面向6G的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)展望

吳曉文，焦偵豐，凌翔，劉冰，朱立東，韓磊

（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； 4. 星展測(cè)控科技股份有限公司，陜西 西安 710018）

1 引言

“4G改變生活，5G改變社會(huì)”。5G移動(dòng)通信以增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）、大連接物聯(lián)網(wǎng)（massive machine-type communication，mMTC）和低時(shí)延高可靠通信（ultra-reliable & low-latency communication，uRLLC）三大應(yīng)用場(chǎng)景為人們提供寬帶化、海量連接和低時(shí)延類型業(yè)務(wù)，有力推動(dòng)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。目前，5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋仍然以基站為中心，在基站所未覆蓋的沙漠、無人區(qū)、海洋等區(qū)域內(nèi)依然存在大量通信盲區(qū)，預(yù)計(jì)5G時(shí)代仍將有80%以上的陸地區(qū)域和95%以上的海洋區(qū)域無移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。同時(shí)，5G的通信對(duì)象集中在陸地地表10 km以內(nèi)高度的有限空間范圍，無法實(shí)現(xiàn)“空天海地”無縫覆蓋的通信愿景[1]。因此，5G并不能真正實(shí)現(xiàn)“全球全域”和“萬物互聯(lián)”。

6G總體愿景是5G愿景的進(jìn)一步擴(kuò)展和升級(jí)[1]，其特征是全覆蓋、全頻譜和全應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)更加智能化，人工智能（AI）技術(shù)將全方位賦能6G網(wǎng)絡(luò)和用戶，滿足人類精神和物質(zhì)的全方位需求[1]。

目前全球6G技術(shù)研究處于探索與起步階段，技術(shù)路線尚不明確，關(guān)鍵指標(biāo)和應(yīng)用場(chǎng)景還沒有統(tǒng)一的定義，正處于“場(chǎng)景挖掘”和“技術(shù)尋找”階段。盡管如此，6G核心技術(shù)已列入多國(guó)創(chuàng)新戰(zhàn)略，成為大國(guó)科技博弈高精尖領(lǐng)域和全球搶占的戰(zhàn)略制高點(diǎn)[2]。中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)、日本和芬蘭等國(guó)已啟動(dòng)6G研究。美國(guó)已發(fā)布第一份6G報(bào)告，欲將美國(guó)確立為6G理念、開發(fā)、采用和快速商業(yè)化的全球領(lǐng)導(dǎo)者[3]。我國(guó)于2019年11月3日成立了國(guó)家6G技術(shù)研發(fā)推進(jìn)工作組和總體專家組，標(biāo)志著我國(guó)6G技術(shù)研發(fā)工作正式啟動(dòng)。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)啟動(dòng)了6G網(wǎng)絡(luò)研究，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）提出的6G 3個(gè)目標(biāo)之一為融合衛(wèi)星通信在內(nèi)的多類網(wǎng)絡(luò)（ManyNets）[4]，充分說明衛(wèi)星通信將是6G網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。本文首先分析衛(wèi)星通信與5G融合組網(wǎng)研究基礎(chǔ)，總結(jié)6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其技術(shù)特征，尤其是AI在6G網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)發(fā)揮的關(guān)鍵作用，通過分析AI在通信領(lǐng)域的研究為基礎(chǔ)，對(duì)AI在6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進(jìn)行更加深入的研究，提出了AI賦能的6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)及演進(jìn)思路。

2 國(guó)內(nèi)外星地融合研究現(xiàn)狀

基于衛(wèi)星通信的廣覆蓋優(yōu)勢(shì)和廣播及多播特性，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織或機(jī)構(gòu)啟動(dòng)了衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)的融合研究，并取得有關(guān)研究成果。根據(jù)研究目的不同，國(guó)內(nèi)外針對(duì)星地融合的研究主要分為衛(wèi)星通信與5G的融合組網(wǎng)和天地一體化研究?jī)纱箢悇e。

2.1 衛(wèi)星通信與5G的融合組網(wǎng)

2.1.1 國(guó)際方面

國(guó)際上，ITU、3GPP、SaT5G等主要標(biāo)準(zhǔn)化組織或研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)啟動(dòng)衛(wèi)星通信與5G的融合組網(wǎng)研究。ITU提出了星地5G融合的4種應(yīng)用場(chǎng)景，見表1，包括中繼到站、小區(qū)回傳、動(dòng)中通及混合多播場(chǎng)景，并提出支持這些場(chǎng)景必須考慮的關(guān)鍵因素，包括多播支持、智能路由支持、動(dòng)態(tài)緩存管理及自適應(yīng)流支持、時(shí)延、一致的服務(wù)質(zhì)量（QoS）、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）/ 軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）兼容、商業(yè)模式的靈活性等[5]。

表1 ITU提出的4種星地融合場(chǎng)景

2020年7月，3GPP系的5G標(biāo)準(zhǔn)正式被接收為ITU 5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。而SaT5G輸出的研究成果將作為3GPP標(biāo)準(zhǔn)的輸入，驅(qū)動(dòng)3GPP和ETSI關(guān)于衛(wèi)星和5G融合標(biāo)準(zhǔn)化[6]。因此，有關(guān)衛(wèi)星通信與5G融合組網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化輸出，將主要由3GPP完成。3GPP關(guān)于衛(wèi)星通信與5G的融合研究，主要體現(xiàn)在TR38.811、TR38.821以及TR22.822 的3個(gè)技術(shù)報(bào)告中。上述3個(gè)報(bào)告的主要研究?jī)?nèi)容見表2。

表2 3GPP關(guān)于衛(wèi)星通信和5G融合組網(wǎng)研究報(bào)告主要內(nèi)容

雖然上述研究成果還局限于技術(shù)報(bào)告類，沒有形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但是這些研究成果對(duì)于將來衛(wèi)星通信與5G/6G的融合組網(wǎng)奠定了一定的研究基礎(chǔ)，具有積極的參考意義。

2.1.2 國(guó)內(nèi)方面

2019年8月，工信部發(fā)布了《3 000?5 000 MHz頻段第五代移動(dòng)通信基站與衛(wèi)星地球站等無線電臺(tái)（站）干擾協(xié)調(diào)管理辦法》，為規(guī)范我國(guó)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及衛(wèi)星通信的健康發(fā)展指明了方向。

運(yùn)營(yíng)商方面，為充分提升資源利用率，共享5G基礎(chǔ)設(shè)施，國(guó)內(nèi)四大運(yùn)營(yíng)商先后啟動(dòng)了5G共享共建的戰(zhàn)略合作。其中，2019年9月9日，中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)電信簽署《5G網(wǎng)絡(luò)共建共享框架合作協(xié)議書》，2020年5月20日，中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)廣電簽署5G共建共享之合作框架協(xié)議。因此，從這個(gè)層面上看，中國(guó)聯(lián)通與中國(guó)移動(dòng)在衛(wèi)星通信與5G的融合組網(wǎng)方面取得進(jìn)展，代表著國(guó)內(nèi)四大運(yùn)營(yíng)的理論研究和實(shí)踐。2020年4月，中國(guó)移動(dòng)（上海移動(dòng)）與合作伙伴共建的5G+衛(wèi)星通信融合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，研究5G與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的融合架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)融合場(chǎng)景的演示驗(yàn)證試驗(yàn)。

設(shè)備商方面，2020年6月華為與長(zhǎng)光衛(wèi)星已簽署了合作協(xié)議，將大數(shù)據(jù)、AI、5G等高新技術(shù)與產(chǎn)品融合，攜手開拓更大的科技市場(chǎng)。

2.2 天地一體化研究

衛(wèi)星通信業(yè)界對(duì)天地一體融合的探索已接近20年。比較有代表性的天地一體化項(xiàng)目主要有美國(guó)提出的轉(zhuǎn)型通信體系（transformational communications architecture, TCA）、歐洲提出的ISICOM（integrated space infrastructure for global communication）、美國(guó)的SkyTerra以及由中國(guó)提出的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)[7]。我國(guó)的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)以地面網(wǎng)絡(luò)為依托、天基網(wǎng)絡(luò)為拓展，采用統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)、統(tǒng)一的技術(shù)體制、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，由天基信息網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)互聯(lián)互通而成[8]，為深入研究衛(wèi)星與地面融合奠定了基礎(chǔ)。

3 AI賦能的6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

全球各國(guó)及業(yè)界已經(jīng)開始推進(jìn)對(duì)6G的研究，6G愿景、場(chǎng)景、功能和性能基本指標(biāo)也有了新的進(jìn)展。本文以研究文獻(xiàn)提出的6G陸地移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)[9]為基礎(chǔ)，綜合考慮AI和衛(wèi)星通信在6G網(wǎng)絡(luò)中的建設(shè)性作用，提出了AI賦能的6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求及性能指標(biāo)。圖1給出了6G預(yù)期應(yīng)用場(chǎng)景及需求。根據(jù)圖1，未來6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)將由5G時(shí)代的eMBB、uRLLC和mMTC三大應(yīng)用場(chǎng)景擴(kuò)展為未來增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（FeMBB）、極可靠低時(shí)延通信（ERLLC或eURLLC）、廣覆蓋高時(shí)延高移動(dòng)性通信（LDHMC）、超大規(guī)模機(jī)器類通信（umMTC）和極低功率通信（ELPC）五大應(yīng)用場(chǎng)景。其中，F(xiàn)eMBB主要針對(duì)全息應(yīng)用、寬帶互聯(lián)網(wǎng)、超高清視頻等寬帶通信業(yè)務(wù)，這類業(yè)務(wù)的重心在于要求極高的通信速率，地面類業(yè)務(wù)通信速率為0.1～1 Tbit/s，衛(wèi)星業(yè)務(wù)通信速率設(shè)定為1 Gbit/s；ERLLC（eURRLC）主要針對(duì)全自動(dòng)駕駛和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等要求極低通信時(shí)延需求，地面業(yè)務(wù)具有10～100 μs時(shí)延，而衛(wèi)星業(yè)務(wù)時(shí)延則根據(jù)終端所連接衛(wèi)星的軌位不同，具有10 ms或以上的通信時(shí)延；LDHMC則主要針對(duì)于深空覆蓋等超高速超遠(yuǎn)距離通信場(chǎng)景而設(shè)計(jì)，允許的移動(dòng)速度≥1 000 km/h，遠(yuǎn)高于5G時(shí)代的500 km/h；umMTC則主要針對(duì)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)等海量終端的應(yīng)用場(chǎng)景，每平方千米具有1億個(gè)終端設(shè)備，每平方米的通信速率總量約為1 Gbit/s；ELPC則主要針對(duì)人體納米類傳感器等具有極低功耗的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景，與5G相比，網(wǎng)絡(luò)能效具有100倍的提升，頻譜效率也具有5～10倍的提升。這些業(yè)務(wù)和性能指標(biāo)的達(dá)成，有賴于AI、云計(jì)算、分布式計(jì)算、區(qū)塊鏈等使能，而AI則是對(duì)星地全網(wǎng)進(jìn)行賦能的必備技術(shù)。

圖1 6G預(yù)期應(yīng)用場(chǎng)景及需求

6G通信網(wǎng)絡(luò)與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能集成深度進(jìn)一步增強(qiáng)，基于上述愿景和業(yè)務(wù)需求，下面將對(duì)6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行深入分析和探討。

3.1 6G網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)研究現(xiàn)狀及技術(shù)特征

6G將為人類和萬物提供情景感知的智能服務(wù)。6G的服務(wù)對(duì)象將從人類、機(jī)器、物體擴(kuò)展至虛擬世界，實(shí)現(xiàn)實(shí)際物理世界與虛擬世界的連接與協(xié)作，利用AI技術(shù)感知用戶需求，提升用戶體驗(yàn)，形成認(rèn)知增強(qiáng)與決策演進(jìn)的智能網(wǎng)絡(luò)，滿足人類精神與物質(zhì)的全方位需求[10]。

6G時(shí)代，用戶業(yè)務(wù)種類和業(yè)務(wù)顆粒度比5G網(wǎng)絡(luò)要求更高，同樣需要支持按需確定性服務(wù)。另一方面，6G網(wǎng)絡(luò)需要提供網(wǎng)元功能可編程及網(wǎng)絡(luò)可編排能力，從而實(shí)現(xiàn)快速的業(yè)務(wù)升級(jí)和網(wǎng)絡(luò)敏捷化管理，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化及功能對(duì)外開放，以滿足虛擬運(yùn)營(yíng)商等多租戶運(yùn)營(yíng)需求。與5G網(wǎng)絡(luò)的NSA和SA階段化演進(jìn)思路技術(shù)路線類似，未來的6G網(wǎng)絡(luò)將采用分階段演進(jìn)和分步驟建設(shè)的思路，前期兼容5G，甚至也兼容4G網(wǎng)絡(luò)，后期實(shí)現(xiàn)6G獨(dú)立組網(wǎng)。

6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與其所采用的技術(shù)路線密切相關(guān)。國(guó)外較具代表性的技術(shù)路線有：韓國(guó)SK 集團(tuán)信息通信技術(shù)中心曾在2018年提出了“太赫茲＋去蜂窩化結(jié)構(gòu)＋高空無線平臺(tái)（如衛(wèi)星等）”的6G技術(shù)方案，不僅應(yīng)用太赫茲通信技術(shù)，還要徹底變革現(xiàn)有的移動(dòng)通信蜂窩架構(gòu)，并建立空天地一體的通信網(wǎng)絡(luò)。三星研究院新設(shè)了一個(gè)“下一代通信研究中心”，配合5G商用化服務(wù)的擴(kuò)張，加強(qiáng)移動(dòng)通信先導(dǎo)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)方面研究組織的功能和作用。美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室也提出了“太赫茲＋網(wǎng)絡(luò)切片”的技術(shù)路線[11]。

國(guó)內(nèi)關(guān)于6G衛(wèi)星通信技術(shù)路線及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究主要包括中國(guó)聯(lián)通空天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、中國(guó)移動(dòng)“3層+4面”網(wǎng)絡(luò)以及國(guó)內(nèi)校企聯(lián)合提出的“空－天－陸－?！比S度網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等。目前國(guó)際通信技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)相繼提出的多種實(shí)現(xiàn)6G的技術(shù)路線都處于概念階段，如何落實(shí)還需長(zhǎng)時(shí)間的研究和實(shí)踐，以下對(duì)業(yè)界關(guān)于6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要共性技術(shù)特征進(jìn)行了總結(jié)。

? 全球全域：衛(wèi)星通信和高空浮臺(tái)將在6G衛(wèi)星通信中承擔(dān)重要角色，并發(fā)揮重要作用，通過衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)絡(luò)的融合，達(dá)到全球全域的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)用戶隨遇接入和業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

? 極簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)：地面通信協(xié)議往往需要多次交互，與衛(wèi)星鏈路的長(zhǎng)時(shí)延不相匹配，不可以直接移植到衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，需要針對(duì)海量物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)等場(chǎng)景進(jìn)行適應(yīng)性改造。

? 極智網(wǎng)絡(luò)：為了實(shí)現(xiàn)全面應(yīng)用，AI與6G無線通信網(wǎng)絡(luò)緊密結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)管理和自動(dòng)化。

? 獨(dú)立AI面：通過獨(dú)立的AI平面/智能面，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的智能化賦能。

? 星上處理：6G時(shí)代衛(wèi)星以超算平臺(tái)為基礎(chǔ)，具備星上處理能力和星上緩存能力，支持星載DU、完整星載基站、星載MEC、星載CDN，甚至星載輕量化核心網(wǎng)的部署。

? 天基計(jì)算：利用星上處理和計(jì)算能力，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的智能自主動(dòng)態(tài)演進(jìn)和智能化管控。

3.2 AI在通信中的研究和應(yīng)用

綜合業(yè)界當(dāng)前對(duì)6G網(wǎng)絡(luò)的愿景和概念化指標(biāo)不難發(fā)現(xiàn)，在未來的6G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全面智能化應(yīng)用，AI技術(shù)將與6G無線通信網(wǎng)絡(luò)緊密結(jié)合以實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)管理和自動(dòng)化。因此，對(duì)AI在通信中應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿M(jìn)行深入探索和挖掘，具有積極意義。

事實(shí)上，自AI技術(shù)誕生以來，人們從未停止AI技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用研究，通信行業(yè)也不例外。以AI在5G中的應(yīng)用為例，根據(jù)ITU的研究報(bào)告，5G將支持智慧城市和家庭、3D視頻、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、在云中工作和娛樂、行業(yè)自動(dòng)化和無人駕駛汽車，它還將為人工智能提供必要的連接。這將使5G更加智能化，增強(qiáng)5G網(wǎng)絡(luò)切片、云網(wǎng)絡(luò)、虛擬化和自組織網(wǎng)絡(luò)的能力[12]。在國(guó)內(nèi)，部分學(xué)者給出了AI在5G領(lǐng)域的研究和應(yīng)用分析，例如，有學(xué)者對(duì)AI在5G系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程的各個(gè)環(huán)節(jié)所起到的作用進(jìn)行了分析和研究，大體上可以歸納為3 類技術(shù)問題：組合優(yōu)化問題、檢測(cè)問題及估計(jì)問題[13]。在5G網(wǎng)絡(luò)中的很多高復(fù)雜度問題，通過AI和機(jī)器學(xué)習(xí)可有效降低求解復(fù)雜度，將復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化處理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能化或服務(wù)智能化。還有研究將5G網(wǎng)絡(luò)中需要通過AI解決的問題劃分為4種類型：用傳統(tǒng)方法無法建模問題、難以求解問題、統(tǒng)一模式高效實(shí)現(xiàn)問題及最優(yōu)檢測(cè)與估計(jì)問題[13]。

自5G商用的一年多時(shí)間以來，我國(guó)的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模全球領(lǐng)先，AI在5G中的應(yīng)用實(shí)踐也取得積極成效。其中，廣東聯(lián)通2018年年底啟動(dòng)的“5G+AI項(xiàng)目組”提出了基于AI的基站及回傳網(wǎng)故障定因解決方案[14]，并先后在廣東聯(lián)通多個(gè)地（市）進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，效果顯著。

不僅在地面網(wǎng)絡(luò)，人們對(duì)AI在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的應(yīng)用研究也在進(jìn)行。目前有關(guān)AI在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用研究，主要集中在衛(wèi)星生態(tài)[12]、衛(wèi)星路由[15]、衛(wèi)星干擾規(guī)避[16]以及頻譜感知[17]等方面。

6G是對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的全方位升級(jí)與擴(kuò)展，具有按需服務(wù)、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)、靈活網(wǎng)絡(luò)、智慧內(nèi)生、安全內(nèi)生等技術(shù)特征。人們對(duì)AI在6G發(fā)揮的建設(shè)性作用寄予厚望，并陸續(xù)展開相應(yīng)的技術(shù)研究。AI在6G中應(yīng)用可分為頻譜智能和自適應(yīng)資源分配、傳輸智能和自適應(yīng)基帶處理，以及網(wǎng)絡(luò)智能和自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化3個(gè)部分，分別從頻譜、傳輸和網(wǎng)絡(luò)3個(gè)級(jí)別展開AI在未來移動(dòng)通信中的應(yīng)用研究[18]。

3.3 6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

6G與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)及AI的深度融合已在業(yè)界達(dá)成共識(shí)，AI將成為6G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的“大腦”。本文將結(jié)合6G移動(dòng)通信的需求及現(xiàn)有研究基礎(chǔ)，提出可演進(jìn)的AI賦能6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)。

3.3.1 總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

6G衛(wèi)星通信接入組網(wǎng)時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵亩S空間擴(kuò)展到三維空間，構(gòu)建覆蓋全球地表及空域廣域無縫通信網(wǎng)絡(luò)，滿足人類業(yè)務(wù)連續(xù)性需要。與此同時(shí)，在6G天基與地基深度融合，網(wǎng)絡(luò)連接涵蓋星間通信、星地通信和地地通信，在AI賦能技術(shù)的智能協(xié)作下，保障了系統(tǒng)容量彈性伸/縮、星地資源按需動(dòng)態(tài)分配、天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)智能自愈和靈活重構(gòu)。

在6G時(shí)代，衛(wèi)星載荷功能與性能均得到大幅提升，數(shù)字再生和柔性轉(zhuǎn)發(fā)已發(fā)展成為衛(wèi)星的基本配置，軟件定義衛(wèi)星、SDN/NFV和AI智能超算平臺(tái)等成為賦能衛(wèi)星通信的必備技術(shù)手段，在6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中將承擔(dān)接入、中繼、傳輸及核心網(wǎng)等角色或功能。本文把在6G中的衛(wèi)星統(tǒng)稱為天基資源，把地面6G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施稱為地基資源，天基資源和地基資源在6G中分別發(fā)揮不同的建設(shè)性作用，需充分發(fā)揮天基和地基資源的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，展開AI賦能的6G衛(wèi)星通信高動(dòng)態(tài)組網(wǎng)技術(shù)研究，形成極簡(jiǎn)極智全球全域隨遇接入方案。

基于6G星地一張網(wǎng)業(yè)務(wù)需求與愿景，創(chuàng)新性地引入AI賦能工具，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)智能化。為滿足AI賦能對(duì)資源需求，將地面數(shù)據(jù)中心和天基資源按需融合為統(tǒng)一的資源池，以云計(jì)算架構(gòu)為底層框架，構(gòu)建更加靈活、智能、高效和開放的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，支撐AI賦能。

從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖峡矗?G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)邏輯上增加AI賦能平面，AI賦能技術(shù)始終貫穿終端至核心網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)平面，圖2給出了6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)AI平面、控制平面和數(shù)據(jù)平面分離的參考架構(gòu)。

圖2 AI平面、控制平面和數(shù)據(jù)平面分離的6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)

AI平面能夠?qū)崿F(xiàn)6G網(wǎng)絡(luò)中控制平面及數(shù)據(jù)平面的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練和決策，是實(shí)現(xiàn)6G網(wǎng)絡(luò)智能化和服務(wù)智能化的根本源動(dòng)力。有研究文獻(xiàn)提出了陸地6G網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和AI在6G網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)施方式[19]。

圖3給出了AI在6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中賦能應(yīng)用。為解決6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星數(shù)量多、星上載荷能力受限、星間鏈路交互量大等問題，引入衛(wèi)星星座動(dòng)態(tài)分簇和分層管理機(jī)制。利用地球同步軌道（geostationary earth orbit，GEO）衛(wèi)星廣覆蓋和大載荷優(yōu)勢(shì)，作為天基AI控制節(jié)點(diǎn)，對(duì)非地球同步軌道（non geostationary earth orbit，NGEO）星座進(jìn)行動(dòng)態(tài)分簇控制；NGEO同軌道數(shù)顆衛(wèi)星形成簇，分別承擔(dān)通信、計(jì)算、訓(xùn)練和內(nèi)容分發(fā)等領(lǐng)域的AI賦能功能，相互間通過星間鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖3 AI在6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中賦能應(yīng)用

AI賦能創(chuàng)新應(yīng)用主要在通信干擾消除、計(jì)算效率提升、訓(xùn)練最佳行動(dòng)及內(nèi)容智能分發(fā)等方面。通過編碼、調(diào)制、信道傳輸、解調(diào)及解碼全過程AI賦能，消除通信干擾。通過軟/硬件分離及協(xié)同設(shè)計(jì)，提升計(jì)算效率。針對(duì)非獨(dú)立同分布用戶場(chǎng)景終端側(cè)分布式學(xué)習(xí)、上云，獲得服務(wù)器更新的共享全局模型。通過DRL（深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)）、Agent（代理/智能體）與環(huán)境不斷交互，學(xué)習(xí)最佳行動(dòng)。通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)，緩存熱點(diǎn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容分發(fā)。通過終端緩存及D2D（設(shè)備到設(shè)備）通信，提高資源利用率。

根據(jù)衛(wèi)星載荷能力的發(fā)展過程，圖4給出了6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)三階段演進(jìn)路線。

圖4 6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)三階段演進(jìn)路線

? 階段一：衛(wèi)星以彎管為主要工作方式，支持地面基站通過衛(wèi)星回傳接入6G CN。

? 階段二：雖然采用衛(wèi)星彎管技術(shù)，但車載、船載、機(jī)載、CPE等多種類型的UE可以連接衛(wèi)星接入地面基站再接入6G CN。

? 階段三：低軌衛(wèi)星具有星載基站能力，在高級(jí)階段，GEO可搭載輕量化的6G 核心網(wǎng)網(wǎng)元（6G CN Lite）。

從網(wǎng)絡(luò)接入來看，第一個(gè)階段UE接入地面基站、衛(wèi)星作為鏈路回傳；第二階段UE接入透明轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星連接地面基站與核心網(wǎng)；而第三個(gè)階段，則主要實(shí)現(xiàn)UE通過星載基站接入核心網(wǎng)。上述3個(gè)演進(jìn)階段接入技術(shù)的更新和迭代，所采用的技術(shù)將長(zhǎng)期共存，也可視為不同的接入方式。

3.3.2 核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如同5G網(wǎng)絡(luò)分為SA、NSA兩個(gè)主要階段一樣，未來的6G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)分階段演進(jìn)，分步驟建設(shè)。既能夠與現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)的兼容，又能夠面向未來發(fā)展。6G衛(wèi)星通信核心網(wǎng)可分別部署于地面及天基資源。其中，對(duì)于天基資源，只部署輕量化的核心網(wǎng)（例如只部署與鑒權(quán)及時(shí)敏性服務(wù)有關(guān)的功能），以適應(yīng)天基資源的存儲(chǔ)和算力特征；對(duì)于地面資源，視為具備充足的存儲(chǔ)和算力資源，可部署全功能的核心網(wǎng)。因此，雖然天基和地基均可部署6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)，但從總體上講，仍然為地面為主。

同時(shí)，云化的6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)部署更加便捷和靈活。通過構(gòu)建面向6G的分布式云架構(gòu)，用戶面下沉至邊緣節(jié)點(diǎn)，并結(jié)合MEC平臺(tái)的部署，有效實(shí)現(xiàn)將云的算力從中心延伸到邊緣，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)快速處理和就近轉(zhuǎn)發(fā)，滿足多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景。因此，6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)天基和地基核心網(wǎng)還應(yīng)采用多級(jí)部署方式。對(duì)于天基核心網(wǎng)，以GEO部署輕量化核心網(wǎng)，而非GEO星座，則主要部署MEC和內(nèi)容分發(fā)等網(wǎng)絡(luò)邊緣功能；相應(yīng)地，地基核心網(wǎng)也分為多級(jí)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行部署，即以中心、區(qū)域、邊緣三級(jí)數(shù)據(jù)中心+基站機(jī)房為基礎(chǔ)架構(gòu)，網(wǎng)元可按照?qǐng)鼍靶枨蟛渴鹪诰W(wǎng)絡(luò)相應(yīng)的位置。

6G衛(wèi)星通信核心網(wǎng)可沿續(xù)5G云原生[20]設(shè)計(jì)思路，基于微服務(wù)架構(gòu)和功能設(shè)計(jì)，提供更泛在的接入，更加智能和靈活的控制與轉(zhuǎn)發(fā)功能，以及更強(qiáng)大的開放能力。核心網(wǎng)與NFV基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合，為用戶、業(yè)務(wù)/應(yīng)用提供商、企業(yè)/垂直行業(yè)需求方提供網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算、精準(zhǔn)授時(shí)、6G LAN等新型業(yè)務(wù)能力。

相對(duì)于前幾代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，6G時(shí)代的業(yè)務(wù)類型更加豐富，對(duì)服務(wù)顆粒度需求更加精細(xì)化。通過微服務(wù)架構(gòu)的核心網(wǎng)，每個(gè)網(wǎng)元解耦為一組獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)功能（NF），每個(gè)NF也解耦為多個(gè)NF服務(wù)。因此，為更好地契合不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景和垂直行業(yè)，基于云原生技術(shù)和微服務(wù)化NF構(gòu)建 SBA+架構(gòu)的核心網(wǎng)成為主要考慮的方案。圖5給出了6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)及接口體系。

圖5 6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)及接口體系

另一方面，隨著智能化應(yīng)用的不斷普及，數(shù)據(jù)、算力和算法將成為實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)智能的“鐵三角”[10]，圖6給出了6G星地協(xié)同AI框架。結(jié)合天基計(jì)算能力，需要設(shè)計(jì)面向分布式學(xué)習(xí)的星地協(xié)同AI算法框架，同時(shí)還需要研究適配星地計(jì)算能力的多主體、多目標(biāo)、多級(jí)協(xié)同AI機(jī)制，結(jié)合星上資源和處理能力設(shè)計(jì)星上輕量級(jí)AI學(xué)習(xí)模型以及地面站的大容量和強(qiáng)算力優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)基于海量數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)模型。

圖6 6G星地協(xié)同AI框架

總之，AI是6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的“大腦”，能夠完成學(xué)習(xí)和進(jìn)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，賦能6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，將使6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高度的彈性、靈活和智能。

3.3.3 接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

對(duì)于用戶設(shè)備UE而言，具備同時(shí)接入衛(wèi)星和地面基站開展業(yè)務(wù)的能力，并且能夠在衛(wèi)星和地面基站之間、衛(wèi)星與衛(wèi)星之間以及地面基站之間實(shí)現(xiàn)無縫無感切換，業(yè)務(wù)的連續(xù)性得到充分保障。

基于6G時(shí)延及通信帶寬需求，集中部署有源天線單元（AAU）和分布單元（DU），以極簡(jiǎn)設(shè)備形態(tài)消除AAU和DU間傳輸壓力。圖7給出了6G衛(wèi)星通信接入網(wǎng)架構(gòu)，為滿足廣域時(shí)敏需求，星載基站可集中部署CU與AAU和DU。

圖7 6G衛(wèi)星通信接入網(wǎng)架構(gòu)

圖8給出了6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)支持的7種主要接入模式，具體介紹如下。

圖8 主要接入模式

模式一：標(biāo)準(zhǔn)6G空口用戶接入。在該場(chǎng)景下，可根據(jù)用戶業(yè)務(wù)或位置區(qū)域等條件而自動(dòng)直接接入地基站或者星載基站，且在必要的情況下，可將用戶同時(shí)拉入地面基站和天基基站，以滿足其業(yè)務(wù)需求。

模式二：標(biāo)準(zhǔn)6G空口用戶中繼接入。在這種模式下，不在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的用戶（如在隧道中），可通過標(biāo)準(zhǔn)6G用戶的中繼，接入地基基站或天基基站，是D2D應(yīng)用的一種，也是達(dá)到全域網(wǎng)絡(luò)覆蓋的一種技術(shù)手段。

模式三：基于星間鏈路中繼的標(biāo)準(zhǔn)6G空口用戶接入。該模式下，用戶接入低軌衛(wèi)星星載基站，再經(jīng)其他衛(wèi)星中繼鏈路進(jìn)行回傳。

模式四：基于衛(wèi)星鏈路回傳的標(biāo)準(zhǔn)6G空口用戶接入。該模式下，衛(wèi)星起到透明傳輸作用，用戶接入地面基站后，通過衛(wèi)星鏈路進(jìn)行基站回傳至天基核心網(wǎng)或地基核心網(wǎng)絡(luò)。

模式五：非標(biāo)準(zhǔn)6G空口用戶設(shè)備接入。非標(biāo)準(zhǔn)6G空口用戶通過后端互通網(wǎng)關(guān)接入6G核心網(wǎng)，后端網(wǎng)關(guān)承擔(dān)到核心網(wǎng)的核協(xié)議轉(zhuǎn)換及通信安全。

模式六：非標(biāo)準(zhǔn)6G空口用戶設(shè)備前端互通網(wǎng)關(guān)接入。非標(biāo)準(zhǔn)6G空口用戶UE通過標(biāo)準(zhǔn)的6G空口用戶中繼，接入6G網(wǎng)絡(luò)。

模式七：基于算力均衡的多用戶設(shè)備6G無線接口用戶接入。根據(jù)天地一體化的算力均衡與網(wǎng)絡(luò)切片等有關(guān)技術(shù)提供按需確定性服務(wù)。

3.3.4 6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)韌性魯棒機(jī)制

韌性魯棒是表征網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)健性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，部分學(xué)者對(duì)于網(wǎng)絡(luò)韌性的定義為一個(gè)組織通過預(yù)測(cè)和適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)威脅和環(huán)境中的其他相關(guān)變化，以及通過承受、控制和迅速從網(wǎng)絡(luò)事件中恢復(fù)繼續(xù)執(zhí)行其任務(wù)的能力[21]。亦有學(xué)者將韌性定義為系統(tǒng)在可接受的退化范圍內(nèi)能抵抗變動(dòng)并重新恢復(fù)穩(wěn)定的物理能力，使系統(tǒng)達(dá)到甚至超越原有的性能水平。而魯棒性指系統(tǒng)的特性，旨在系統(tǒng)環(huán)境或系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生變化時(shí)為一系列要求提供可靠的性能，這是一種將不確定性和模糊性帶入系統(tǒng)過程的策略[22]。簡(jiǎn)單來講，魯棒性用來表示系統(tǒng)在被干擾情況下保持其功能或性質(zhì)的能力，而網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)魯棒性已經(jīng)成為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究的重要特征之一[14]。

對(duì)于6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)支持通過各種技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的韌性魯棒，提供以用戶為中心的智能化服務(wù)。區(qū)塊鏈?zhǔn)悄壳凹拔磥硪欢螘r(shí)間內(nèi)新興代表性技術(shù)機(jī)制之一，業(yè)界對(duì)區(qū)塊鏈在軟件定義光網(wǎng)絡(luò)、電子政務(wù)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)等方面已經(jīng)有了一定的研究成果，在6G衛(wèi)星通信接入網(wǎng)絡(luò)也將具有較好的應(yīng)用潛力。鑒于有限的天基計(jì)算能力，本文提出通過輕量化、弱中心的空間區(qū)塊鏈等技術(shù)，將區(qū)塊鏈的智能合約和數(shù)據(jù)一致性優(yōu)勢(shì)引入6G天地一張網(wǎng)絡(luò)的SDN聚合控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)天地協(xié)同的容錯(cuò)機(jī)制和智能重構(gòu)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)高效的容錯(cuò)控制和網(wǎng)絡(luò)智能自愈，提升系統(tǒng)的整體韌性魯棒指標(biāo)。圖9給出了適配衛(wèi)星算力的方法。基于天地資源虛擬化，SDN控制器分布于天基和地基物理載體，以適配衛(wèi)星計(jì)算能力。

圖9 適配衛(wèi)星算力的方法

有研究文獻(xiàn)提出了基于區(qū)塊鏈賬本的高效恢復(fù)策略[23]?；趨^(qū)塊鏈分布賬本的高效自愈恢復(fù)策略鏈智能合約規(guī)定，n個(gè)業(yè)務(wù)處理結(jié)果生成一個(gè)塊，數(shù)據(jù)一致性核驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)故障控制器時(shí)立即將其從共識(shí)組中隔離。因此，初始主控制器失效或故障時(shí)，可快速恢復(fù)到最優(yōu)主控制器，實(shí)現(xiàn)控制節(jié)點(diǎn)容錯(cuò)和網(wǎng)絡(luò)層面智能重構(gòu)。圖10給出了故障恢復(fù)策略，提出6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的韌性魯棒機(jī)制，采用基于SDN技術(shù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星動(dòng)態(tài)分簇、分層管理，引入智能合約和數(shù)據(jù)一致性區(qū)塊鏈技術(shù)和弱中心的區(qū)塊鏈架構(gòu)，能夠提升天地SDN控制器節(jié)點(diǎn)容錯(cuò)處理、故障恢復(fù)與網(wǎng)絡(luò)智能重構(gòu)性能，是值得深入研究的一種提升系統(tǒng)韌性魯棒方案。

圖10 故障恢復(fù)策略

4 結(jié)束語

在ITU提出的6G網(wǎng)絡(luò)3個(gè)目標(biāo)中，明確了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將是其中重要的一部分。通過衛(wèi)星通信，可在未來的6G時(shí)代真正實(shí)現(xiàn)“全球全域”的覆蓋。業(yè)界目前針對(duì)6G的研究還處于初期階段，對(duì)于6G中的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究還很少，本文在綜合分析6G愿景和需求基礎(chǔ)上，提出了AI賦能的6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及演進(jìn)思路，同時(shí)提出了基于區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)韌性魯棒機(jī)制，希望能促進(jìn)對(duì)6G衛(wèi)星通信的進(jìn)一步研究和探索。