空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)*

付書(shū)航，周笛，盛敏，李建東，史琰

（西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071）

0 引言

移動(dòng)通信技術(shù)從1G 到4G、再到6G 的發(fā)展過(guò)程，反映了人們的通信需求從滿足人與人到人與物、再到萬(wàn)物智聯(lián)的發(fā)展。如今，地面通信網(wǎng)絡(luò)的更新迭代、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的加快部署和海洋通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)探索，為空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的到來(lái)奠定了基礎(chǔ)。而空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)將由各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)有機(jī)融合而成，從而實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋的愿景。

早在2000 年，美國(guó)率先提出了建設(shè)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想，綜合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)二者各自的優(yōu)勢(shì)，在統(tǒng)一框架下實(shí)現(xiàn)按需定制，從而為用戶(hù)提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)[1]。我國(guó)則將天地一體化網(wǎng)絡(luò)列為科技創(chuàng)新2030 的重大工程項(xiàng)目之一，并納入國(guó)家“十三五”規(guī)劃綱要以及《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》[2]。天地一體化網(wǎng)絡(luò)以其戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性等一系列不可替代性的重要意義，成為關(guān)乎國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重大基礎(chǔ)設(shè)施，為實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋提供了解決方案，但設(shè)備成本昂貴。隨著空中平臺(tái)（如飛艇、熱氣球、無(wú)人機(jī)等）成本的下降，在天地一體化網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上融合空基網(wǎng)絡(luò)的空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)想被提出[2]。

空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景如圖1 所示，以地基網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以天基網(wǎng)絡(luò)和海基網(wǎng)絡(luò)為延伸，以空基網(wǎng)絡(luò)為銜接和補(bǔ)充，覆蓋太空、天空、地面、海洋等自然空間，滿足各類(lèi)用戶(hù)的各類(lèi)業(yè)務(wù)需求[2]。天基網(wǎng)絡(luò)由衛(wèi)星組成，可分為高軌衛(wèi)星、中軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星。高軌衛(wèi)星單星覆蓋能力大，但部署成本高、傳播時(shí)延大。與之相比，單星覆蓋能力小但成本低、傳播時(shí)延小的小型低軌衛(wèi)星逐漸成為被考慮的對(duì)象，由小型低軌衛(wèi)星組成的巨型星座系統(tǒng)更是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，如Starlink、Oneweb。我國(guó)也啟動(dòng)了相應(yīng)的“虹云”、“鴻雁”等星座計(jì)劃。地基網(wǎng)絡(luò)主要由局域網(wǎng)、蜂窩移動(dòng)網(wǎng)組成，其中以“萬(wàn)物互聯(lián)”為目標(biāo)的5G 已實(shí)現(xiàn)商用，以“萬(wàn)物智聯(lián)”為愿景的6G 正在籌備研究。而相比于天基和地基，由臨近空間飛艇、飛機(jī)、無(wú)人機(jī)、熱氣球等空中平臺(tái)組成的空基和由沿岸基站、水面艦艇、浮標(biāo)等組成的海基網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展則稍顯遜后。加之空基和海基通信易受氣象條件變化和海洋環(huán)境波動(dòng)的影響，目前相應(yīng)的系統(tǒng)大多結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，服務(wù)能力有限，技術(shù)尚不成熟[3-4]。因此，空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展面臨以下兩方面的重要挑戰(zhàn)。

圖1 空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景圖

（1）體系架構(gòu)。空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)子網(wǎng)組成，不同的通信網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)、鏈接、功能和各種其他屬性上不同，如低軌衛(wèi)星接入節(jié)點(diǎn)具有很強(qiáng)的移動(dòng)性，而無(wú)人機(jī)接入節(jié)點(diǎn)具有臨時(shí)性。因此，需要有高效健碩的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)應(yīng)對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的接入、切換與融合，而網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行、資源調(diào)度和感知維護(hù)也需要高效合理的體系架構(gòu)。

（2）定制服務(wù)。不同的業(yè)務(wù)有不同的性能需求，空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)雖為融合網(wǎng)絡(luò)，但不同的子網(wǎng)所能達(dá)到的性能標(biāo)準(zhǔn)不同，如空基網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性較差，不宜處理高可靠性業(yè)務(wù)。如何根據(jù)業(yè)務(wù)的性能需求在一體化網(wǎng)路中部署相應(yīng)的服務(wù)是一難點(diǎn)，而網(wǎng)絡(luò)切片則是能夠?qū)崿F(xiàn)定制服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。

為了應(yīng)對(duì)上述技術(shù)挑戰(zhàn)，本文將著重討論空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)與面向多樣業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。本文的主要研究工作如下：

（1）針對(duì)空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)當(dāng)下發(fā)展的現(xiàn)狀和所面臨的體系架構(gòu)方面的挑戰(zhàn)，本文提出了一種業(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)，將業(yè)務(wù)管理功能下沉至網(wǎng)絡(luò)邊緣，并細(xì)化不同節(jié)點(diǎn)的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能，以實(shí)現(xiàn)高效的業(yè)務(wù)管理。

（2）針對(duì)空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)所面臨的按需定制服務(wù)的挑戰(zhàn)，本文提出了面向多樣業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，使空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)可以為具有不同性能指標(biāo)要求的業(yè)務(wù)提供特定服務(wù)。

（3）仿真結(jié)果表明，本文提出的面向多樣業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)相較現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)切片方法在滿足業(yè)務(wù)服務(wù)性能需求方面具有顯著增益。

1 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)

構(gòu)建和管理高效的空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，已有許多相關(guān)的體系架構(gòu)被提出。Bi 等在文獻(xiàn)[5]中提出一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN 的體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)控制平面和數(shù)據(jù)平面的解耦，并利用SDN 控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)混合網(wǎng)絡(luò)融合、拓?fù)淇刂啤⒙酚蓴U(kuò)展等。Dong 等在文獻(xiàn)[6]中提出了一種基于多層網(wǎng)絡(luò)的多域SDN 體系架構(gòu)，各節(jié)點(diǎn)的交換設(shè)備組成數(shù)據(jù)平面，控制器構(gòu)成控制平面，依靠不同級(jí)別的控制器實(shí)現(xiàn)多域、多層管理。但該兩種體系架構(gòu)沒(méi)有從節(jié)點(diǎn)上將SDN 控制器的功能進(jìn)行分類(lèi)和細(xì)化。Feng 等在文獻(xiàn)[7]中提出一種HetNet 架構(gòu)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為天基核心、地基核心和其他邊緣網(wǎng)絡(luò)域，并只允許端點(diǎn)在邊緣訪問(wèn)，以隱藏網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，但沒(méi)有豐富邊緣網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的及時(shí)處理。Yao 等在文獻(xiàn)[8]中提出了一種“雙骨干接入”的體系架構(gòu)，雙骨干即天基骨干網(wǎng)和地面網(wǎng)絡(luò)，能夠更加靈活地融合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)即時(shí)處理、存儲(chǔ)和共享，但沒(méi)有著重考慮空基和海基，而空基和海基發(fā)展相對(duì)較落后，設(shè)立合理的管控架構(gòu)對(duì)于其融入一體化網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。

基于現(xiàn)有體系架構(gòu)所存在的不足，本文提出了一種業(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)（MTMSAGSIN,An Space-Air-Ground-Sea Integrated Network Architecture with Marginal Traffics Management）。該體系架構(gòu)通過(guò)三層管控體系將天基、空基、海基及其他地面網(wǎng)絡(luò)接入地基骨干網(wǎng)，同時(shí)將業(yè)務(wù)管理功能下沉至網(wǎng)絡(luò)邊緣，并細(xì)化不同節(jié)點(diǎn)的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能，以實(shí)現(xiàn)高效的業(yè)務(wù)管理。

MTM-SAGSIN 體系架構(gòu)如圖2 所示。天基、空基等異構(gòu)子網(wǎng)通過(guò)管理中心、局部管理和邊緣接入控制三層管控體系結(jié)構(gòu)接入地基骨干網(wǎng)。邊緣接入控制節(jié)點(diǎn)的功能包括切換與資源管理、業(yè)務(wù)預(yù)處理、節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)、切片數(shù)據(jù)庫(kù)等。切換與資源管理負(fù)責(zé)決策、控制用戶(hù)業(yè)務(wù)選擇合適的節(jié)點(diǎn)接入，并管理節(jié)點(diǎn)的計(jì)算、存儲(chǔ)、記憶、無(wú)線等資源。業(yè)務(wù)預(yù)處理負(fù)責(zé)對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分類(lèi)、流量檢測(cè)等預(yù)處理工作，并將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)周期性上報(bào)至應(yīng)用/切片管理中心。節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和故障情況，并周期性上報(bào)至局部管理節(jié)點(diǎn)的故障管理功能。切片數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)來(lái)自切片管理中心的已生成的典型應(yīng)用切片，當(dāng)用戶(hù)業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)，可調(diào)用切片進(jìn)行處理；當(dāng)用戶(hù)請(qǐng)求不存在的切片時(shí)，切片數(shù)據(jù)庫(kù)將向切片管理中心請(qǐng)求該切片。

圖2 MTM-SAGSIN體系架構(gòu)

局部管理節(jié)點(diǎn)的功能包括切換與資源管理、控制參數(shù)遷移、故障管理、移動(dòng)性管理和透明轉(zhuǎn)發(fā)等。控制參數(shù)遷移負(fù)責(zé)接入控制節(jié)點(diǎn)收集的業(yè)務(wù)特征、資源使用情況等數(shù)據(jù)上傳至管理中心，并將管理中心的控制參數(shù)下發(fā)至接入控制節(jié)點(diǎn)。故障管理負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)接入控制節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行故障定位、分析和處理，并將狀況上報(bào)至故障管理中心。移動(dòng)性管理負(fù)責(zé)用戶(hù)和接入節(jié)點(diǎn)位置信息的登記、更新和存儲(chǔ)；負(fù)責(zé)鑒權(quán)和安全管理并維護(hù)用戶(hù)和接入節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)關(guān)系。透明轉(zhuǎn)發(fā)則將接入控制節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)管理中心。

管理中心由應(yīng)用管理中心、切片管理中心、故障管理中心和數(shù)據(jù)管理中心組成。應(yīng)用管理中心負(fù)責(zé)應(yīng)用數(shù)據(jù)的周期性收集、統(tǒng)計(jì)和分析，并將結(jié)果輸入給切片管理中心。切片管理中心根據(jù)應(yīng)用管理中心的結(jié)果生成相應(yīng)的切片，將切片下發(fā)至切片數(shù)據(jù)庫(kù)。故障管理中心對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并生成故障處理策略，下發(fā)給故障管理節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)管理中心負(fù)責(zé)聚合、存儲(chǔ)、分析、處理和分發(fā)數(shù)據(jù)，并充當(dāng)網(wǎng)關(guān)，將異構(gòu)子網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入到地基骨干網(wǎng)中。

以海基網(wǎng)絡(luò)為例。當(dāng)船客、船員或救生艇等用戶(hù)想接入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，可通過(guò)船載基站、鉆井平臺(tái)、海上浮標(biāo)等接入網(wǎng)絡(luò)，這些接入控制節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送給沿岸基站，沿岸基站再將數(shù)據(jù)傳送給海基地面綜合站，通過(guò)數(shù)據(jù)管理中心即可接入地基骨干網(wǎng)（即互聯(lián)網(wǎng)）。當(dāng)用戶(hù)想請(qǐng)求某服務(wù)時(shí)，海基接入網(wǎng)先查看切片數(shù)據(jù)庫(kù)是否存儲(chǔ)了相應(yīng)切片，有則調(diào)出進(jìn)行服務(wù)，無(wú)則通過(guò)沿岸基站向切片管理中心請(qǐng)求。作為接入網(wǎng)與綜合站之間的次級(jí)管理節(jié)點(diǎn)，沿岸基站負(fù)責(zé)海上平臺(tái)的移動(dòng)性管理、故障管理、切換和資源管理等，并向綜合站上報(bào)相應(yīng)的狀態(tài)信息。作為接入網(wǎng)與綜合站之間的中繼傳輸節(jié)點(diǎn)，沿岸基站負(fù)責(zé)接入網(wǎng)數(shù)據(jù)的中繼，由此可擴(kuò)大海基接入網(wǎng)在海面的覆蓋范圍。

值得一提的是，不同的通信系統(tǒng)在節(jié)點(diǎn)、鏈接、功能、規(guī)模和各種其他屬性上不同，互聯(lián)方案的選擇將對(duì)一體化網(wǎng)絡(luò)的性能產(chǎn)生巨大影響。例如，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有拓?fù)涓邉?dòng)態(tài)性、間歇連接性，如果允許其直接接入到地基骨干網(wǎng)中，將會(huì)引發(fā)路由震蕩而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定[8]。因此，MTM-SAGSIN 以地面綜合站的數(shù)據(jù)管理中心作為一體化網(wǎng)絡(luò)中的異構(gòu)子網(wǎng)絡(luò)接入地基骨干網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。

2 面向多樣業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)種類(lèi)繁多、需求多樣，包括最基礎(chǔ)的電信普遍服務(wù)，偏遠(yuǎn)地區(qū)、孤立區(qū)域覆蓋（例如湖泊、島嶼、山脈），應(yīng)急救災(zāi)緊急通信、移動(dòng)平臺(tái)通信、人員密集場(chǎng)所通信（如音樂(lè)會(huì)、體育事件）、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、海量機(jī)器通信（如智能水表、電表）等。不同的業(yè)務(wù)，衡量指標(biāo)不同，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能要求也不同。現(xiàn)有的采用“一刀切”戰(zhàn)略提供服務(wù)的通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)法支持差分服務(wù)，需要利用靈活的、動(dòng)態(tài)的資源供應(yīng)來(lái)支持針對(duì)不同用例的嚴(yán)格的、定制化的服務(wù)需求，據(jù)此能夠按需定制、獨(dú)立運(yùn)維的網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)運(yùn)而生。網(wǎng)絡(luò)切片是支持特定用例[9]的通信服務(wù)要求的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能的集合，每個(gè)切片代表一個(gè)在共享基礎(chǔ)架構(gòu)上使用專(zhuān)用虛擬化資源實(shí)現(xiàn)的端到端邏輯網(wǎng)絡(luò)，可以作為一種服務(wù)由運(yùn)營(yíng)商提供給用戶(hù)[10]。

谷等在文獻(xiàn)[11] 中提出了一種基于Docker 技術(shù)的地面核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在Docker 虛擬化的硬件資源上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的創(chuàng)建，并部署在地面核心網(wǎng)中，但該技術(shù)僅將網(wǎng)絡(luò)切片部署在地面核心網(wǎng)而忽略其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，無(wú)法即時(shí)、高效、靈活地響應(yīng)業(yè)務(wù)需求。Yang 等在文獻(xiàn)[12] 中和Wu 等在文獻(xiàn)[13] 中都提出了基于網(wǎng)絡(luò)切片的空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，但分別側(cè)重于電力物聯(lián)網(wǎng)和車(chē)聯(lián)網(wǎng)，無(wú)法有效應(yīng)對(duì)來(lái)自其他應(yīng)用場(chǎng)景的業(yè)務(wù)需求。而現(xiàn)有的許多網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，如基于優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)的[14]、基于深度Q 學(xué)習(xí)的[15]和基于時(shí)延感知優(yōu)化的[16]等，則多數(shù)在5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下提出。

因此，本文在文獻(xiàn)[17] 的基礎(chǔ)上提出了基于空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、面向多樣業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，并在接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。如圖3 所示，對(duì)于空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)定制服務(wù)最首要的是先進(jìn)行業(yè)務(wù)分類(lèi)，精確、合理的業(yè)務(wù)分類(lèi)是實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量服務(wù)的基礎(chǔ)。其次，業(yè)務(wù)流量是動(dòng)態(tài)變化的，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)，根據(jù)其變化來(lái)調(diào)整切片大小，進(jìn)而滿足服務(wù)需求質(zhì)量。最后，一體化網(wǎng)絡(luò)將調(diào)用相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)該業(yè)務(wù)。

圖3 面向多樣業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

2.1 業(yè)務(wù)分類(lèi)

本文根據(jù)性能需要將業(yè)務(wù)分為三大類(lèi)——大容量傳輸類(lèi)，超遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)類(lèi)和密集接入類(lèi)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)中的邏輯回歸方法實(shí)現(xiàn)。

分類(lèi)器的表達(dá)式，通常稱(chēng)之為假設(shè)函數(shù)，如下：

其中x(i)表示第i個(gè)輸入樣例，為n維特征向量；θ為n+1維待求參數(shù)向量。式(1) 的意義是輸入一個(gè)實(shí)例的特征向量，式(1) 將給出預(yù)測(cè)結(jié)果。特征向量是對(duì)實(shí)例的刻畫(huà)與描述，本文擬構(gòu)建一個(gè)根據(jù)性能需求進(jìn)行分類(lèi)的業(yè)務(wù)分類(lèi)器，因此選取典型的性能衡量指標(biāo)作為特征向量。

確定假設(shè)函數(shù)的模型之后，更新迭代代價(jià)函數(shù)使其達(dá)到最小，從而獲得待求參數(shù)θ。本文選用平方誤差代價(jià)函數(shù)，表達(dá)式如下：

采用梯度下降不斷迭代θ，使得代價(jià)函數(shù)J(θ) 逐漸達(dá)到最小：

其中α是學(xué)習(xí)速率，控制參數(shù)θ的更新步長(zhǎng)。學(xué)習(xí)速率α值的選取很關(guān)鍵，太小則更新速度過(guò)慢，收斂到局部最小值花費(fèi)時(shí)間更長(zhǎng)；太大，有可能越過(guò)局部最小值，導(dǎo)致無(wú)法收斂或發(fā)散。一旦α的值固定之后，更新的步伐會(huì)隨導(dǎo)數(shù)的減小而自動(dòng)減小，這是因?yàn)樵诳拷植孔钚≈档倪^(guò)程中，導(dǎo)數(shù)在變得越來(lái)越小。得到最小時(shí)的參數(shù)θ之后，就可以用假設(shè)函數(shù)hθ(x(i))對(duì)未知數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)。

2.2 動(dòng)態(tài)檢測(cè)

本文應(yīng)用K均值算法獲得業(yè)務(wù)流量速率的動(dòng)態(tài)特征。隨機(jī)初始化K個(gè)聚類(lèi)中心，然后找到離點(diǎn)r(i)最近的聚類(lèi)中心：

其中r(i)是數(shù)據(jù)點(diǎn)i的流量速率大小；μk表示第k個(gè)聚類(lèi)中心；G(i)的值就是r(i)所歸屬的聚類(lèi)中心μk的索引值。

失真代價(jià)函數(shù)即優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如下：

更新聚類(lèi)中心：

通過(guò)不斷更新聚類(lèi)中心使得式(8) 達(dá)到最小，最后獲得收斂的K個(gè)類(lèi)群以及每個(gè)類(lèi)群的均值和方差。

2.3 網(wǎng)絡(luò)切片

切片，即虛擬網(wǎng)絡(luò)功能鏈，可以表示S={VNF1→VNF2 →……→VNFn}。切片大小實(shí)際上就是分配給組成切片的VNF 的資源總量，可歸納為約束條件下的極值問(wèn)題：

其中ωi表示切片中第i個(gè)VNF 處理一個(gè)數(shù)據(jù)包所需要的資源；Ci表示切片為了滿足服務(wù)需求質(zhì)量，需要第i個(gè)VNF 每秒處理數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)，也稱(chēng)為切片容量；T表示最大時(shí)延；p為達(dá)到性能需求的數(shù)據(jù)包占總數(shù)的百分比；式(12) 為約束條件時(shí)延函數(shù)，詳細(xì)推導(dǎo)見(jiàn)文獻(xiàn)[17]。

切片大小為約束條件下的極值問(wèn)題，應(yīng)用拉格朗日乘數(shù)法，可解出：

求出切片大小后，據(jù)此進(jìn)行資源分配，調(diào)用網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)業(yè)務(wù)。因此，面向多樣業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的性能需求以及達(dá)到性能需求的數(shù)據(jù)包占總數(shù)的百分比p，得出相應(yīng)的切片大小，保障業(yè)務(wù)需求。

3 仿真

本節(jié)將給出在所提的空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)下，面向多樣業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的性能仿真結(jié)果。

3.1 仿真場(chǎng)景

本文搭建如圖2 架構(gòu)所示的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，節(jié)點(diǎn)情況如表1 所示，部分仿真參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

本文采用高斯流量模型生成不同場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)[18]。業(yè)務(wù)分類(lèi)功能部署在各子網(wǎng)的接入控制節(jié)點(diǎn)上，以天基子網(wǎng)為例，由于業(yè)務(wù)分類(lèi)采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式實(shí)現(xiàn)，而接入控制節(jié)點(diǎn)低軌衛(wèi)星搭載資源有限，因此采用參數(shù)遷移的方式，讓地面綜合站的應(yīng)用管理中心進(jìn)行業(yè)務(wù)分類(lèi)的學(xué)習(xí)，再將學(xué)到的參數(shù)通過(guò)局部管理節(jié)點(diǎn)即地面信關(guān)站的控制參數(shù)遷移傳遞給接入控制節(jié)點(diǎn)的LEO，LEO 可直接使用收到的參數(shù)，并將分類(lèi)的情況通過(guò)地面信關(guān)站，反饋給應(yīng)用管理中心，由應(yīng)用管理中心負(fù)責(zé)對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。動(dòng)態(tài)檢測(cè)可由節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的流量監(jiān)測(cè)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。LEO 的切片數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)了來(lái)自地

3.1 仿真場(chǎng)景

本文搭建如圖2 架構(gòu)所示的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，節(jié)點(diǎn)情況如表1 所示，部分仿真參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

表1 仿真場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)列表

表2 部分仿真參數(shù)設(shè)置

本文采用高斯流量模型生成不同場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)[18]。業(yè)務(wù)分類(lèi)功能部署在各子網(wǎng)的接入控制節(jié)點(diǎn)上，以天基子網(wǎng)為例，由于業(yè)務(wù)分類(lèi)采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式實(shí)現(xiàn)，而接入控制節(jié)點(diǎn)低軌衛(wèi)星搭載資源有限，因此采用參數(shù)遷移的方式，讓地面綜合站的應(yīng)用管理中心進(jìn)行業(yè)務(wù)分類(lèi)的學(xué)習(xí)，再將學(xué)到的參數(shù)通過(guò)局部管理節(jié)點(diǎn)即地面信關(guān)站的控制參數(shù)遷移傳遞給接入控制節(jié)點(diǎn)的LEO，LEO 可直接使用收到的參數(shù)，并將分類(lèi)的情況通過(guò)地面信關(guān)站，反饋給應(yīng)用管理中心，由應(yīng)用管理中心負(fù)責(zé)對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。動(dòng)態(tài)檢測(cè)可由節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的流量監(jiān)測(cè)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。LEO 的切片數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)了來(lái)自地面切片管理中心的典型應(yīng)用切片，可按需調(diào)用。當(dāng)業(yè)務(wù)請(qǐng)求切片數(shù)據(jù)庫(kù)中不存在的切片時(shí)，LEO 可向地面切片管理中心請(qǐng)求該切片。同時(shí)，切片管理中心周期性分析收集的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，以便根據(jù)業(yè)務(wù)需求及時(shí)更新切片數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證方法的有效性，本文主要衡量了網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)完成率的性能指標(biāo)，具體指達(dá)到性能需求的數(shù)據(jù)包占總數(shù)的百分比。圖4 展示了隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求數(shù)量的變化，所提切片算法的理論與仿真的業(yè)務(wù)完成率。可以看到，仿真結(jié)果總是高于理論達(dá)到的性能，這是由于面向多樣業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)利用隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算所得出的切片大小是最壞情況下的切片大小，能夠充分應(yīng)對(duì)當(dāng)前業(yè)務(wù)流量的性能需求，并能支持高于理論值的業(yè)務(wù)流量。本文進(jìn)一步將面向多樣業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)（NSDS,Network Slicing for Diverse Services）與基于在線拍賣(mài)、面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片資源分配算法（ORAN,Online Auction-Based Resource Allocation for Service-Oriented Network Slicing）[19]進(jìn)行比較。如圖5 所示，在不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，不論是大容量傳輸類(lèi)、密集接入類(lèi)還是超遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)類(lèi)，兩種方法相比，NSDS 的性能都要優(yōu)于ORAN；在NSDS 中，超遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)類(lèi)業(yè)務(wù)的性能最好，密集接入類(lèi)業(yè)務(wù)的性能最差，這與節(jié)點(diǎn)相應(yīng)資源數(shù)量的設(shè)置及業(yè)務(wù)本身的性能需求特征有關(guān)。隨著業(yè)務(wù)流量的增加，兩種算法在三種不同應(yīng)用場(chǎng)景下的性能表現(xiàn)都呈下降趨勢(shì)，這是由于節(jié)點(diǎn)的處理資源有限。

圖4 面向多樣業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的性能表現(xiàn)

圖5 NSDS與ORAN在三大業(yè)務(wù)場(chǎng)景下的性能比較

4 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的背景，討論了其發(fā)展現(xiàn)狀以及面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。提出了一種業(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)，將業(yè)務(wù)管理功能下沉至網(wǎng)絡(luò)邊緣，并細(xì)化不同節(jié)點(diǎn)的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能，以實(shí)現(xiàn)高效的業(yè)務(wù)管理；進(jìn)一步提出了一種基于所提架構(gòu)、面向多樣業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，使得空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)面對(duì)多種多樣的業(yè)務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)按需定制服務(wù)。本文在所提架構(gòu)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景下進(jìn)行了所提切片技術(shù)的仿真，并與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)切片方法進(jìn)行了比較，仿真結(jié)果表明本文提出的方法相較對(duì)比方法在滿足業(yè)務(wù)服務(wù)性能需求方面具有顯著增益。本文對(duì)未來(lái)空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)和其相應(yīng)的業(yè)務(wù)管理與定制服務(wù)具有一定的指導(dǎo)意義。