放置方法,提出了一種基于延遲預(yù)測的服務(wù)功能鏈映射方法。
(3)空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)切片
文獻[33]提出了一種將業(yè)務(wù)管理功能邊緣化的空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu),利用機器學(xué)習(xí)將業(yè)務(wù)分類,按需為業(yè)務(wù)定制網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。文獻[34]將區(qū)塊鏈技術(shù)融入到空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)切片的架構(gòu)中,以解決空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且異構(gòu)導(dǎo)致的安全漏洞、隱私泄露等問題。
但這些文獻都是建立在物理網(wǎng)絡(luò)是靜態(tài)拓撲的前提下,忽略了物理網(wǎng)絡(luò)的拓撲動態(tài)性。然而,低軌衛(wèi)星和甚低軌衛(wèi)星的對地移動速度很快,在多數(shù)網(wǎng)絡(luò)切片的生命周期內(nèi),網(wǎng)絡(luò)拓撲會頻繁變化,這就導(dǎo)致原有的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)切片變得難以適用于動態(tài)資源需求。另外,在以上的文獻中,空基網(wǎng)絡(luò)、天基網(wǎng)絡(luò)往往僅作為地基網(wǎng)絡(luò)資源受限時的補充網(wǎng)絡(luò),缺乏對各個子網(wǎng)本身特點的考慮,難以充分發(fā)揮各網(wǎng)段的優(yōu)勢。
空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)涉及到通信、計算、能量、緩存等多維資源,它們在不同網(wǎng)段上的分布呈現(xiàn)出高度不均衡的特征。一般來說,地基網(wǎng)絡(luò)資源相對充裕,有豐富的無線電頻譜、計算和存儲資源,但覆蓋范圍有限;空基、天基、?;W(wǎng)絡(luò)的通信容量相對于地基網(wǎng)絡(luò)體量較小??栈W(wǎng)絡(luò)可以提供廣闊的覆蓋,但通信延遲大、計算能力弱;天基網(wǎng)絡(luò)具有良好的機動性,如無人機節(jié)點可以靈活部署,延遲低,但受限于電池容量小,續(xù)航時間短且計算能力弱;而?;W(wǎng)絡(luò)中水下通信吞吐量低,且易受惡劣天氣的影響,通信條件有限、帶寬有限、信道質(zhì)量不穩(wěn)定。因此,考慮多維異構(gòu)資源間的動態(tài)協(xié)作,充分利用各網(wǎng)段的資源特點,對數(shù)據(jù)的傳輸、處理、感知和緩存的效率是至關(guān)重要的。
雖然網(wǎng)絡(luò)切片可以通過網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化,打破空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)導(dǎo)致的協(xié)作壁壘,但是傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)切片算法難以適應(yīng)其高度分布不均衡的多維資源管理。尤其是虛擬現(xiàn)實、超高清視頻、遠程醫(yī)療、觸覺通信等新興應(yīng)用場景的出現(xiàn),不僅提出了超低時延、超高通量帶寬、超大規(guī)模連接等需求,還帶來了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的暴增。如何深度結(jié)合空、天、地、海各網(wǎng)段的多維資源分布特點,充分利用有限的網(wǎng)絡(luò)資源,承載盡可能多的業(yè)務(wù),成為空天地海網(wǎng)絡(luò)切片的挑戰(zhàn)之一。
空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)具有高動態(tài)性,網(wǎng)絡(luò)鏈接和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)隨著時間的變化而變化,使得網(wǎng)絡(luò)切片復(fù)雜化。低軌衛(wèi)星相對地球高速運動,繞地球旋轉(zhuǎn)一圈的時間不到130分鐘,需要頻繁的波束切換和星間切換。海洋通信網(wǎng)絡(luò)中鏈路穩(wěn)定性容易遭受惡劣天氣影響。高速移動性支持、時空交通快速響應(yīng)、實時動態(tài)信道狀態(tài)建模是未來網(wǎng)絡(luò)切片的重要挑戰(zhàn)。
此外,網(wǎng)絡(luò)切片上的虛擬資源需求會隨著用戶群體的動態(tài)性發(fā)生變化?,F(xiàn)有方法缺乏對用戶需求變化的分析與精準(zhǔn)預(yù)測,大多根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片的峰值資源需求配置網(wǎng)絡(luò)切片上的資源,導(dǎo)致了資源利用率低,資源調(diào)控不夠靈活,難以快速、實時、準(zhǔn)確、動態(tài)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)配置。如何在拓撲動態(tài)變化的空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)中,彈性調(diào)整網(wǎng)絡(luò)切片的資源配置,以實時擬合網(wǎng)絡(luò)切片資源需求伸縮變化,保證其服務(wù)連續(xù)性、QoS的穩(wěn)定性成為一大挑戰(zhàn)。
相對于地基網(wǎng)絡(luò),空基、天基、?;W(wǎng)絡(luò)的資源相對貧乏。為了充分利用緊缺的網(wǎng)絡(luò)資源,在對空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)進行網(wǎng)絡(luò)切片時,可以考慮不同的隔離級別,在多個切片實例間共享一些對隔離要求較低的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能,例如移動性管理、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換功能等。網(wǎng)絡(luò)切片隔離級別和強度取決于切片需求和使用場景,并且網(wǎng)絡(luò)切片實例之間可以進行部分隔離或者完全隔離。通過允許這些公共虛擬網(wǎng)絡(luò)功能模塊在切片之間重用,使得需要獨立實例化的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能模塊更少,進而可以節(jié)省物理資源。然而,虛擬網(wǎng)絡(luò)功能模塊合并將導(dǎo)致吞吐量和延遲方面的性能下降,被稱為虛擬網(wǎng)絡(luò)功能干擾。利用網(wǎng)絡(luò)切片間的資源相關(guān)性,在可接受的干擾范圍內(nèi)進行切片間的資源共享,降低空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的物理資源的消耗是一個值得考慮的問題。
為了保證網(wǎng)絡(luò)切片的性能,有效監(jiān)控空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的拓撲變化及其網(wǎng)絡(luò)切片實例的資源需求變化,并及時更新網(wǎng)絡(luò)配置至關(guān)重要。數(shù)字孿生和人工智能技術(shù)在業(yè)界快速發(fā)展,為解決上述問題提供了可行的方案??梢酝ㄟ^提取不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)拓撲圖中的時間和空間特征,構(gòu)建空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字孿生模型;利用人工智能方法,設(shè)計網(wǎng)絡(luò)切片請求的狀態(tài)變化分析及預(yù)測方法,實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)切片請求變化趨勢的精準(zhǔn)預(yù)測;利用數(shù)字空間中可推演特性,研究基于預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)切片重配置策略。面向空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)切片實例的雙重動態(tài)性,在資源和延遲約束的前提下,設(shè)計合理的網(wǎng)絡(luò)特征提取及預(yù)測方法,彈性調(diào)整網(wǎng)絡(luò)切片實例的資源配置,是實時保證網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)連續(xù)性的關(guān)鍵。
綜上所述,空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的研究對移動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的無縫覆蓋有著巨大的推動作用。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以將空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)按需分割成多個邏輯子網(wǎng)以提供差異化的服務(wù)。然而,由于空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)自身固有的體系結(jié)構(gòu)高復(fù)雜性、通信拓撲高動態(tài)性與多維資源高度不對稱性等特點,為提供高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)帶來了相應(yīng)的挑戰(zhàn)。本文分析了空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)切片面臨的挑戰(zhàn),并給出了發(fā)展趨勢及改進方案。