5G 融合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)研究綜述

楊力，潘成勝，孔相廣，黃琦龍，戚耀文

（1.南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；3.大連大學(xué)通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116622）

0 引言

從1986 年1G 誕生至今，以5G 為代表的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)正滲透到現(xiàn)代生活的每一個(gè)角落。對(duì)比4G，5G 的速率得到了大幅提升，并且涵蓋了增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB,enhanced mobile broadband）、大連接物聯(lián)網(wǎng)（mMTC,massive machine type communication）和超高可靠低時(shí)延通信（URLLC,ultra-reliable and low-latency communication）三大應(yīng)用場(chǎng)景。5G 網(wǎng)絡(luò)的最終目標(biāo)是10 Gbit/s 的數(shù)據(jù)率、1 ms 的端到端時(shí)延、每平方米100 萬臺(tái)的設(shè)備數(shù)量和100%的覆蓋范圍[1]，需要根據(jù)特定應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用需求，結(jié)合5G 的最新技術(shù)，構(gòu)建這些需求共存的生態(tài)體系，進(jìn)而推動(dòng)垂直行業(yè)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化生態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

在全球通信覆蓋方面，目前主要以城市覆蓋為主，對(duì)于一些惡劣的環(huán)境，如沙漠、森林、山脈和海洋，陸地5G 網(wǎng)絡(luò)仍不能完全覆蓋。預(yù)計(jì)有80%以上的陸地區(qū)域和95%以上的海洋區(qū)域沒有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[2-3]。同時(shí)，根據(jù)國際電信聯(lián)盟的報(bào)告，在互聯(lián)網(wǎng)高度發(fā)達(dá)的今天，全球仍然有近一半的人口無法接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。雖然一些國家的網(wǎng)絡(luò)整體覆蓋率接近飽和，但是有的國家的互聯(lián)網(wǎng)接入率僅有20%左右。以5G 為代表的地面通信網(wǎng)絡(luò)由于靈活性差、易受地域影響、部署成本昂貴等特點(diǎn)難以為偏僻場(chǎng)景提供有效的通信手段。因此，探尋并開發(fā)5G 的替代網(wǎng)絡(luò)或者補(bǔ)充網(wǎng)絡(luò)，為世界各區(qū)域提供無處不在的覆蓋和連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)勢(shì)在必行。

衛(wèi)星在現(xiàn)代通信中扮演重要角色。衛(wèi)星通信具有通信距離遠(yuǎn)、覆蓋區(qū)域廣、不受地形和地質(zhì)災(zāi)害影響等優(yōu)勢(shì)，有望作為5G 網(wǎng)絡(luò)的有力補(bǔ)充，擴(kuò)大5G 的覆蓋范圍和應(yīng)用場(chǎng)景[4]，為實(shí)現(xiàn)5G 大容量多設(shè)備接入提供有力支撐[5]，實(shí)現(xiàn)真正意義上的全球萬物互聯(lián)。并且短期來看，衛(wèi)星將是為地面網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無處不在的通信覆蓋的唯一方式，也是實(shí)現(xiàn)空天地海一體化未來網(wǎng)絡(luò)的有效途徑[6-8]。第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP,the 3rd generation partnership project）報(bào)告[9]中闡明了用衛(wèi)星結(jié)合5G 可以實(shí)現(xiàn)的服務(wù)：1) 為沒有地面網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的偏遠(yuǎn)地區(qū)和可以更高效地得到衛(wèi)星系統(tǒng)支持的地區(qū)提供服務(wù)；2) 為大規(guī)模連接場(chǎng)景的城市提供mMTC 服務(wù)；3) 為用戶密度低的大面積地區(qū)，如低每用戶平均收入（ARPU,average revenue peruser）區(qū)域、荒野等提供服務(wù)。衛(wèi)星無處不在的可用性和連接性有助于加速5G 網(wǎng)絡(luò)向地面、海上和空中提供廣泛的連接和全球部署。全球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì)估計(jì)，到2025 年，連接到5G 網(wǎng)絡(luò)的終端數(shù)量將超過18 億[10]，迫切需求網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無處不在的連接，構(gòu)建“任何人和任何事物都可以隨時(shí)隨地連接”的世界，這促使網(wǎng)絡(luò)與通信系統(tǒng)追求新一輪的發(fā)展。因此，將衛(wèi)星接入網(wǎng)集成到5G 實(shí)現(xiàn)天地一體化，更好地利用衛(wèi)星潛力來滿足5G 需求，是下一步發(fā)展和前進(jìn)的方向。

基于上述原因，通信與網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域一直致力于地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集成的研究，對(duì)融合網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計(jì)[11-20]、關(guān)鍵技術(shù)[8,11,20-26]和應(yīng)用場(chǎng)景[27-41]等方向進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了有效的進(jìn)展。

1 研究進(jìn)展

本節(jié)對(duì)5G 融合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)（5GSIN,5G-satellite integrated network）的研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。首先，總結(jié)相關(guān)國家、組織、機(jī)構(gòu)的整體研究工作；然后從關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用方向、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)三方面分析國內(nèi)外的研究成果。

1.1 整體研究工作

隨著5G 的建設(shè)并面向6G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求，世界各國家、地區(qū)及組織對(duì)星地融合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了廣泛研究，歸納總結(jié)如表1 所示。同時(shí)，3GPP 從R14 開始研究衛(wèi)星通信在5G 中的作用和優(yōu)勢(shì)，使5G 系統(tǒng)能夠支持包括衛(wèi)星通信在內(nèi)的非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN,non-terrestrial network）是其一直在探索的方向[42]，并持續(xù)致力于5GSIN 的標(biāo)準(zhǔn)化工作。報(bào)告[43]中對(duì)5G 的性能目標(biāo)和基本功能做出要求，指出5G 應(yīng)支持固定、移動(dòng)、無線和衛(wèi)星接入技術(shù)。R15 說明了5G 與衛(wèi)星融合下eMBB和mMTC 場(chǎng)景的使用案例[44]，同時(shí)在報(bào)告中定義了非地面網(wǎng)絡(luò)的可能角色以及星地集成的技術(shù)細(xì)節(jié)。R16提出了衛(wèi)星結(jié)合到5G 中的具體用例[45-46]，包括衛(wèi)星覆蓋下的廣播和多播、使用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景。R17 研究了衛(wèi)星接入5G 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、管理和編排方案等關(guān)鍵問題，并研究了相關(guān)解決方案[47]。圖1 給出了從2016 年的R14 到當(dāng)前的R17，3GPP 對(duì)于5G 網(wǎng)絡(luò)及5G+衛(wèi)星融合網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化研究。

圖1 3GPP 對(duì)于5G 網(wǎng)絡(luò)及5G+衛(wèi)星融合網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化研究

表1 5GSIN 研究現(xiàn)狀

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

本節(jié)將分析推動(dòng)5GSIN 發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)手段，包括軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN,software defined network）[48]和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV,network function virtualization）[49]、多接入邊緣計(jì)算（MEC,multiaccess edge computing）和數(shù)字孿生（DT,digital twin）。這些技術(shù)將是解決融合網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵問題和實(shí)現(xiàn)融合網(wǎng)絡(luò)高效且低時(shí)延傳輸?shù)闹匾蛩?，?duì)融合網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、應(yīng)用有重要的推動(dòng)作用。

1) SDN 和NFV

SDN 和NFV 被認(rèn)為是能夠滿足5G 需求和應(yīng)用的重要技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)星地融合的關(guān)鍵要素。SDN是一種網(wǎng)絡(luò)管理方法，通過網(wǎng)絡(luò)底層資源抽象、網(wǎng)絡(luò)編程和自動(dòng)化部署來簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)操作和維護(hù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、高效的網(wǎng)絡(luò)配置，提高網(wǎng)絡(luò)性能。NFV是一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)，它不局限于硬件結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)的由專有硬件實(shí)現(xiàn)的功能（防火墻、域名服務(wù)器等）通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化和計(jì)算虛擬化技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的硬件實(shí)現(xiàn)的虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能（VNF,virtualized network function）。NFV 能夠?qū)蝹€(gè)物理網(wǎng)絡(luò)虛擬化為多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，共享網(wǎng)絡(luò)資源，可提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

在5GSIN 中，由于資源異質(zhì)而導(dǎo)致的端到端資源管理和調(diào)度困難、異構(gòu)網(wǎng)段連接高動(dòng)態(tài)性高復(fù)雜性、網(wǎng)絡(luò)間接口不統(tǒng)一等現(xiàn)狀以及移動(dòng)性管理、資源分配和回收、服務(wù)質(zhì)量管理困難等問題，亟須進(jìn)行統(tǒng)一的管理和控制以及實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)資源分配。SDN和NFV 可以支持不同技術(shù)的共存和統(tǒng)一，能夠增強(qiáng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)靈活性，降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性[26,50]。通過SDN 和NFV 使能，使衛(wèi)星地面網(wǎng)絡(luò)脫離專有硬件限制，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星地面網(wǎng)絡(luò)融合相關(guān)組件更加靈活的集成、靈活動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)切片、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間多種接入技術(shù)的高效互聯(lián)和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施及資源的動(dòng)態(tài)共享、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的按需服務(wù)保障和異構(gòu)鏈路及邊緣節(jié)點(diǎn)資源的集中化管理等功能[8,11,21-22]。

2) MEC

傳統(tǒng)的云計(jì)算與用戶設(shè)備之間的距離很遠(yuǎn)，難以滿足5G 網(wǎng)絡(luò)對(duì)速率的更高要求。因此，為了減少網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，力圖使計(jì)算資源更接近用戶，文獻(xiàn)[51-52]提出了多接入邊緣計(jì)算的概念。MEC 是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上的一種技術(shù)，它將網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理中心下沉到用戶設(shè)備邊緣，目的是緩解核心網(wǎng)壓力和應(yīng)對(duì)用戶對(duì)低時(shí)延應(yīng)用場(chǎng)景日漸增長的需求，為用戶提供更快的服務(wù)和達(dá)到更好的網(wǎng)絡(luò)性能[53-54]。

在5GSIN 中，通過提供協(xié)同緩存[55]、協(xié)同卸載[23]、內(nèi)容廣播多播[20]等服務(wù)，用戶可以隨時(shí)隨地獲得多層次的計(jì)算與存儲(chǔ)服務(wù)，從而降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，保證了網(wǎng)絡(luò)任務(wù)處理的性能；同時(shí)，利用衛(wèi)星的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，考慮在衛(wèi)星上部署MEC以提供低時(shí)延和更泛在的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)[25]。為此，文獻(xiàn)[24]考慮用邊緣計(jì)算技術(shù)提高高速地面衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量（QoS,quality of service），并討論了MEC 部署在不同位置不同場(chǎng)景下可能提供的服務(wù)。文獻(xiàn)[2]建立了衛(wèi)星邊緣計(jì)算卸載的系統(tǒng)模型?？紤]了由于衛(wèi)星移動(dòng)引起的通信中斷情況下的任務(wù)執(zhí)行情況，具體分為計(jì)算任務(wù)被本地設(shè)備執(zhí)行或被卸載到衛(wèi)星執(zhí)行2 種情況。文獻(xiàn)[56]在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用邊緣計(jì)算為鄰近設(shè)備提供存儲(chǔ)和計(jì)算資源，以滿足物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)和低能耗通信需求。

邊緣計(jì)算技術(shù)為5G 網(wǎng)絡(luò)在時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等指標(biāo)的優(yōu)化上發(fā)揮了巨大作用，在5GSIN 中有著巨大的潛力。它實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)管理的去中心化并促使網(wǎng)絡(luò)向分布式發(fā)展，這契合具有全球性特征的一體化融合網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。在融合網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該從邊緣計(jì)算的基本架構(gòu)出發(fā)，利用邊緣平臺(tái)屬性，豐富邊緣平臺(tái)功能，進(jìn)而提升網(wǎng)絡(luò)QoS 和用戶體驗(yàn)質(zhì)量（QoE,quality of experience）。

3) DT

數(shù)字孿生技術(shù)萌芽于20 世紀(jì)60 年代美國宇航局，并于21 世紀(jì)初正式提出。人工智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展和5G 應(yīng)用的大面積落地為DT 帶來了新的發(fā)展契機(jī)。將DT 應(yīng)用于5G 衛(wèi)星融合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、規(guī)劃和建設(shè)中，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)快速升級(jí)演進(jìn)和提前布局，為新技術(shù)的應(yīng)用和新架構(gòu)的實(shí)驗(yàn)提供更廣闊的空間[57-58]。

DT 將在5GSIN 的設(shè)計(jì)、開發(fā)、測(cè)試、驗(yàn)證、運(yùn)行、維護(hù)的全生命周期發(fā)揮重要作用。通過深度學(xué)習(xí)、數(shù)字建模等手段，構(gòu)建5GSIN 的時(shí)空數(shù)字孿生體，數(shù)字孿生體將根據(jù)實(shí)體網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)感知和數(shù)據(jù)處理結(jié)果，實(shí)時(shí)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、對(duì)網(wǎng)絡(luò)行為進(jìn)行預(yù)測(cè)和決策；通過分析網(wǎng)絡(luò)流量、資源余量、節(jié)點(diǎn)屬性等因素之間的相互作用，預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)未來狀態(tài)，計(jì)算并匹配合適的業(yè)務(wù)傳輸路徑和資源分配方法，并適時(shí)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的規(guī)劃和部署策略。對(duì)5GSIN 用數(shù)字孿生進(jìn)行規(guī)劃與建設(shè)，將從時(shí)空整體視角，反映網(wǎng)絡(luò)全局運(yùn)行和演化趨勢(shì)，形成從數(shù)據(jù)建模、行動(dòng)決策到反饋優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)仿真范式，具有更強(qiáng)的交互性和科學(xué)性。

當(dāng)前，5G 網(wǎng)絡(luò)仍處在建設(shè)階段，5GSIN 的具體方案仍在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，發(fā)射多少衛(wèi)星、衛(wèi)星載荷如何確定、地面邊緣節(jié)點(diǎn)部署密度多大、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)區(qū)域如何劃分等一系列問題亟待解決。5G 融合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)及部署昂貴，錯(cuò)誤的決策將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本難以控制，并阻礙研發(fā)工作的及時(shí)高效施行。應(yīng)用DT 技術(shù)，設(shè)計(jì)異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型，建立虛擬數(shù)據(jù)模型，形成現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)、虛擬網(wǎng)絡(luò)和二者間雙向?qū)崟r(shí)的交互方法，可以為網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)資源分配、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖?、網(wǎng)絡(luò)安全評(píng)估、網(wǎng)絡(luò)效能分析等建立前瞻性模型，提高開發(fā)效率，降低開發(fā)成本。

1.3 應(yīng)用方向

1.3.1 重塑傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域

5GSIN 將極大增加單一5G 網(wǎng)絡(luò)和單一衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景，拓寬2 種獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍，重塑網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。在星地融合網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星的主要角色以及主要的應(yīng)用場(chǎng)景將表現(xiàn)在以下方面。

1) 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)增益性。衛(wèi)星服務(wù)于地面網(wǎng)絡(luò)，使地面網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)更好的服務(wù)，具體體現(xiàn)如下。

①地面連接作為終端用戶接入互聯(lián)網(wǎng)的主要連接方式；衛(wèi)星作為輔助連接方式，即地面鏈路無法提供服務(wù)時(shí)，作為備用鏈路提供服務(wù)，從而提高服務(wù)可用性和可靠性。此時(shí)，雖然服務(wù)質(zhì)量可能下降，但在極端場(chǎng)景仍然可能發(fā)揮重要作用[59]。在自然災(zāi)害事件中，衛(wèi)星連接或許是終端用戶連入互聯(lián)網(wǎng)的唯一選擇[60]。

② 衛(wèi)星用來卸載地面網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。即地面網(wǎng)絡(luò)流量達(dá)到峰值時(shí)，通過衛(wèi)星來建立額外的連接，以解決網(wǎng)絡(luò)擁塞，保證地面網(wǎng)絡(luò)高流量狀態(tài)下的業(yè)務(wù)性能和用戶的體驗(yàn)質(zhì)量。

③衛(wèi)星作為與地面網(wǎng)絡(luò)對(duì)等地位的并行獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)[61]同時(shí)提供服務(wù)，提高網(wǎng)絡(luò)可用性和彈性。用戶側(cè)路由器可以收集所有本地流量信息，并根據(jù)不同服務(wù)請(qǐng)求標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)多鏈路聚合。

2) 泛在連接性。為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無處不在的連接，具體體現(xiàn)如下。

①擴(kuò)大5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，為地面網(wǎng)絡(luò)難以到達(dá)的地點(diǎn)（山區(qū)、偏遠(yuǎn)地區(qū)等）提供連接[62]。

② 為工業(yè)/農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供連接服務(wù)[41,47]。如森林火災(zāi)預(yù)警[63]、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)與資源勘探[64]等。通過衛(wèi)星、傳感器、無人機(jī)等連接設(shè)備實(shí)現(xiàn)便捷的服務(wù)。

3) 服務(wù)連續(xù)性。為網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的跨域遷移提供服務(wù)保障，具體體現(xiàn)如下[65]。

從終端角度看，為移動(dòng)設(shè)備（如船舶、車輛、火車、飛機(jī)等持續(xù)移動(dòng)終端）提供直接連接或補(bǔ)充服務(wù)。這些場(chǎng)景下的終端移動(dòng)性較強(qiáng)，在不同區(qū)域內(nèi)頻繁切換。同時(shí)，地面信號(hào)站難以為這些設(shè)備提供大范圍的連接服務(wù)。由于衛(wèi)星的廣域連接特性，可以保存切換設(shè)備的上下文信息，在大區(qū)域的切換中保證終端服務(wù)的連續(xù)性。

從衛(wèi)星角度看，由于衛(wèi)星在不斷運(yùn)動(dòng)中，地面節(jié)點(diǎn)與衛(wèi)星綁定的IP 地址也在持續(xù)改變。此時(shí)需要保證在衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)過程中地面與衛(wèi)星直連節(jié)點(diǎn)的服務(wù)連續(xù)性。

基于上述分析，本文定義5GSIN 五大場(chǎng)景，分別是城市網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、鄉(xiāng)村網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、智能工業(yè)/制造業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、無人區(qū)（野外/海洋）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和移動(dòng)交通網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，如圖2 所示。

圖2 5GSIN 的應(yīng)用場(chǎng)景

1.3.2 賦能全新應(yīng)用場(chǎng)景

5GSIN 將賦能5G 應(yīng)用前景，國內(nèi)外的研究者對(duì)其進(jìn)行了廣泛探索，對(duì)面臨的問題也進(jìn)行了充分研究，研究主要集中在面向物聯(lián)網(wǎng)的mMTC 服務(wù)和面向終端用戶的eMBB 服務(wù)。高時(shí)延敏感性需求的URLLC 服務(wù)是當(dāng)前衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)很難滿足的，所以不是當(dāng)下5GSIN 所考慮的應(yīng)用場(chǎng)景。

1) mMTC 場(chǎng)景

5G 將為物聯(lián)網(wǎng)賦予更大的能量，但地面物聯(lián)網(wǎng)由于其局限性無法實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，衛(wèi)星通信可 以拓展地面物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)范圍[37-39]。預(yù)計(jì)在未來，構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)物體將在全球領(lǐng)域達(dá)到千億量級(jí)，利用低地球軌道衛(wèi)星技術(shù)[27-31]的廣域連接性來補(bǔ)充地面網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)地區(qū)的密集覆蓋是一個(gè)有吸引力的發(fā)展方向[32]。在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，路基通信單元、5G 基站和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的融合，結(jié)合MEC技術(shù)和SDN 平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)路況感知和高精度地圖定位，為車輛規(guī)劃路徑和危險(xiǎn)預(yù)警，對(duì)駕駛員進(jìn)行駕駛狀態(tài)監(jiān)測(cè)并及時(shí)回傳駕駛員狀態(tài)信息。5G+MEC 可以提供低時(shí)延、高可靠的車輛行駛信息，結(jié)合高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)，建立安全可用的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。在工業(yè)或農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，得益于低地球軌道衛(wèi)星的低時(shí)延優(yōu)勢(shì)，為人口稀少地區(qū)的應(yīng)用帶來了新的機(jī)遇。利用低地球軌道衛(wèi)星作為5G 的補(bǔ)充，避免了部署地面光纜和基站帶來的高昂成本，同時(shí)為不適合人工直接操作的工序提供了解決方案，例如，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程目標(biāo)的精準(zhǔn)定位；可以通過衛(wèi)星遠(yuǎn)程發(fā)送機(jī)器操作指令，進(jìn)行農(nóng)藥噴灑、機(jī)器運(yùn)作、碼頭貨物運(yùn)輸、能源開采等，節(jié)約人力成本，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)智能化，大大提高工業(yè)/農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

2) eMBB 場(chǎng)景

eMBB 是5G 中直接面向用戶的應(yīng)用場(chǎng)景，面對(duì)區(qū)域性爆發(fā)的設(shè)備連接數(shù)量和全球更廣泛的網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求等問題。同時(shí)，對(duì)于融合網(wǎng)絡(luò)支持航空飛行服務(wù)的需求也正在進(jìn)行廣泛的研究。這些服務(wù)需要更高的數(shù)據(jù)速率、更大的連接范圍來支持更多用戶數(shù)據(jù)的傳輸[33]，在滿足大量設(shè)備接入的同時(shí)保證QoS 是關(guān)鍵目標(biāo)之一[34]。在媒體資源的傳送中，衛(wèi)星將在5G 回傳中發(fā)揮關(guān)鍵作用，它將高效且高性能地向大規(guī)模分散地區(qū)提供大面積多播及廣播視頻內(nèi)容[35]。作為4G 網(wǎng)絡(luò)中最成功的服務(wù)之一，流媒體將成為衛(wèi)星技術(shù)的關(guān)鍵用例。借助5G，支撐4K/8K視頻和在線VR/AR 游戲等大帶寬流媒體應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的使能下，這些沉浸式應(yīng)用可以在全球范圍內(nèi)以較高的速率和較低的時(shí)延進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)向移動(dòng)設(shè)備的確定性交付。

1.4 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

架構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，由于技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)，國內(nèi)外對(duì)融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了諸多的研究。文獻(xiàn)[19-20]提出了利用衛(wèi)星地面網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)雙邊計(jì)算卸載的體系架構(gòu)，充分發(fā)揮了衛(wèi)星廣覆蓋的優(yōu)勢(shì)，解決地面網(wǎng)絡(luò)服務(wù)覆蓋范圍受限的問題。但是這種架構(gòu)適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)，不適用于流量熱點(diǎn)地區(qū)。文獻(xiàn)[11]提出了一個(gè)為eMBB 場(chǎng)景設(shè)計(jì)的衛(wèi)星接入地面網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星回程網(wǎng)絡(luò)通過地面網(wǎng)關(guān)連接到5G 核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與5G 的融合。用戶終端可以直接與衛(wèi)星通信（僅衛(wèi)星終端）或者通過地面衛(wèi)星中繼連接到衛(wèi)星；同時(shí)，利用網(wǎng)絡(luò)編碼算法實(shí)現(xiàn)鏈路流量聚合，提高了系統(tǒng)可靠性和數(shù)據(jù)交付的成功率。以該架構(gòu)為基礎(chǔ)的融合網(wǎng)絡(luò)通信演示系統(tǒng)已經(jīng)在2019 年的世界移動(dòng)通信大會(huì)上成功進(jìn)行展示[12]。

然而，上述架構(gòu)沒有充分考慮到邊緣計(jì)算技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在融合網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。例如，沒有考慮到基站間的信息數(shù)據(jù)共享，也沒有考慮到地面網(wǎng)絡(luò)之間或地面與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間的信息共享。在演進(jìn)的5GSIN 中，由于考慮衛(wèi)星的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，衛(wèi)星的角色將從傳統(tǒng)的單純提供轉(zhuǎn)發(fā)功能的彎管模式向支持信息存儲(chǔ)和處理的智能節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)變。在此基礎(chǔ)上，5GSIN 架構(gòu)產(chǎn)生了多種方案，終端可通過多種方式接入5G 核心網(wǎng)（5GC,5G core network），并根據(jù)不同場(chǎng)景適時(shí)選擇不同的接入策略。表2 總結(jié)了不同5GSIN架構(gòu)下地面站及衛(wèi)星承擔(dān)的角色。表2 中，地面站分為源站和宿站，其中源站指接入衛(wèi)星的地面站，宿站指衛(wèi)星回程接入的地面站。AAU 是有源天線單元，gNB 是5G 基站，gNB-DU 是5G 基站的分布單元，gNB-CU 是5G 基站的集中單元。NR 空口是5G 空中接口，F(xiàn)1 接口是gNB-CU 與gNB-DU 之間的通信接口，NG 接口是無線接入網(wǎng)和5G 核心網(wǎng)之間的邏輯接口。

表2 不同5GSIN 架構(gòu)下地面站及衛(wèi)星承擔(dān)的角色

在SDN/NFV 以及MEC 技術(shù)的支持下，文獻(xiàn)[64]設(shè)計(jì)了一種空天地海一體化的海上網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。為了有效管理異構(gòu)通信和計(jì)算資源，采用了基于SDN 的架構(gòu)，使融合網(wǎng)絡(luò)更適合未來海洋的應(yīng)用場(chǎng)景。文獻(xiàn)[66]考慮直接在衛(wèi)星上處理任務(wù)的場(chǎng)景以消除任務(wù)從衛(wèi)星轉(zhuǎn)移到地面云計(jì)算服務(wù)器所帶來的傳播時(shí)延，提出了一個(gè)新的MEC 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)并探索衛(wèi)星的任務(wù)處理能力，并為偏遠(yuǎn)地區(qū)或?yàn)?zāi)區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)設(shè)備提供MEC 服務(wù)。為了滿足物聯(lián)網(wǎng)可靠穩(wěn)定的連接，保證數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)緩存過程的進(jìn)行，文獻(xiàn)[56]設(shè)計(jì)了一種由衛(wèi)星和無人機(jī)組成的空天地一體化移動(dòng)邊緣緩存物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，其中，低地球軌道衛(wèi)星廣播數(shù)據(jù)，無人機(jī)從分散的地面?zhèn)鞲衅魇占瘮?shù)據(jù)。文獻(xiàn)[24]提出了一種以低地球軌道衛(wèi)星星座作為計(jì)算載體，地球靜止軌道衛(wèi)星作為衛(wèi)星主干網(wǎng)中繼載體，以及地面站和地面主干網(wǎng)支撐的融合網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，該架構(gòu)能夠同時(shí)支持地面稀疏用戶區(qū)域和高密度用戶區(qū)域的應(yīng)用場(chǎng)景。文獻(xiàn)[23]設(shè)計(jì)了一種由衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、地面網(wǎng)絡(luò)、邊緣計(jì)算集群和用戶設(shè)備組成的衛(wèi)星地面邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并設(shè)計(jì)了計(jì)算存儲(chǔ)資源虛擬化層、融合邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)和應(yīng)用層三層體系架構(gòu)。

盡管研究者通過最新的技術(shù)手段對(duì)衛(wèi)星地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了廣泛的研究并取得了一定成果，但是對(duì)于影響融合網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的很多特征考慮的并不夠全面。5GSIN 具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，資源異質(zhì)、業(yè)務(wù)種類多、時(shí)空尺度大，拓?fù)漕l繁切換、節(jié)點(diǎn)設(shè)備繁多等特點(diǎn)，基于此，本文對(duì)架構(gòu)設(shè)計(jì)過程中需要考慮的問題總結(jié)如下。

1) 設(shè)備異構(gòu)性

5G 將具備千億級(jí)的連接能力，擁有種類繁多的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型，例如智聯(lián)網(wǎng)車輛、用戶設(shè)備終端、物聯(lián)網(wǎng)終端、高速移動(dòng)的高鐵或飛機(jī)終端等。這些設(shè)備的計(jì)算與存儲(chǔ)能力千差萬別，網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議不統(tǒng)一，所承載的任務(wù)類型對(duì)于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算及存儲(chǔ)能力也存在差異性需求。這些異構(gòu)的設(shè)備、數(shù)據(jù)、資源使設(shè)備接入、平臺(tái)遷移面臨較大阻礙。5GSIN應(yīng)確保這些異構(gòu)設(shè)備的有效接入和其承載業(yè)務(wù)的高效執(zhí)行。

2) 服務(wù)連續(xù)性

服務(wù)遷移性體現(xiàn)在接收服務(wù)終端的遷移性和提供服務(wù)節(jié)點(diǎn)的遷移性。由于衛(wèi)星和用戶設(shè)備都處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如果用戶設(shè)備頻繁地切換與其通信的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將極大地影響任務(wù)的高效執(zhí)行，融合網(wǎng)絡(luò)要滿足遷移過程中的服務(wù)連續(xù)執(zhí)行。在服務(wù)遷移過程中，要保證異質(zhì)節(jié)點(diǎn)資源的可用，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的異質(zhì)資源管理是重要的問題。優(yōu)秀的資源管理方法將改善資源冗余或資源不足導(dǎo)致的服務(wù)低效執(zhí)行。5GSIN 需要為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的異質(zhì)資源提供統(tǒng)一的管理方法，對(duì)于資源分配及調(diào)度提供有效的手段。

3) 節(jié)點(diǎn)有效性

大量的MEC 服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)節(jié)點(diǎn)極易造成資源管理與調(diào)度困難、資源不足與資源冗余問題同時(shí)出現(xiàn)，使網(wǎng)絡(luò)域間溝通困難，網(wǎng)絡(luò)資源利用率低，邊緣節(jié)點(diǎn)能力失效。同時(shí)，面對(duì)新接入的網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)做到對(duì)節(jié)點(diǎn)功能和屬性的有效識(shí)別，對(duì)節(jié)點(diǎn)的資源進(jìn)行有效的池化。所以，面對(duì)大量、廣域分布的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算與緩存節(jié)點(diǎn)，亟須采取適當(dāng)?shù)墓芾聿呗浴?GSIN 應(yīng)該優(yōu)化節(jié)點(diǎn)部署方法和保障策略，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本。

4) 信息時(shí)效性

信息時(shí)效性指同一節(jié)點(diǎn)收到同一類型信息的時(shí)間間隔，例如，工業(yè)生產(chǎn)中，試制設(shè)備連續(xù)收到同一操作指令的時(shí)間間隔。在5GSIN 中，由于時(shí)空尺度大、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜、信息傳播路徑長，極易使關(guān)鍵信息的更新滯后，導(dǎo)致信息時(shí)效性降低，信息失去價(jià)值。5GSIN 應(yīng)為數(shù)據(jù)的信息時(shí)效性定義合適的衡量尺度和標(biāo)準(zhǔn)，滿足大范圍跨域數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?/p>

5) 資源有限性

資源有限性體現(xiàn)在兩方面。其一，區(qū)域計(jì)算和存儲(chǔ)資源配置不均衡，難以滿足區(qū)域應(yīng)用需求；其二，需要適當(dāng)?shù)恼{(diào)度策略，為不同業(yè)務(wù)分配不同的資源，保證服務(wù)的確定性。因此，需要明確區(qū)域流量特性，根據(jù)流量特點(diǎn)確定計(jì)算和存儲(chǔ)資源。5GSIN應(yīng)該在流量突發(fā)時(shí)，結(jié)合資源管理方法與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理方法，及時(shí)調(diào)度附近其他區(qū)域的閑置資源以應(yīng)對(duì)任務(wù)的正常處理流程，滿足網(wǎng)絡(luò)需求。

通過關(guān)鍵技術(shù)使能以及應(yīng)用場(chǎng)景的驅(qū)動(dòng)，結(jié)合5GSIN 的上述重點(diǎn)特征，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將發(fā)生新的變化。為此，本文將從理論、技術(shù)和方法入手，對(duì)上述問題的擬解決方案提出思考，進(jìn)一步提出5GSIN的架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于SDN/NFV、MEC 等關(guān)鍵技術(shù)，本節(jié)首先提出5GSIN 的架構(gòu)設(shè)計(jì)思路，包括關(guān)于設(shè)備異構(gòu)性、服務(wù)連續(xù)性、節(jié)點(diǎn)有效性、信息時(shí)效性和資源有限性五方面的解決方法構(gòu)想；然后給出網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，方案集成了1.2 節(jié)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)并力圖滿足1.3 節(jié)的應(yīng)用場(chǎng)景；最后，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)管理方法以管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2.1 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)設(shè)備異構(gòu)性問題，擬以設(shè)備功能為主要使能因素，抽象設(shè)備的潛在關(guān)鍵特點(diǎn)，確定設(shè)備功能類型，從而做到同類型設(shè)備的無差別接入?；?G物聯(lián)網(wǎng)物模型的概念[67]，將異構(gòu)異質(zhì)的物理設(shè)備抽象為“設(shè)備是什么、設(shè)備能做什么、設(shè)備能提供哪些服務(wù)”3 個(gè)特性，完成對(duì)設(shè)備形態(tài)、設(shè)備功能的結(jié)構(gòu)化定義，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備能夠以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接平臺(tái)，不同應(yīng)用之間能夠以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)互通。在5G 衛(wèi)星融合網(wǎng)絡(luò)中，邊緣節(jié)點(diǎn)除了承擔(dān)邊緣計(jì)算和存儲(chǔ)的作用之外，考慮其邊緣特性，同時(shí)將其作為設(shè)備區(qū)域自治管理的接入平臺(tái)。為此，考慮將設(shè)備抽象功能集成到MEC 平臺(tái)。將設(shè)備抽象功能和應(yīng)用處理功能放在MEC 主機(jī)層，使設(shè)備按功能接入，脫離硬件約束，提升設(shè)備聯(lián)動(dòng)性與服務(wù)兼容性，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)共享，使數(shù)據(jù)價(jià)值得到充分利用。

針對(duì)服務(wù)連續(xù)性和節(jié)點(diǎn)有效性問題，可基于SDN和MEC 思想，讓網(wǎng)絡(luò)中的區(qū)域匯聚節(jié)點(diǎn)成為區(qū)域的數(shù)據(jù)中心和控制中心，承載NFV 云化技術(shù)及IT 系統(tǒng)，設(shè)置區(qū)域自治、集中管控的分層次網(wǎng)絡(luò)體系。支持域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)資源統(tǒng)一管理，域間多中心節(jié)點(diǎn)靈活高效數(shù)據(jù)共享，滿足用戶的跨域移動(dòng)性與數(shù)據(jù)的跨域遷移需求。三層邊緣節(jié)點(diǎn)管理方案如圖3 所示，三層邊緣節(jié)點(diǎn)分別是地面層L1、L2和衛(wèi)星層L3。區(qū)域自治的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署與管理模式中，上層MEC 節(jié)點(diǎn)承載動(dòng)態(tài)NFV 技術(shù)，域內(nèi)子節(jié)點(diǎn)屏蔽域間可能發(fā)生的資源、內(nèi)容、信令的交互操作，將資源管理與信息通信功能統(tǒng)一配置在上層MEC 節(jié)點(diǎn)中。L1子節(jié)點(diǎn)可配置在基站側(cè)，L2可配置在城域網(wǎng)側(cè)，滿足城際的資源共享。L2邊緣節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍更大，能夠掌握更全面的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)信息，實(shí)現(xiàn)高效的服務(wù)遷移和節(jié)點(diǎn)有效性管理。L3具有更大的全局視角，然而衛(wèi)星的計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力以及通信距離存在限制，其掌握的全局信息可能不具有網(wǎng)絡(luò)區(qū)域?qū)傩?，所以?fù)責(zé)具有跨區(qū)域大時(shí)空尺度的服務(wù)連續(xù)性管理。L2與L3聯(lián)合部署，使網(wǎng)絡(luò)管理更加靈活，資源利用更加充分，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延得到進(jìn)一步降低。當(dāng)發(fā)生服務(wù)遷移時(shí)，上級(jí)MEC 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行資源的動(dòng)態(tài)管理和任務(wù)的動(dòng)態(tài)調(diào)度。承載動(dòng)態(tài)NFV 功能的高級(jí)MEC 節(jié)點(diǎn)將保存切換終端任務(wù)處理的狀態(tài)和所需要的接入資源；當(dāng)系統(tǒng)中接入新的邊緣節(jié)點(diǎn)后，由當(dāng)前節(jié)點(diǎn)層的上層對(duì)其進(jìn)行配置，讀取節(jié)點(diǎn)計(jì)算存儲(chǔ)能力，平衡全域節(jié)點(diǎn)能力，安排任務(wù)處理與調(diào)度優(yōu)先級(jí)，使節(jié)點(diǎn)有效配置，任務(wù)高效處理。

圖3 三層邊緣節(jié)點(diǎn)管理方案

針對(duì)信息時(shí)效性問題，文獻(xiàn)[68]引入信息年齡（AoI,age of information）理論來刻畫信息時(shí)效性。信息年齡是用來量化信息新鮮度并改善網(wǎng)絡(luò)性能的理論，定義為系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻可用信息與該信息生成時(shí)刻的時(shí)間差。對(duì)于融合網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的處理，如果信息年齡的值大于業(yè)務(wù)預(yù)先設(shè)定值，則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)對(duì)該業(yè)務(wù)的傳輸為無效傳輸。有效性指標(biāo)AoI 用于刻畫業(yè)務(wù)對(duì)鏈路的需求，對(duì)于歷史業(yè)務(wù)的AoI 進(jìn)行分析，確定滿足傳輸條件的最小AoI 值用來調(diào)度鏈路資源，保證高質(zhì)量的業(yè)務(wù)需求。

針對(duì)資源有限性問題，可設(shè)計(jì)一體化動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)切片模式。由于5GSIN 資源的有限性和任務(wù)的突發(fā)性，靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)切片模式將導(dǎo)致低資源利用率切片閑置，高資源需求任務(wù)被服務(wù)能力低，致使資源得不到充分利用，任務(wù)也得不到及時(shí)處理。創(chuàng)建動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)切片模式，在任務(wù)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建端到端切片，在任務(wù)完成后刪除切片，回收資源，實(shí)現(xiàn)切片與資源的動(dòng)態(tài)調(diào)配，靈活綁定，從而達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)頻譜、充分利用網(wǎng)絡(luò)資源、提高任務(wù)處理效率、降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的目的。同時(shí)，動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)時(shí)感知業(yè)務(wù)對(duì)資源需求的優(yōu)先級(jí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整資源分配方案，使用戶QoE 和網(wǎng)絡(luò)QoS 最大化。

2.2 設(shè)計(jì)方案

未來5G 衛(wèi)星融合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該充分利用5G 網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并深入挖掘這些技術(shù)融入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的潛在優(yōu)勢(shì)。因此，本文提出了基于MEC 的5GSIN 架構(gòu)，如圖4 所示。

圖4 基于MEC 的5GSIN 架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)主要由地面網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)管理終端組成。首先，泛在融合網(wǎng)絡(luò)終端接入gNB 或地面網(wǎng)關(guān)，gNB 之間通過Xn 接口共享基站側(cè)MEC 資源，實(shí)現(xiàn)邊緣內(nèi)容交付或計(jì)算能力卸載，這是5GSIN 的第一級(jí)邊緣節(jié)點(diǎn)。在基站以上，由于5GSIN 的異構(gòu)性，在第二層邊緣計(jì)算平臺(tái)中需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)鏈選擇，從而匹配最佳的業(yè)務(wù)傳輸鏈路；同時(shí)，受益于SDN 和NFV 技術(shù)的支持，為不同終端、不同類型的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)劃分不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，即網(wǎng)絡(luò)切片，通過定制化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，保證不同業(yè)務(wù)的QoS 需求。終端設(shè)備可以直接與衛(wèi)星通信（僅具有衛(wèi)星通信能力的終端）或者通過任何一級(jí)邊緣平臺(tái)側(cè)的地面網(wǎng)關(guān)中繼連接到衛(wèi)星，衛(wèi)星回程網(wǎng)絡(luò)通過地面網(wǎng)關(guān)連接到5G 核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)5G 與衛(wèi)星的融合。

衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)同時(shí)也是邊緣計(jì)算和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。由于衛(wèi)星具有計(jì)算能力，可以在卸載遠(yuǎn)程任務(wù)的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行處理或預(yù)處理，將處理結(jié)果交付給目的終端或?qū)㈩A(yù)處理結(jié)果傳遞給遠(yuǎn)程計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行繼續(xù)處理。衛(wèi)星的計(jì)算能力將大幅減少網(wǎng)絡(luò)中流量，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的高效利用。由于衛(wèi)星具有存儲(chǔ)能力，一方面，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)及內(nèi)容的緩存并進(jìn)行廣播，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)內(nèi)容的大規(guī)模推送具有良好效果。另一方面，由于星間節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，對(duì)于無法一次性交付的內(nèi)容，可以選擇分批次傳送，這樣衛(wèi)星可以靈活地根據(jù)內(nèi)容的優(yōu)先級(jí)在不同時(shí)間片傳送不同內(nèi)容或內(nèi)容的不同部分，而不需要在某一個(gè)長時(shí)間片統(tǒng)一進(jìn)行傳送，提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性。網(wǎng)絡(luò)管理終端負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)5GSIN 中的異質(zhì)資源統(tǒng)一調(diào)度與管理、鏈路選擇與拓?fù)渲亟?、一體化全域任務(wù)調(diào)度等功能。通過這種架構(gòu)充分利用星上計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源以及衛(wèi)星廣覆蓋的優(yōu)勢(shì)，考慮了地面資源覆蓋不充分的問題，并緩解了地面鏈路負(fù)載、減少遠(yuǎn)端資源響應(yīng)時(shí)延的問題。同時(shí)，多級(jí)MEC 服務(wù)器協(xié)同為用戶提供服務(wù)，形成了具有多級(jí)計(jì)算及存儲(chǔ)能力的衛(wèi)星地面網(wǎng)絡(luò)，增加網(wǎng)絡(luò)的靈活性和穩(wěn)健性。

利用數(shù)字孿生技術(shù)可建立真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的虛擬鏡像，虛實(shí)網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行雙向聯(lián)通。具體而言，真實(shí)網(wǎng)絡(luò)向虛擬網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)處理等功能，根據(jù)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，虛擬網(wǎng)絡(luò)向真實(shí)網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行行為預(yù)測(cè)并對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行最終的行為決策。

2.3 架構(gòu)管理方法

新的架構(gòu)將面臨新的問題，5GSIN 是異構(gòu)、多接入的網(wǎng)絡(luò)，需要對(duì)無線傳輸參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)資源、應(yīng)用等方面進(jìn)行統(tǒng)一的管理和控制。3GPP 也正在為5G 網(wǎng)絡(luò)中集成衛(wèi)星組件的管理和協(xié)調(diào)定義標(biāo)準(zhǔn)。它確定了與業(yè)務(wù)角色、服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)管理以及集成衛(wèi)星組件的5G 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)相關(guān)的關(guān)鍵問題[18]。其中，為了解決融合網(wǎng)絡(luò)中較大的傳播時(shí)延、路徑損耗以及衛(wèi)星移動(dòng)中較大的多普勒偏移[69-70]等信道損傷問題[7,71]，3GPP 在R16 中規(guī)定了基于32 個(gè)停止-等待的混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（HARQ,hybrid automatic repeat request）進(jìn)程的連續(xù)傳輸，即在收到前一個(gè)傳輸?shù)姆答佒?，一個(gè)HARQ 進(jìn)程不能在新的傳輸中重用，當(dāng)所有的HARQ 進(jìn)程都在等待反饋時(shí)，傳輸會(huì)停止。同時(shí)，3GPP 提出在完整的往返時(shí)延（RTT,round-trip time）通過之前重用同一HARQ 進(jìn)程的方案，以避免停止運(yùn)行[47]，此時(shí)，HARQ 反饋過程將被禁用。對(duì)于上行鏈路，當(dāng)沒有HARQ 反饋時(shí)，5G基站可以通過發(fā)送新數(shù)據(jù)的授權(quán)或重傳授權(quán)，動(dòng)態(tài)地決定是否在RTT 通過之前重用 HARQ 過程。

在R17 中，3GPP 提出一種了網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，具體如下。gNB 首先為終端提供一個(gè)公共的定時(shí)提前（TA,timing advance）值，隨后在衛(wèi)星和gNB之間發(fā)送RTT 信號(hào)，終端將獲得的RTT 添加到公共TA 值中，得到全TA 值。全TA 值作為終端的下行接收定時(shí)和上行傳播定時(shí)的偏移量，即下行時(shí)隙n從t1開始，則上行時(shí)隙n從t1-全TA 值開始。這使UE 可以在gNB 上發(fā)送準(zhǔn)確的上行傳輸，用于隨機(jī)接入和數(shù)據(jù)傳播。

基于以上分析，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，本文提出如圖5 所示的架構(gòu)管理方法，共分為6 層。其中，無線傳輸層旨在對(duì)5GSIN 無線傳輸?shù)南嚓P(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括TA 值和HARQ 的管理等；SDN 和NFV 技術(shù)使能層對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源及設(shè)備進(jìn)行池化管理，提供設(shè)備的統(tǒng)一調(diào)用接口，為資源的全局調(diào)度提供基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)靈活動(dòng)態(tài)組網(wǎng)；資源層負(fù)責(zé)管理并分配網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算和存儲(chǔ)等資源，包括邊緣設(shè)備資源、云服務(wù)中心資源等；地面和衛(wèi)星控制層主要對(duì)分布式MEC 設(shè)備、衛(wèi)星大尺度移動(dòng)性等進(jìn)行管控；集中控制層對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)管理終端實(shí)現(xiàn)的功能，提供5GSIN 狀態(tài)全局監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸椥怨芾淼确?wù)；應(yīng)用層為5GSIN 支持的應(yīng)用和服務(wù)提供協(xié)議接口和服務(wù)保障，具體包括目標(biāo)探測(cè)和跟蹤、內(nèi)容緩存和交付、全球廣域通信服務(wù)等。各層之間通過個(gè)性化參數(shù)相互協(xié)調(diào)處理多樣化網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，通過虛擬化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)，提供5GSIN 端到端服務(wù)的自動(dòng)化管理。

圖5 5GSIN 架構(gòu)管理方法

3 未來展望

5G 網(wǎng)絡(luò)正處于商用階段并仍在向前發(fā)展，5GSIN 是5G 網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)，是向未來網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的方向和過程。未來網(wǎng)絡(luò)需要繼續(xù)尋找新突破，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)融合、多層次覆蓋的目標(biāo)，向著推動(dòng)社會(huì)智能化發(fā)展的目標(biāo)，提供全時(shí)、全域、全連接的智能網(wǎng)絡(luò)。因此，針對(duì)上述對(duì)于5GSIN 發(fā)展的論述，向未來網(wǎng)絡(luò)智能化方向邁進(jìn)，本文對(duì)融合網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提出如下展望。

3.1 服務(wù)智能化

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大和應(yīng)用場(chǎng)景的豐富，業(yè)務(wù)數(shù)量急劇擴(kuò)張，向網(wǎng)絡(luò)中注入了大量的流量。同時(shí)，一體化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)面臨業(yè)務(wù)類型多樣、需求多樣且業(yè)務(wù)特征具有時(shí)空屬性等特點(diǎn)，極易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)服務(wù)效能低、業(yè)務(wù)完成質(zhì)量低、用戶需求滿意度難以保證等問題。盲目地增加計(jì)算與存儲(chǔ)設(shè)備會(huì)使網(wǎng)絡(luò)規(guī)模難以控制，同時(shí)，由于衛(wèi)星的固有屬性，其計(jì)算和存儲(chǔ)能力存在上界。因此，保障網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需要尋求新的方法，使網(wǎng)絡(luò)服務(wù)智能化，使邊緣云、衛(wèi)星云實(shí)現(xiàn)深度融合與協(xié)作。在邊緣層面，邊緣網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠感知業(yè)務(wù)流信息，認(rèn)知業(yè)務(wù)流屬性，判斷業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)資源需求。同時(shí)，能夠根據(jù)先進(jìn)的預(yù)測(cè)方法對(duì)后續(xù)業(yè)務(wù)流特征進(jìn)行預(yù)測(cè)，提前指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)資源分配和調(diào)度。用戶也能夠根據(jù)需求配置網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以應(yīng)用驅(qū)動(dòng)資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)。在衛(wèi)星層面，衛(wèi)星應(yīng)該最大化發(fā)揮廣域大連接屬性，掌握網(wǎng)絡(luò)宏觀視角，構(gòu)建動(dòng)態(tài)的、具有時(shí)空屬性的端到端全域網(wǎng)絡(luò)切片。同時(shí)，衛(wèi)星應(yīng)能夠判斷業(yè)務(wù)特點(diǎn)，快速選擇目的節(jié)點(diǎn)，及時(shí)卸載遠(yuǎn)程地面業(yè)務(wù)，保證服務(wù)確定性。

實(shí)現(xiàn)上述要求，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)至關(guān)重要。要從數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理、分析、銷毀全生命周期入手，充分挖掘數(shù)據(jù)特點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)特征了解網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況、診斷網(wǎng)絡(luò)故障、預(yù)測(cè)行為模式、指導(dǎo)資源調(diào)配等，這是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)智能化的基石。

3.2 模型智能化

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)演進(jìn)，研究者在不斷開發(fā)邊緣計(jì)算技術(shù)新的應(yīng)用手段。例如，將邊緣計(jì)算技術(shù)與人工智能技術(shù)結(jié)合，利用邊緣節(jié)點(diǎn)的分布性和邊緣及時(shí)性，快速訪問海量終端數(shù)據(jù)，通過分布式邊緣節(jié)點(diǎn)快速訓(xùn)練人工智能（AI,artificial intelligence）子模型，并將子模型數(shù)據(jù)向上傳遞，通過聯(lián)邦學(xué)習(xí)快速智能生成網(wǎng)絡(luò)模型。人工智能技術(shù)將使邊緣計(jì)算發(fā)展成邊緣智能，使網(wǎng)絡(luò)能夠局部自學(xué)習(xí)和自演化，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的靈活性和自主性。已有研究分析了5G 網(wǎng)絡(luò)中用于聯(lián)邦學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)特征及聯(lián)邦學(xué)習(xí)的可能場(chǎng)景，分析聯(lián)邦學(xué)習(xí)框架下底層節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)選擇方法并建立激勵(lì)機(jī)制促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加入聯(lián)邦學(xué)習(xí)過程[72-74]。在5GSIN 中，由于衛(wèi)星的計(jì)算與存儲(chǔ)能力以及衛(wèi)星和地面分層和分布式的邊緣計(jì)算能力，后續(xù)研究可以考慮將聯(lián)邦學(xué)習(xí)策略用于5GSIN 的多層分布-集中的節(jié)點(diǎn)部署場(chǎng)景中。通過采集跨區(qū)域邊緣設(shè)備中的數(shù)據(jù)特征，通過衛(wèi)星訓(xùn)練大范圍通用網(wǎng)絡(luò)模型是有前景的研究方向。但是，衛(wèi)星的計(jì)算能力畢竟有限，過重的模型訓(xùn)練過程可能使衛(wèi)星其他方面的服務(wù)質(zhì)量得不到保證，可以通過地面邊緣節(jié)點(diǎn)訓(xùn)練好區(qū)域網(wǎng)絡(luò)子模型，衛(wèi)星僅負(fù)責(zé)模型的整合和發(fā)布，而不關(guān)注具體的參數(shù)層面。通過這種手段，可以大幅降低數(shù)據(jù)傳輸量，減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，同時(shí)加快模型生成速度。然而，在跨區(qū)域子模型采集中，由于可能存在語言差異、內(nèi)容偏好差異等因素，數(shù)據(jù)特征差異較大，數(shù)據(jù)分布不均衡，這給數(shù)據(jù)處理帶來挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)處理程度將直接影響網(wǎng)絡(luò)模型的精確度。同時(shí)，對(duì)于終端的數(shù)據(jù)采集涉及隱私問題，數(shù)據(jù)采集到什么程度、數(shù)據(jù)對(duì)邊緣設(shè)備開放到什么程度是值得思考的問題。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)模型數(shù)據(jù)與用戶待傳輸數(shù)據(jù)發(fā)生沖突時(shí)如何決定傳輸優(yōu)先級(jí)，如何分配稀缺的衛(wèi)星資源等，同樣是值得研究的方向。

另一方面，5GSIN 將向超異構(gòu)和超大規(guī)模演進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)升級(jí)演化將面臨較大困難。將機(jī)器學(xué)習(xí)智能算法及網(wǎng)絡(luò)模型分布在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)控制中心，通過豐富的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)構(gòu)建更加智能化個(gè)性化的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，使區(qū)域網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)內(nèi)部流量特征實(shí)現(xiàn)智能自演化，最終，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)會(huì)學(xué)習(xí)、能進(jìn)化，在區(qū)域內(nèi)進(jìn)化、在區(qū)域間協(xié)同的目標(biāo)。

3.3 路由智能化

5GSIN 是一個(gè)多連接的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在終端選擇傳輸路徑時(shí)，會(huì)面臨與5G 基站連接、直接與衛(wèi)星連接、與衛(wèi)星地面終端連接等不同的連接場(chǎng)景，如何判斷用戶的連接場(chǎng)景，如何選擇最佳的傳輸路徑至關(guān)重要。應(yīng)該綜合考慮用戶的時(shí)延敏感度、鏈路的負(fù)載情況、天氣狀況等因素生成鏈路選擇算法，判斷最佳連接鏈路。然而，在不同的網(wǎng)絡(luò)域中，最佳的算法可能也會(huì)不同，需要在進(jìn)一步研究中進(jìn)行深入的模擬和驗(yàn)證。另一方面，5GSIN 將產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載能力提出巨大考驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中難免發(fā)生擁塞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失。所以，應(yīng)該構(gòu)建動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。首先，可以利用衛(wèi)星動(dòng)態(tài)改變地面數(shù)據(jù)流向，卸載地面擁塞節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，使網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)流量需求并克服潛在鏈路故障，構(gòu)建動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)路由方案[75]，提高網(wǎng)絡(luò)的性能。其次，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型，智能動(dòng)態(tài)地預(yù)測(cè)拓?fù)渥兓?，進(jìn)行資源分配與調(diào)度，平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，及時(shí)改變業(yè)務(wù)路由。

在5GSIN 中，業(yè)務(wù)重路由是一個(gè)復(fù)雜的判斷過程。如果節(jié)點(diǎn)任務(wù)量過載，需要權(quán)衡繼續(xù)等待或者重路由的代價(jià)。智能路由算法需要考慮節(jié)點(diǎn)任務(wù)的突發(fā)性、衛(wèi)星的周期運(yùn)動(dòng)性，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)的歷史狀態(tài)計(jì)算未來狀態(tài)，規(guī)避下一跳節(jié)點(diǎn)選擇失敗的風(fēng)險(xiǎn)，避免重復(fù)重路由過程。在規(guī)劃好新的傳輸路徑后，需要能夠預(yù)測(cè)新路徑的傳輸成功率，計(jì)算業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量，將結(jié)果與繼續(xù)等待在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的傳輸質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比。傳輸質(zhì)量應(yīng)綜合考慮生成新路由的計(jì)算代價(jià)、節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)丟包率、業(yè)務(wù)處理時(shí)延與等待時(shí)延等多個(gè)因素。智能化路由是一個(gè)復(fù)雜的過程，也是5GSIN 必須解決的問題。

4 結(jié)束語

本文綜合介紹了5G 與衛(wèi)星融合網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、應(yīng)用等方面的相關(guān)內(nèi)容，對(duì)融合網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新的理解與看法。隨著B5G 網(wǎng)絡(luò)與6G 網(wǎng)絡(luò)研究的展開，衛(wèi)星通信被認(rèn)為是滿足移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)的重要技術(shù)。利用衛(wèi)星潛力能夠更好地滿足移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需求，衛(wèi)星與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的融合是大勢(shì)所趨。未來工作應(yīng)從網(wǎng)絡(luò)智能化發(fā)展角度更加深入地研究融合網(wǎng)絡(luò)的解決方案，探求未來空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與建設(shè)方向。