6G中的衛(wèi)星通信高效天基計(jì)算技術(shù)

吳曉文，焦偵豐，凌翔

（1.電子科技大學(xué)，四川 成都 611731；2.電子科技大學(xué)（深圳）高等研究院，廣東 深圳 518110；3.深圳市星網(wǎng)榮耀科技有限公司，廣東 深圳 518052）

0 引言

5G商用伊始，全球就已悄然啟動(dòng)了6G研發(fā)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，特別是美國(guó)，希望通過(guò)6G研發(fā)重塑其在通信行業(yè)的霸主地位。6G網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)天地融合，馬斯克的Starlink星座建設(shè)是目前6G的首次實(shí)質(zhì)性嘗試[1]。我國(guó)于2019年11月正式啟動(dòng)6G技術(shù)研發(fā)，并于2021年3月提出“前瞻布局6G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)儲(chǔ)備”[2]。

6G在5G技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步融合衛(wèi)星通信、人工智能（AI, Artificial Intelligence）與大數(shù)據(jù)技術(shù)[3]，突破地形地表的限制，擴(kuò)展到太空、空中、陸地、海洋等自然空間，真正實(shí)現(xiàn)全球全域的“泛在連接”[4]。但是，目前的衛(wèi)星通信以透明轉(zhuǎn)發(fā)為主，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡(jiǎn)單，衛(wèi)星載荷的天基計(jì)算能力較弱，信息處理主要依靠地面數(shù)據(jù)中心完成，無(wú)法滿足6G場(chǎng)景下的星地、星間互聯(lián)互通、極低通信時(shí)延和高效計(jì)算能力的需求。

有鑒于此，本文對(duì)未來(lái)6G時(shí)代的星地協(xié)同AI、云邊協(xié)同的高效天基計(jì)算及適應(yīng)多種業(yè)務(wù)的一體化異構(gòu)天基計(jì)算技術(shù)進(jìn)行了探討和展望。

1 現(xiàn)階段的通信衛(wèi)星載荷處理技術(shù)

自上世紀(jì)60年代以來(lái)衛(wèi)星通信技術(shù)及其應(yīng)用蓬勃發(fā)展，已經(jīng)由單一的地球同步軌道（GEO, Geosynchronous Earth Orbit）衛(wèi)星發(fā)展到了低地球軌道（LEO, Low Earth Orbit）衛(wèi)星、中地球軌道（MEO, Medium Earth Orbit）衛(wèi)星與GEO衛(wèi)星共存的局面。目前的通信衛(wèi)星有效載荷主要采用透明轉(zhuǎn)發(fā)的彎管模式。根據(jù)通信衛(wèi)星有效載荷硬件結(jié)構(gòu)的不同，可分為傳統(tǒng)的彎管無(wú)線射頻系統(tǒng)、星上處理彎管系統(tǒng)和星上數(shù)字處理系統(tǒng)三個(gè)大的類別[5]。傳統(tǒng)的彎管無(wú)線射頻系統(tǒng)對(duì)信號(hào)不做任何數(shù)字化處理。星上處理彎管系統(tǒng)一般將信號(hào)數(shù)字化處理成基帶信號(hào)，再將基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字化信道器后頻分組成相對(duì)窄的帶寬信號(hào)，使之能夠在大量波束間交換，優(yōu)化了頻譜分配。星上數(shù)字處理系統(tǒng)是通過(guò)將信號(hào)解調(diào)譯碼后對(duì)其在比特層面上進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)流重新編碼后再傳輸給地面站[6]，如銥星（Iridium）系統(tǒng)?？傊?，現(xiàn)有通信衛(wèi)星星上處理技術(shù)或計(jì)算能力僅具備簡(jiǎn)單的波束分簇和控制、調(diào)制/解調(diào)及編解碼能力，不具備復(fù)雜計(jì)算和支持AI技術(shù)的能力。

軟件定義衛(wèi)星是近幾年發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，利用較為成熟的軟件定義無(wú)線電技術(shù)，在較大范圍內(nèi)靈活控制衛(wèi)星無(wú)線電信號(hào)調(diào)制方式、帶寬、波形、頻率等，實(shí)現(xiàn)對(duì)相同衛(wèi)星硬件的“軟件定義”，達(dá)到有效載荷功能或性能軟重新配置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在軌任務(wù)的靈活配置。目前，軟件定義衛(wèi)星基本聚焦于通信衛(wèi)星領(lǐng)域，其可調(diào)整的性能主要包括波束可重配、工作頻段和帶寬可動(dòng)態(tài)調(diào)整，以及天線增益可調(diào)整三個(gè)方面。軟件定義衛(wèi)星目前尚處于起步階段，在商業(yè)衛(wèi)星通信領(lǐng)域開(kāi)始有初步的應(yīng)用[7]。

衛(wèi)星與地面通信系統(tǒng)特別是5G相結(jié)合的星地融合通信的研究和探索正在進(jìn)行中，目前主要的國(guó)際研究組織包括SaT5G、3GPP等。SaT5G旨在成為定義3GPP中5G衛(wèi)星解決方案集成的主要載體[8]，其研究成果將成為3GPP標(biāo)準(zhǔn)的輸入來(lái)源之一。3GPP對(duì)于星地融合的研究主要體現(xiàn)在TR 38.811、TR 38.821和TR 22.822等技術(shù)報(bào)告中，對(duì)衛(wèi)星通信和5G乃至B5G及6G的研究都奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，但這些報(bào)告還處于星地融合的初級(jí)探討階段，還未形成標(biāo)準(zhǔn)化及工程化的應(yīng)用。

總之，目前衛(wèi)星載荷的能力十分有限，其轉(zhuǎn)發(fā)器容量、單終端用戶通信速率和工作頻段等也都無(wú)法滿足未來(lái)6G的覆蓋、大連接、多業(yè)務(wù)、高并發(fā)、大帶寬、高動(dòng)態(tài)等通信需要。

2 6G衛(wèi)星通信高效天基計(jì)算技術(shù)

2.1 6G衛(wèi)星通信對(duì)天基計(jì)算的能力要求

根據(jù)相關(guān)研究，未來(lái)6G將由5G時(shí)代的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、高可靠低延時(shí)（uRLLC）和海量機(jī)器類服務(wù)三大應(yīng)用場(chǎng)景擴(kuò)展為更強(qiáng)移動(dòng)寬帶（FeMBB, Furtherenhanced Mobile Broadband）、極可靠低延時(shí)（ERLLC,Extremely Reliable and Low-Latency Communications）、廣覆蓋高延時(shí)高移動(dòng)性通信（LDHMC, Long-Distance and High-Mobility Communications）、超大規(guī)模機(jī)器類通信（uMMTC, ultra-Massive Machine-Type Communications）和極低功率通信（ELPC, Extremely Low-Power Communications）五大應(yīng)用場(chǎng)景[9]，這些對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)及衛(wèi)星載荷的天基計(jì)算能力提出了更高的要求。其中，針對(duì)天基計(jì)算的能力要求至少涉及以下方面：

（1）天地融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

核心要求為支持星間鏈路，滿足同層衛(wèi)星（如其他LEO衛(wèi)星）及不同層衛(wèi)星（如GEO或MEO衛(wèi)星）的互聯(lián)互通能力，甚至還需要具備衛(wèi)星空口與地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)空口兼容的能力。

（2）智能路由和星際星地網(wǎng)絡(luò)切換

可根據(jù)終端業(yè)務(wù)類型合理智能調(diào)度資源，并通過(guò)智能路由技術(shù)，滿足終端對(duì)通信速率、通信時(shí)延、可靠性和誤碼率等質(zhì)量要求。

（3）智能資源調(diào)度

能夠智能感知資源分配情況，并可智能進(jìn)行資源的動(dòng)態(tài)分配。

（4）衛(wèi)星載荷能力

除了常規(guī)的頻率轉(zhuǎn)換等能力外，還需具備網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV），支持星載基站與輕量化核心網(wǎng)，支持邊緣計(jì)算（MEC）和用戶平面功能（UPF）。

（5）智能內(nèi)生

作為新型基礎(chǔ)設(shè)施的重要戰(zhàn)略性技術(shù)加速發(fā)展，AI將與6G創(chuàng)新融合，引發(fā)新一輪技術(shù)變革。為滿足6G網(wǎng)絡(luò)對(duì)天基計(jì)算的能力要求，迫切要求衛(wèi)星通信載荷同時(shí)支持輕量化AI的應(yīng)用能力。人工智能計(jì)算中心將成為智能化時(shí)代的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施[10]，星載輕量化人工智能計(jì)算中心成為AI全棧賦能6G衛(wèi)星高效天基計(jì)算的必備手段。

（6）安全內(nèi)生

終端設(shè)備具備同時(shí)接入地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的能力，而且終端設(shè)備及業(yè)務(wù)類型的多樣化和動(dòng)態(tài)化，對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全提出了更大挑戰(zhàn)。人工智能賦能安全，可以綜合判斷并選取最優(yōu)策略，高效、精準(zhǔn)、自適應(yīng)提升安全風(fēng)險(xiǎn)和威脅的監(jiān)測(cè)、預(yù)警和處置等全流程工作效率[11]。

（7）智能網(wǎng)絡(luò)切片能力

在天基計(jì)算中引入輕量化AI技術(shù)賦能下，實(shí)現(xiàn)智能定義和配置網(wǎng)絡(luò)切片參數(shù)，并根據(jù)終端業(yè)務(wù)需求，智能分配網(wǎng)絡(luò)切片，提高資源利用率，滿足業(yè)務(wù)需求。在全云化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，通過(guò)引入已經(jīng)成熟的以機(jī)器學(xué)習(xí)為核心的AI技術(shù)，可以從切片的智能化部署和切片的智能化調(diào)度管理兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)切片網(wǎng)絡(luò)的智能化，且AI的引入能夠幫助運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)切片靈活性和切片管理復(fù)雜度之間的最佳平衡[12]。

（8）智能服務(wù)預(yù)測(cè)

能夠根據(jù)歷史數(shù)據(jù)及預(yù)測(cè)模型和知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)等資料，智能預(yù)測(cè)用戶業(yè)務(wù)需求的時(shí)空分布，并智能調(diào)度和分配相應(yīng)資源，滿足網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（QoS, Quality of Service）和用戶體驗(yàn)質(zhì)量（QoE, Quality of Experience）等技術(shù)指標(biāo)。

（9）異構(gòu)計(jì)算

6G網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜性，決定了多樣化和多線程任務(wù)的特征。通過(guò)異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)，打造超算能力的天基應(yīng)用環(huán)境，通過(guò)硬件資源調(diào)度和軟件應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的分流、加速和任務(wù)卸載等任務(wù)處理，提升網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。

2.2 6G衛(wèi)星通信的星地協(xié)同AI技術(shù)

未來(lái)的6G將存在網(wǎng)絡(luò)覆蓋全球化、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)復(fù)雜化、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)化、頻譜資源全頻段化、終端類型多樣化、終端用戶規(guī)?；?、業(yè)務(wù)類型多樣化和應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜化等顯著特征，必須依賴智能化的網(wǎng)絡(luò)營(yíng)運(yùn)和管理，方可保障網(wǎng)絡(luò)的可靠性、健壯性，以及業(yè)務(wù)處理高效性。因此，人們已經(jīng)啟動(dòng)了AI在移動(dòng)通信中的賦能機(jī)制研究。現(xiàn)有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與AI結(jié)合的相關(guān)成果主要聚焦于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)化，基于AI的智能無(wú)線網(wǎng)絡(luò)研究還處于起步階段[13]。這里從星地協(xié)同AI架構(gòu)、基于AI的服務(wù)需求智能預(yù)測(cè)和星地分布式學(xué)習(xí)AI技術(shù)等三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行探討。

（1）星地協(xié)同AI架構(gòu)

6G將利用跨協(xié)議棧的AI，成為一個(gè)可以自我配置并可自我維持的自主系統(tǒng)[14]。AI將深度融入6G系統(tǒng)，并在高效傳輸、無(wú)縫組網(wǎng)、內(nèi)生安全、大規(guī)模部署、自動(dòng)維護(hù)等多個(gè)層面得到實(shí)際應(yīng)用[15]。算力、算法和數(shù)據(jù)被稱為AI發(fā)展的三個(gè)基本條件[16]，基于6G網(wǎng)絡(luò)終端、地面和天基資源及算力、算法和數(shù)據(jù)感知能力的差異化與動(dòng)態(tài)化特征，需建立面向分布式學(xué)習(xí)的星地協(xié)同AI算法框架，適配星地計(jì)算能力的多主體、多目標(biāo)、多級(jí)協(xié)同AI機(jī)制。其中，基于星上資源和處理能力的客觀條件限制，建立星上輕量級(jí)AI學(xué)習(xí)模型；而依托地面站與數(shù)據(jù)中心超大容量和超強(qiáng)算力的優(yōu)勢(shì)，可建立基于海量數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)模型。圖1給出了天地協(xié)同AI參考架構(gòu)，這里把LEO和MEO衛(wèi)星合稱為非靜止軌道（NGEO）衛(wèi)星。

圖1 星地協(xié)同AI參考架構(gòu)

（2）基于AI的服務(wù)需求智能預(yù)測(cè)

6G的星載基站高動(dòng)態(tài)特性，使得其覆蓋范圍內(nèi)的業(yè)務(wù)需求也在高頻發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，而精細(xì)化的服務(wù)需求預(yù)測(cè)則成為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量Qos和QoE保證因素之一。6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)業(yè)務(wù)需求、服務(wù)質(zhì)量和資源分配等歷史數(shù)據(jù)，建立星地業(yè)務(wù)的資源需求智能預(yù)測(cè)機(jī)制，為按需服務(wù)的6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化提供前置輸入。在保護(hù)用戶隱私的前提下，對(duì)6G衛(wèi)星通信的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和使用，采用基于數(shù)據(jù)庫(kù)的新知識(shí)發(fā)現(xiàn)、場(chǎng)景感知和場(chǎng)景過(guò)濾等算法，使得基于服務(wù)需求的智能預(yù)測(cè)成為可能?；诖?，星地協(xié)同數(shù)字孿生技術(shù)是值得研究的方向，針對(duì)星地孿生交互數(shù)據(jù)量大和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓邉?dòng)態(tài)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)星地協(xié)同機(jī)制實(shí)現(xiàn)物理空間與數(shù)字空間的交互映射，提升6G業(yè)務(wù)流量預(yù)測(cè)、服務(wù)類型預(yù)測(cè)以及資源需求預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)性，并進(jìn)一步支持星地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管控、網(wǎng)絡(luò)行為預(yù)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)行為分析等。

（3）星地分布式學(xué)習(xí)AI技術(shù)

相比傳統(tǒng)的集中式學(xué)習(xí)，分布式學(xué)習(xí)能夠更有效發(fā)揮星地異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力，減少星間和星地?cái)?shù)據(jù)傳輸需求。根據(jù)數(shù)據(jù)隱私要求和共享開(kāi)放程度的不同，適配不同應(yīng)用場(chǎng)景的星地分布式協(xié)同學(xué)習(xí)算法模型。在同一衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商應(yīng)用場(chǎng)景下，數(shù)據(jù)共享和開(kāi)放程度較高，但不同衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商之間的數(shù)據(jù)隱私保護(hù)要求較高。通過(guò)聯(lián)邦學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)和模型參數(shù)上注等分布式學(xué)習(xí)算法模型及其場(chǎng)景適配性，建立星地分布式學(xué)習(xí)算法庫(kù)，為6G衛(wèi)星通信的智能管理機(jī)制提供算法模型基礎(chǔ)。

2.3 基于云邊協(xié)同的高效天基計(jì)算

6G融合了地面網(wǎng)絡(luò)和GEO和NGEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成了GEO、MEO、LEO及地面網(wǎng)絡(luò)的分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這使得具備高算力的GEO衛(wèi)星具備了輕量化核心網(wǎng)及數(shù)據(jù)中心的能力，而由MEO和LEO衛(wèi)星組成的NGEO則具備了邊緣計(jì)算能力，為實(shí)現(xiàn)運(yùn)邊協(xié)同的高效天基計(jì)算提供了信息基礎(chǔ)設(shè)施。

（1）云邊協(xié)同的天基計(jì)算架構(gòu)

星間和星地計(jì)算資源共享和計(jì)算任務(wù)協(xié)同處理，是提升衛(wèi)星計(jì)算效率的有效途徑，將邊緣計(jì)算和云邊協(xié)同的計(jì)算框架引入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建面向6G衛(wèi)星通信的新型天基計(jì)算架構(gòu)，使能衛(wèi)星在軌協(xié)同計(jì)算。天基計(jì)算系統(tǒng)將利用低軌衛(wèi)星的近地表和數(shù)量多優(yōu)勢(shì)，提供天基邊緣計(jì)算服務(wù)；利用高軌衛(wèi)星的強(qiáng)算力和穩(wěn)定性，提供天基云計(jì)算服務(wù)；通過(guò)分析業(yè)務(wù)時(shí)延、天基/地基算力差異和星載能耗等約束，使能天基與地基協(xié)同計(jì)算，有效平衡計(jì)算需求與星載能耗的折中關(guān)系。

（2）基于邊緣計(jì)算的低軌協(xié)同計(jì)算

天基邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)了計(jì)算任務(wù)在低軌衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的分流與處理，能夠節(jié)省星地/星間鏈路傳輸帶寬，降低星地鏈路大時(shí)延影響。針對(duì)單顆低軌衛(wèi)星算力有限問(wèn)題，基于低軌衛(wèi)星簇的算力增強(qiáng)方法，建立根據(jù)計(jì)算任務(wù)需求動(dòng)態(tài)選擇算力簇的形成機(jī)制。針對(duì)低軌衛(wèi)星高移動(dòng)性、過(guò)頂時(shí)間有限和廣域負(fù)載不均衡等問(wèn)題，設(shè)計(jì)天基計(jì)算任務(wù)卸載策略。綜合星載能效、星上計(jì)算時(shí)延、通信傳輸時(shí)延、以及計(jì)算/通信/存儲(chǔ)資源效率等多目標(biāo)需求，利用計(jì)算資源需求熱力圖和星地協(xié)同AI決策等技術(shù)手段，從系統(tǒng)角度優(yōu)化多衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)計(jì)算任務(wù)分配，計(jì)算數(shù)據(jù)遷移和星間信令交互及計(jì)算結(jié)果返回策略。

2.4 適應(yīng)多業(yè)務(wù)特征的一體化異構(gòu)計(jì)算

6G中衛(wèi)星通信有效載荷面臨著在體積、重量、功耗等條件和資源受限的環(huán)境下處理多種多樣應(yīng)用場(chǎng)景和任務(wù)的問(wèn)題，這要求衛(wèi)星有效載荷既要能夠獨(dú)立進(jìn)行系統(tǒng)管理和任務(wù)執(zhí)行，又要能與其它衛(wèi)星載荷實(shí)現(xiàn)互聯(lián)協(xié)作，無(wú)疑給6G天基高性能異構(gòu)計(jì)算提出了更高的要求。異構(gòu)計(jì)算指的是采用多種具有不同硬件架構(gòu)的設(shè)備共同完成計(jì)算任務(wù)的計(jì)算方式，系統(tǒng)獲取任務(wù)之后將會(huì)在CPU上運(yùn)行調(diào)度算法，根據(jù)調(diào)度算法結(jié)果進(jìn)行任務(wù)管理，系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)調(diào)度結(jié)果對(duì)硬件單元進(jìn)行任務(wù)分配[17]。

6G衛(wèi)星在軌計(jì)算系統(tǒng)需要處理面向多種通信業(yè)務(wù)的多類型信號(hào)、數(shù)據(jù)和協(xié)議。多種應(yīng)用任務(wù)要在統(tǒng)一的信號(hào)處理平臺(tái)上處理，要求任務(wù)對(duì)象表述結(jié)構(gòu)和處理承載平臺(tái)架構(gòu)的匹配對(duì)應(yīng)。結(jié)合衛(wèi)星的異構(gòu)眾核計(jì)算資源特征，針對(duì)不同通信業(yè)務(wù)的天基計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行一體化、并行化和動(dòng)態(tài)加載設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步采用基于圖的任務(wù)并行化分解與聚合方法，通過(guò)計(jì)算任務(wù)和計(jì)算資源的實(shí)時(shí)映射與調(diào)度，提升多業(yè)務(wù)處理效率和異構(gòu)計(jì)算資源使用效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

6G將在5G三大應(yīng)用場(chǎng)景的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行延伸和擴(kuò)展，構(gòu)建空天地海全覆蓋全連接的一體化網(wǎng)絡(luò)，其對(duì)衛(wèi)星通信天基計(jì)算的能力提出了更高的要求。本文通過(guò)分析現(xiàn)有天基計(jì)算技術(shù)以及6G業(yè)務(wù)和智能化場(chǎng)景需求基礎(chǔ)上，分別從星地協(xié)同AI架構(gòu)、云邊協(xié)同高效天基計(jì)算技術(shù)和一體化異構(gòu)計(jì)算技術(shù)三個(gè)方面，對(duì)6G時(shí)代高效天基計(jì)算技術(shù)解決方案進(jìn)行了探討和展望，未來(lái)可以此為基礎(chǔ)開(kāi)展更深入的研究。