徐艷麗，張倩倩，姜勝明，李倩

（上海海事大學，上海 201306）

0 引言

當前，6G-萬物互聯(lián)正處于技術需求研究的早期階段，實現(xiàn)全球全方位、多角度、高速率的通信覆蓋是未來6G網(wǎng)絡架構(gòu)研究的目標之一?？仗旌Ｒ惑w化網(wǎng)絡突破了地表和地形的限制，延伸到空間、空中、陸地和海洋等自然空間，有望為各類用戶提供全球接入服務，有助于克服用戶地處偏僻或環(huán)境惡劣而無法通信的困難[1]。該網(wǎng)絡是擁有多種資源的復雜網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡集成是可實現(xiàn)高效無隙服務的關鍵，可實現(xiàn)天地海之間通信的互操作性，實現(xiàn)資源共享、服務一致[2]。以信息流為載體，綜合應用多維空間信息，聯(lián)合資源的多維管理，實現(xiàn)復雜變化的網(wǎng)絡環(huán)境下的最大效能利用。空天海一體化通信網(wǎng)絡主要是在節(jié)點、應用及其他屬性等幾個層面的融合，需要穩(wěn)定高效的體系架構(gòu)；不同的用戶具有不同的業(yè)務需求，如何根據(jù)多樣化的需求部署相應可靠的服務是需要解決的技術問題。本文將主要介紹空天海一體化網(wǎng)絡所涉及的關鍵技術，綜述目前相關的研究熱點以及所面臨的挑戰(zhàn)。

1 空天海一體化網(wǎng)絡架構(gòu)

空天海一體化的目標主要是拓展通信覆蓋范圍的廣度和深度，在傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡基礎上與天基互聯(lián)網(wǎng)（非陸地通信）和海洋通信（水下通信）網(wǎng)絡深度融合。如圖1 所示，空間地面綜合網(wǎng)絡由空間網(wǎng)和地面網(wǎng)組成，空間網(wǎng)主要由不同軌道上的各種衛(wèi)星，如GEO（Geosynchronous Earth Orbit，地球同步軌道衛(wèi)星）、M/LEO（Medium/Low Earth Orbit，中/低軌道衛(wèi)星）、高空氣球等空中通信設備組成，覆蓋范圍相對較廣，可以獲取實時的不同維度的空間信息，并對收集到的信息進行傳輸和處理[3]。空間網(wǎng)作為地網(wǎng)的延伸，以地網(wǎng)為基礎，互聯(lián)互通、相互補充、高效協(xié)同、進行功能性與智能性結(jié)合，當空間層與地面層直接通信困難時，空間層可以提供路由旁路功能，進一步實現(xiàn)了空地網(wǎng)融合。地面層主要由各種用戶和地面通信網(wǎng)絡組成，覆蓋范圍有限。通過移動衛(wèi)星節(jié)點、地面節(jié)點和空中節(jié)點之間的組網(wǎng)和互聯(lián)，為用戶提供高效的無線接入服務[4]，實現(xiàn)全球高效可靠的通信。海洋網(wǎng)絡主要由海上網(wǎng)絡和水下網(wǎng)絡組成。海上網(wǎng)絡主要包括船舶、浮標、水面艦艇等，這些節(jié)點具有一定的通信能力，可以提供邊緣服務。水下網(wǎng)絡由固定傳感器節(jié)點和移動節(jié)點組成，通常使用聲波通信，水下傳感器和無人航行器等實時采集水下環(huán)境信息，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給浮標或者其他水面節(jié)點，再與衛(wèi)星或岸基基站進行通信。

圖1 空天海一體化通信網(wǎng)絡架構(gòu)

2 關鍵技術

2.1 資源管理

空天海一體化網(wǎng)絡的性能很大程度上依賴于6G，可以帶來全球覆蓋、超低延時和高密度連接等優(yōu)勢，但6G技術尚不成熟，且空天海一體化網(wǎng)絡要求不同的網(wǎng)段有一定的計算、存儲和通信能力，如何有效協(xié)調(diào)、管理和調(diào)度空天海一體化網(wǎng)絡的資源需要深入研究[5]。

傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)通常采用集中式資源管理。集中式系統(tǒng)是指所有業(yè)務單位部署到服務器，以及所有數(shù)據(jù)存儲、管理和計算在中央服務器上進行，大大增加了網(wǎng)絡擁塞概率。特別是對于空天海一體化網(wǎng)絡，長距離傳輸可能會產(chǎn)生更高的延遲。近年來，分布式系統(tǒng)已成為網(wǎng)絡管理的新范式[6]。分布式系統(tǒng)將服務器部署在不同的網(wǎng)絡計算機，其中邊緣服務器可以服務覆蓋內(nèi)的用戶，通過邊緣服務器之間的協(xié)調(diào)完成系統(tǒng)內(nèi)信息傳輸?？紤]到空天海一體化網(wǎng)絡的大規(guī)模部署，采用分布式管理方案具有重要研究意義[7]。文獻[8] 研究了分布式系統(tǒng)的資源管理問題，提出了一種基于交替方向乘法器的資源分配算法，以調(diào)度網(wǎng)絡資源，實現(xiàn)分配的公平性。同樣，文獻[9] 基于資源公平原則，將資源分配問題建模為凸優(yōu)化問題，通過建立切片和數(shù)據(jù)之間的拍賣關系，最大化系統(tǒng)的效用函數(shù)。

動態(tài)智能的網(wǎng)絡資源管理是空天海一體化網(wǎng)絡核心任務之一?；诹Ｗ尤核惴╗10]或遺傳算法[11]等的啟發(fā)式算法在物理網(wǎng)絡資源管理中發(fā)揮了重要作用。但是空天海一體化網(wǎng)絡規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復雜，上述方案存在諸多局限性。近年來，DRL（Deep Reinforcement Learning,深度強化學習）作為一種新的突破性的技術，已經(jīng)被運用到通信和互聯(lián)網(wǎng)領域的諸多方面。由于空天海一體化網(wǎng)絡是典型的高維空間架構(gòu)，而DRL 具有良好的感知和決策（尤其對于連續(xù)決策問題）能力，可以通過智能代理與環(huán)境進行交互獲得最佳的資源管理方案，解決高維空間決策問題，所以將DRL 運用到空天海一體化網(wǎng)絡中進行資源管理無疑是一種很有前途的方法。文獻[12]研究了霧接入網(wǎng)絡的資源分配問題，并提出了一種基于DRL 的模式選擇、資源和功率分配的聯(lián)合優(yōu)化算法，利用DRL 控制器根據(jù)學習自主控制決定計算任務在本地執(zhí)行或卸載到云服務器，以合理調(diào)度網(wǎng)絡資源，降低延遲。文獻[13] 提出一種基于Q-learning 的資源分配和功率控制算法，優(yōu)化蜂窩網(wǎng)絡的資源管理問題，提高網(wǎng)絡吞吐量和能效。文獻[14] 設計了一種基于人工智能和區(qū)塊鏈的邊緣計算框架，并利用DRL 算法有效調(diào)度上下行資源，提高資源利用率。

2.2 頻譜共享

6G 空天海綜合網(wǎng)絡是一個跨越多層的三維網(wǎng)絡，包含多個網(wǎng)絡元素，不同運營商之間需要開放和共享，此外，它面臨著寬帶無線業(yè)務頻率需求的增加和頻譜資源緊缺的矛盾。因此，有必要研究無線頻譜共享問題，提高頻譜資源利用率。為了滿足無線通信設備的流量需求并最大化網(wǎng)絡效用，DSS（Dynamic Spectrum Sharin，動態(tài)頻譜共享）技術應用而生，DSS 技術是在同一頻段內(nèi)，為不同制式的技術同時提供相同的、動態(tài)、靈活分配的、單一共享的時頻資源，6G 動態(tài)頻譜共享的目標是實現(xiàn)高、中、低頻譜的共享，充分利用日益擁擠的無線電頻譜資源，大幅提升整體頻譜利用率。文獻[15] 研究了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的頻譜共享問題，提出了一種多波束衛(wèi)星系統(tǒng)的頻段分配方法，通過應用基于市場的機制來支持衛(wèi)星頻譜分配以獲得更高的頻譜效率。文獻[16] 探討了基于云的衛(wèi)星和地面頻譜共享網(wǎng)絡問題，提出了一種基于無線電地圖的智能頻譜共享方案，以降低用戶阻塞率和等待概率。從5G 的毫米波頻譜時代到6G 的太赫茲頻譜時代，更高的頻段也意味著更大的路徑損耗、更小的覆蓋半徑。對于當前寬帶系統(tǒng)中的物理信道，頻譜共享往往會導致信道之間的相互干擾，為了防止信道干擾，有必要提出高效和智能的訪問規(guī)則來避免沖突，從多個維度細分多層設備的頻譜資源粒度，使得可以可靠、安全地隨機訪問大量網(wǎng)絡終端數(shù)據(jù)。為了降低頻譜資源競爭帶來的高時延，融合物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、6G 混合云的頻譜共享是很有前景的解決方案[17]，從而實現(xiàn)靈活、可行、高效的頻譜分配。受此啟發(fā)，文獻[18] 首先提出了能夠?qū)崿F(xiàn)萬物互聯(lián)的UIoT 系統(tǒng)，然后融合區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)、混合云、6G 等現(xiàn)代先進技術，旨在實現(xiàn)能夠全面感知的系統(tǒng)狀態(tài)及高效處理信息的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。其中混合云的主要好處是通過分布式和多層基于云的服務器來緩解無線網(wǎng)絡的擁塞，這將大大降低了6G 網(wǎng)絡的延遲。因此，混合云可以為6G 網(wǎng)絡中的移動區(qū)塊鏈平臺提供及時高效的計算支持。6G 混合云中的區(qū)塊鏈解決了移動環(huán)境中計算資源有限且不可追溯的問題。通過在分布式混合云平臺上部署區(qū)塊鏈，可以輕松實現(xiàn)UIoT 設備的頻譜共享。

2.3 路由策略

對于空天海一體化網(wǎng)絡，信息需要在多個網(wǎng)絡之間傳輸，路由是各種網(wǎng)絡互聯(lián)的基礎。如何設計有效的路由協(xié)議，在任何給定時間構(gòu)建適當?shù)臄?shù)據(jù)包路由路徑，以適應高動態(tài)網(wǎng)絡拓撲，面臨著一定的挑戰(zhàn)。目前的路由方案多是針對單層網(wǎng)絡路由，多層網(wǎng)絡之間的協(xié)同路由研究較少，因此需要著重研究多層網(wǎng)絡間的路由。網(wǎng)絡中的節(jié)點類型多種多樣，不同層的限制也各不相同，如衛(wèi)星傳輸時延高、無人機能量有限、地面容易受地理環(huán)境的影響等都會引起網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的變化。

同樣地，傳統(tǒng)的路由協(xié)議大多是由分布式路由協(xié)議改進而來，但空天海一體化網(wǎng)絡具有時變、異構(gòu)、自組織、分布式、開放等特點，已不再適用，動態(tài)路由是實現(xiàn)網(wǎng)絡化空間系統(tǒng)的關鍵技術。動態(tài)路由技術可以自主檢測網(wǎng)絡系統(tǒng)的拓撲變化，并能適應網(wǎng)絡狀態(tài)的變化，使得網(wǎng)絡空間系統(tǒng)始終保持最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。已有研究利用典型的鏈路狀態(tài)路由協(xié)議（如OSPFv3），通過分析空間鏈路的特性改進協(xié)議，解決了路由收斂慢的問題[19]。當前，對于大規(guī)模的復雜異構(gòu)網(wǎng)絡，將強化學習應用到路由領域已成為研究的熱點。文獻[20] 基于節(jié)點移動性較快的移動自組網(wǎng)場景，開發(fā)了一種Q-learning 算法，用于學習網(wǎng)絡中節(jié)點的移動性，為下一跳路由做參考，提高了網(wǎng)絡路由性能。目前互聯(lián)網(wǎng)服務總是追求端到端延遲，因此文獻[21] 提出了一種基于RL 的空天地一體化路由方案，以最低延遲為目標，以剩余能量和帶寬利用為約束，通過強化學習及其獎勵函數(shù)的設計，有效地解決了衛(wèi)星帶寬資源和無人機能量有限的問題，降低了端到端延遲及丟包率。此外，文獻[22] 探討了能量有限的數(shù)據(jù)包路由問題，提出了一種新的基于DRL 的節(jié)能路由協(xié)議，通過學習平衡衛(wèi)星之間能量使用的路由策略，降低了能耗，保障了有界所需的端到端延遲。

2.4 網(wǎng)絡管理

空天海一體化網(wǎng)絡是多層集成網(wǎng)絡，通過多層架構(gòu)為用戶提供高效、個性化的服務。但由于結(jié)構(gòu)復雜、通信協(xié)議不一致、設備不兼容等問題，嚴重影響了信息傳輸效率。在異構(gòu)融合網(wǎng)絡的背景下，可實行地面段集中控制；根據(jù)衛(wèi)星組網(wǎng)方式，通過星上自主控制彌補地面站的不足[23]。另外，NFV（Network Function Virtualization，網(wǎng)絡功能虛擬化）技術提供了一種解耦硬件和軟件的解決方案，通過減少對專有設備的依賴來降低服務部署成本，并以更靈活的軟件定義框架構(gòu)建服務特性。SDN（Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡）采用相互分離的集中控制平面和分布式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面，提供靈活的可編程能力[24]。NFV和SDN 技術在很大程度上降低了網(wǎng)絡設備的更新和維護成本，為全球范圍內(nèi)實現(xiàn)萬物高效互聯(lián)提供了解決方案。

為了提高信息傳輸效率，提升網(wǎng)絡性能，需要進行傳輸控制。由于空天海網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的復雜性，傳統(tǒng)的傳輸控制協(xié)議在網(wǎng)絡流量控制和資源分配方面受到了挑戰(zhàn)。一旦交換節(jié)點向控制器節(jié)點發(fā)送的請求超過控制器的處理能力，就會出現(xiàn)網(wǎng)絡擁塞?，F(xiàn)有的傳輸控制方案大多是針對一般用戶需求或特定流量類型設計的，無法適應大規(guī)模異構(gòu)的傳輸需求。針對上述問題，文獻[25] 采用SDN/NFV 技術構(gòu)建5G 衛(wèi)星網(wǎng)絡架構(gòu)，并提出分析模型以實現(xiàn)衛(wèi)星-地面鏈路之間的最優(yōu)流量分布和冗余度，促進了與5G 地面系統(tǒng)的集成。另外，在空天海一體化網(wǎng)絡中，計算存儲和傳輸資源有限，不同網(wǎng)絡行為參與者之間會存在競爭，為了進一步解決此問題，文獻[25] 基于排隊博弈理論建立系統(tǒng)模型，并提出了一種異構(gòu)用戶動態(tài)切換軟件定義傳輸控制方案，以提高系統(tǒng)應對交換節(jié)點進出的主動適應能力。為了應對SAGIN 的間歇性，文獻[26] 構(gòu)想了一個智能分布式協(xié)作控制層，由衛(wèi)星控制器和地面控制器組成，本質(zhì)上與知識圖譜和定制強化學習相結(jié)合，能夠進行高效的自適應動態(tài)資源控制，減輕網(wǎng)絡擁塞和排隊延遲。當網(wǎng)絡中的SDN 技術無法應對隨時間變化的資源管理以及高效調(diào)度計算和存儲資源的關鍵任務需求時，控制器可以很好地發(fā)揮作用。

3 待解決的主要問題

在空天地海一體化網(wǎng)絡中，由于業(yè)務特性的多樣性和用戶服務質(zhì)量的要求，網(wǎng)絡資源分配和業(yè)務分配變得非常困難。傳統(tǒng)的優(yōu)化方法效率低，響應速度慢，無法適應復雜多變的空天海一體化網(wǎng)絡環(huán)境，難以滿足各種網(wǎng)絡應用業(yè)務需求。下面簡要討論一下空天海一體化網(wǎng)絡在網(wǎng)絡管理、安全性、干擾分析等關鍵技術方面所面臨的挑戰(zhàn)。

3.1 網(wǎng)絡管理

（1）移動性管理

天基網(wǎng)絡的衛(wèi)星包括GEO、MEO、LEO，目前國內(nèi)外的研究主要集中在LEO 衛(wèi)星。LEO 主要是以點波束[27]覆蓋地面用戶，且星間鏈路具有覆蓋范圍廣、用戶規(guī)模大等特點，但用戶的不規(guī)則移動或衛(wèi)星的運動會導致用戶離開衛(wèi)星波束的覆蓋范圍。為了保障用戶的通信，實現(xiàn)無縫移動，這就需要快速切換至其他衛(wèi)星。但不同的鏈路具有不同的切換成本，應綜合考慮鏈路切換的成本，保證切換業(yè)務的服務質(zhì)量。另外，如何區(qū)分不同業(yè)務，并將業(yè)務需求動態(tài)匹配到物理層，是一個尚未解決的重要問題[28]。同時，通信鏈路層的失效造成的長切換延遲將極大降低了用戶體驗。

出于不同的設計目的，網(wǎng)絡組件運行在不同的網(wǎng)段，不同網(wǎng)段的網(wǎng)絡資源是異構(gòu)的，只能在有限的時間和地點使用，如何有效整合網(wǎng)絡資源也是當前尚未解決的問題。其次，不同網(wǎng)絡資源管理是一個動態(tài)過程，異構(gòu)網(wǎng)絡到所有網(wǎng)段的密集部署將導致更頻繁的鏈路切換，增加網(wǎng)絡信令開銷，降低用戶體驗，這就需要新的移動節(jié)點的管理技術，有必要在考慮低成本和高收入等實際要求的同時實時管理資源。

（2）網(wǎng)關選擇

在異構(gòu)網(wǎng)絡中，由于專有網(wǎng)絡設備的通信系統(tǒng)是封閉的，協(xié)議和格式轉(zhuǎn)換需要專用網(wǎng)關來實現(xiàn)網(wǎng)段間通信。通常的情況是為每個網(wǎng)段選擇幾個網(wǎng)關節(jié)點，節(jié)點充當中轉(zhuǎn)站，共同建立網(wǎng)段間連接以進行信息交換[29]。由于接入節(jié)點的移動性較強，用于通信的低軌衛(wèi)星通過終端用戶上空的時間比較短。因此為了應對接入節(jié)點的頻繁切換，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的設計和節(jié)點的部署需要滿足高效、低延遲的要求。另外，網(wǎng)絡接口作為理想的隱私邊界，對于不同的網(wǎng)絡運營商，要保證其安全可靠，才有可能實現(xiàn)不同網(wǎng)絡的深度融合[30]。通過選擇網(wǎng)關節(jié)點，根據(jù)通信路由策略配置來增強匯聚網(wǎng)絡的可管理和可控性。但是由于網(wǎng)絡拓撲、地理位置和惡劣天氣等不可控因素，衛(wèi)星網(wǎng)關的不同布局可能會導致網(wǎng)絡可靠性和延遲的性能不同。所以，選擇網(wǎng)關衛(wèi)星具有重要的意義和挑戰(zhàn)性。

3.2 安全性

無線通信系統(tǒng)在進行網(wǎng)絡通信傳輸時，容易遭受各種攻擊，如竊聽、消息篡改、惡意轉(zhuǎn)發(fā)、流量分析等，對網(wǎng)絡用戶構(gòu)成威脅。某些惡意用戶可能會共享非法信息，竊聽正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，如何切斷非法通信是亟待解決的一個問題。鏈路安全等級可以劃分為多個級別，根據(jù)網(wǎng)絡系統(tǒng)的安全要求，需要指定不同級別的保護質(zhì)量來防止可能的流量分析攻擊。除了傳統(tǒng)加密方法之外，物理層安全已成為衛(wèi)星和無人機通信安全的一個有前途的方法，但它仍然是一個開放性和挑戰(zhàn)性的問題[29]。

文獻[30] 利用無線信道的唯一性、不同位置特征屬性不同等特點，引入基于信息論的物理層安全PLS（Physical Layer Security，物理層安全）技術以增強物理層安全。但是，將PLS 方法應用到天地一體化網(wǎng)絡中還存在信道的動態(tài)性、反饋時延和信道估計誤差及能源消耗等挑戰(zhàn)，故能否將PLS 方法應用到異構(gòu)空天地海網(wǎng)絡中還需進一步驗證。

3.3 干擾分析

衛(wèi)星與終端之間的長距離及無線鏈路的開放性，使得通信會受到衰落等傳播效應干擾以及其他信道損傷等影響[29]，直接導致服務質(zhì)量下降。如果LEO和GEO 系統(tǒng)共享頻譜，由于波束之間不能完全隔離，系統(tǒng)之間可能會發(fā)生波束重疊，導致嚴重干擾。此外，由于旁瓣效應的存在，當多個衛(wèi)星工作頻率相同時，GEO 衛(wèi)星在接收信號時，LEO 系統(tǒng)的上行鏈路的信號可能會對其造成干擾；GEO 地面站也可能接收到LEO 衛(wèi)星的下行鏈路信號，使它們互相干擾。

星地間干擾的主要成因是不同國家對于頻譜資源的劃分規(guī)定不同。如果星地間共享頻率，會產(chǎn)生同頻干擾，地面通信會對衛(wèi)星通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁和雜波干擾，主要包括地面基站與終端對衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)上下行鏈路的干擾[31]。

干擾可能會破壞信號的完整性，甚至切斷發(fā)射機和接收機之間的通信鏈路，即衛(wèi)星鏈路、天地鏈路、地面鏈路等，它們是容易受到不利電磁干擾攻擊的鏈路；由于衛(wèi)星上缺乏特殊的處理和濾波功能，處理上行鏈路更具有挑戰(zhàn)性[29]。

3.4 信道建模

信道模型反映無線電信號的通信特性，可用來進一步研究信道的傳輸能力。信道建模需要一些物理參數(shù)，如帶寬、頻率、載波、衛(wèi)星速度、傳播距離、天線類型等。然而由于衛(wèi)星的傳播距離長，接收端接收到的信號易受噪聲干擾和其他信道損傷的影響，多普勒頻移較大，這類信號的采集和處理具有很強的挑戰(zhàn)性。

由于衛(wèi)星、無人機和地面終端是動態(tài)變化的，導致空域網(wǎng)絡的信道在大多數(shù)情況下處于一個非平穩(wěn)狀態(tài)[28]，這與在時空頻率平穩(wěn)狀態(tài)下的信道建模不同，給建模帶來很大的困難。如何在非平穩(wěn)狀態(tài)下對信道進行建模仍是一個有待解決的問題。

3.5 GEO的高延遲

GEO 衛(wèi)星距地面約36 000 km，長距離導致高通信延遲，而且點波束內(nèi)的差分傳播延遲也不能忽略。MEO/LEO在空間中沒有固定位置，地面站不能輕易鎖定任何一顆特定衛(wèi)星與之連接，導致排隊延遲和丟包率顯著增加。雖然路由可支持基于不同參數(shù)的數(shù)據(jù)流，并以集中方式管理它們，但如按每個流的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則發(fā)送至所涉及的中間節(jié)點，后者將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至目的地，該過程中的高延遲使得執(zhí)行的時間不可忽略。中間節(jié)點存儲的數(shù)據(jù)報越多，網(wǎng)絡的等待延遲就越嚴重[32]，使得整個網(wǎng)絡的服務質(zhì)量受到影響。

4 結(jié)束語

隨著未來信息服務對多維綜合信息資源的需求逐步提升，空天海一體化網(wǎng)絡是未來網(wǎng)絡的重要發(fā)展趨勢，能夠滿足未來網(wǎng)絡廣域全覆蓋及互聯(lián)互通的需求。本文討論了空天海一體化網(wǎng)絡架構(gòu)及其所面臨的問題與挑戰(zhàn)，并對其關鍵技術進行了概述，分析了融合架構(gòu)網(wǎng)絡所帶來的優(yōu)勢。