空天地海一體化網絡切片研究綜述*

管瑩瑩 ，宋靜 ，宋清洋**，郭磊

（1.東北大學，遼寧 沈陽 110819；2.重慶郵電大學，重慶 400065）

0 引言

近年來，移動通信的發展極大地改變了人們的生活，實現了人們“足不出戶連天下”的初步愿望。然而，新興的虛擬現實、元宇宙等應用，對完全沉浸式體驗、大規模并發接入和無縫連接有更嚴格的要求，給移動通信網絡帶來了前所未有的挑戰[1]。現在的移動網絡以地面網絡為主，但受自然環境和經濟成本等因素影響，無法在山村、沙漠和海洋等偏遠地區建設地面基站，導致全球至今仍有大面積的覆蓋空白。此外，地面網絡容易受到自然災害影響和基礎設施的人為破壞。因此，僅依靠地面網絡無法滿足未來日益增長的高質量服務需求，深度融合天基（高軌/中軌/低軌衛星）、空基（臨空/高空/低空飛行器）、地基（蜂窩/Wi-Fi/有線接入點）與海基（海面/海下航行器）網絡，構建空天地海一體化網絡（SAGSIN,Space-Air-Ground-Sea Integrated Network），實現地表與立體空間的全域、全天候的覆蓋，為用戶提供泛在移動通信服務成為未來網絡的重要發展方向[2]。

然而，由于空天地海一體化網絡不是衛星、飛行器與地面網絡的簡單互聯，導致如何實現協議、網絡、業務、終端等方面的深度融合成為新的挑戰之一。另外，不同網絡應用的涌現也提出了不同的用戶服務質量（QoS,Quality of Service）等級需求，如何在空天地海一體化網絡中保障不同類型應用的差異化QoS需求也成為了新的挑戰。

網絡切片為解決空天地海一體化網絡的上述挑戰帶來了機會。網絡切片可以屏蔽底層物理網絡的差異，在通用物理基礎設施上按需定制虛擬網絡，為不同類型的業務提供差異化QoS保障。然而，由于空天地海一體化網絡的通信拓撲高動態變化、網絡體系結構復雜以及多維資源分布非均衡等特點，給網絡切片帶來了挑戰。

本文首先介紹了空天地海一體化網絡和網絡切片的發展現狀，然后分析了空天地海網絡切片的特點和面臨的挑戰，最后在此基礎上討論了空天地海網絡切片的發展趨勢。

1 發展現狀

1.1 空天地海網絡發展現狀

為了突破地面基礎設施的限制，早在2000年，美國國防部就提出要建設“天地一體化”信息網[3]。隨后，許多國家和組織都開始設計并部署天地一體化項目，如歐盟的SUITED項目、日本的STICS項目。中國也將天地一體化信息網絡加入“科技創新2030—重大項目”，旨在推進天基信息網、未來互聯網、移動通信網的全面融合。

隨著科技的發展，空中平臺（如無人機、熱氣球等）的成本下降使得科研人員提出了“空天地一體化”網絡的構想。例如，谷歌公司的Loon項目和Facebook公司的Aquila項目，分別通過平流層的熱氣球和高空太陽能無人機來為缺少地面基礎設施的貧困/邊遠地區提供低成本網絡覆蓋，或者為用戶密集的城市熱點地區提供高性能增強覆蓋。此外，海洋面積占地球的70%，世界貿易的90%左右由國際海運行業承運。海洋通信網絡可以為船只提供高質量網絡，但此前沒有得到足夠的重視。為了促進全球范圍的互聯互通，迫切需要建設空天地海一體化網絡[4]，以提供泛在的無線通信服務。

空天地海一體化網絡架構如圖1所示，由空基、天基、地基、海基網絡組成：

圖1 空天地海一體化網絡架構

（1）天基網絡：由各種類型的衛星和相應的地面基礎設施（地面站和控制中心）組成。根據不同的海拔高度，衛星可分為高軌、中軌、低軌衛星以及甚低軌衛星。因其不受自然環境和地理位置的限制，可作為地基網絡強有力的延伸和補充。

傳統的天基網絡和地基網絡的研究是相互獨立的。近年來，學者們逐漸關注天基網絡與地基網絡的融合。文獻[5]研究了同信道干擾對天地融合中繼網絡的影響。文獻[6]提出了一種基于云的天地融合網絡體系結構，為運營商制定能量消耗最小的資源分配方案。文獻[7]研究了基于非正交多址的天地融合網絡，提出了系統能量效率最大化的用戶關聯方案和資源分配算法。

（2）空基網絡：由飛艇、高空熱氣球、無人機等空中設備組成。它可提供與地面站、海基網絡之間的數據自動路由，也能與衛星層交換數據信息。

與天基網絡相比，空基網絡具有靈活性好、通信響應時間短、成本低等優點，常用于提供某一特定區域的臨時性通信，以輔助地基、海基網絡通信。文獻[8]基于空中和地面數據鏈路的特性，設計了一新的性能預測模型，增加了一個新的角度以支持未來空管通信需求。文獻[9]提出了一種新型的空地通信模式，使得安裝在無人機上的多天線基站通過可重構智能表面向多個地面用戶發送信息。文獻[10]總結了近年來空基網絡輔助海基通信的最新進展。

（3）地基網絡：由許多地面子網組成，如蜂窩網絡、自組織網絡、無線局域網、沿海基站等。

與天基、空基網絡相比，地基網絡可以在其覆蓋范圍（如基礎設施更完善的城市地區）內提供超高吞吐量和超低延遲的傳輸服務。但因其覆蓋范圍有限、部署成本高、易遭受破壞等特點，無法滿足未來日益增長服務需求。

（4）海基網絡：由水面網絡和水下網絡組成。其中，水面網絡通常由具有通信能力的船舶、浮標和無人水面艦艇等設施組成。水下網絡由自主水下航行器、水下傳感器和其他水下設備組成。

海基網絡的發展相對滯后，現在仍處于發展的早期階段。文獻[11]提出了一種基于邊緣計算的空天地融合網絡來輔助海上通信，以解決數據量激增、通信環境復雜、流量和用戶密度分布不均、海上業務需求不同等挑戰。文獻[12]提出了一種基于反饋的時分多址接入協議，以消除超高頻率數據傳輸之間的信道占用沖突，為海上運輸提供穩定的信息傳輸服務。

空天地海一體化網絡是通過深度融合天基、空基、地基以及海基構建的一個超大規模、高度復雜的立體通信網絡。但現有研究成果主要是在各網段、或兩三個網段的融合方面分別積累，如天地網絡[5-7]、空地網絡[8-9]、空海網絡[10]、空天地網絡[11]等。對于空天地海一體化網絡的研究剛開始進入探索階段，主要集中在協議研究[12]、網絡架構[13-14]、安全性[15-16]等方面。如何保證各網段內部正常運轉的情況下，充分協調網段間的協議、網絡、業務及資源，為未來的新應用提供高效、經濟、實時的差異化服務是網絡空天地海一體化面臨的嚴峻挑戰。

1.2 網絡切片發展現狀

網絡切片技術通過網絡功能虛擬化（NFV,Network Function Virtualization）將網絡資源虛擬化后聚合為資源池，并由支持軟件定義網絡（SDN,Software Defined Network）的切片管理控制器集中管理，實現更細粒度的資源編排。網絡切片利用SDN[17]和NFV[18]可以屏蔽底層物理網絡在通信協議上的差異，將網絡資源抽象成資源池，并由切片管理控制器統一管理，實現細粒度的資源編排，其架構如圖2所示。在虛擬化后的資源池上，為每個業務提供一組隔離的虛擬資源，組成一個端到端的虛擬網絡，以滿足不同應用場景下的業務的多樣化QoS需求[19]。通過網絡切片，可以有效融合異構的物理網絡資源，提供高效、細粒度的資源管理，為不同QoS需求的業務提供按需定制的網絡服務。

圖2 網絡切片架構示意圖

切片管理控制器在進行網絡切片時，是將多個的虛擬網絡功能模塊（VNF,Virtualised Network Function）組成的服務功能鏈嵌入到物理網絡中[20]，為其分配所需要的物理資源，這個過程也被稱作服務功能鏈的放置，是一種特殊的虛擬網絡映射問題，其復雜度為NPhard[21]，這就意味著在大規模網絡中不可能獲得精確的解決方案。為了降低計算復雜度和運行時間，許多啟發式方法已應用于虛擬網絡嵌入問題的次優解決方案中。在文獻[22]中，提出了一種基于減少搜索空間和提取子圖的虛擬網絡嵌入的加速算法。文獻[23]-[24]采用兩步式嵌入方法，首先放置虛擬節點，然后根據虛擬節點的位置將虛擬鏈路映射轉化為多商品流問題。文獻[25]-[26]則使用一階段方法來同時映射節點和鏈路，雖然獲得更好的物理資源利用率，但是由于求解元素的強耦合性，也增加了求解過程的計算復雜度。

綜上所述，網絡切片通過給業務定制化虛擬網絡，有網絡資源隔離、按需定制的特點，以滿足差異化的業務需求，可以獲得比“一刀切”網絡更好的性能。現有研究大多集中在地面網絡切片中，缺乏對空天地海一體化網絡自身特點的考慮，難以直接應用在空天地海一體化網絡中。

1.3 空天地海網絡切片發展現狀

空天地海一體化網絡由于其能夠提供無處不在的無縫覆蓋，受到了廣泛關注，近年來對其進行網絡切片的研究也逐漸開展。

（1）星地融合網絡切片

文獻[2 7]考慮了一種超密集立方體衛星網絡CubeSats，提出了一種星地融合網絡中的自動網絡切片框架。文獻[28]主要關注星地融合網絡中的服務功能鏈的映射，并提出了一種同時考慮服務功能復用和服務功能鏈合并的方法，旨在提高物理網絡的資源利用率。文獻[29]探索了星地融合網絡中網絡切片問題，利用機器學習技術來為物理網絡中的多條鏈路自適應地分配權重，可以減少瓶頸路徑的使用，提高了資源利用率。

（2）空天地一體化網絡切片

文獻[30]研究了空天地一體化輔助的車聯網中動態頻譜切片的問題，提出了一種在線控制框架來動態分割空天地一體化網絡的頻譜資源。在不預先知道服務到達的情況下，系統可以實時進行接入控制、請求調度、無人機調度和資源切片，實現資源隔離的服務供應。文獻[31]研究了空天地一體化網絡中負載均衡的服務功能鏈放置問題，提出了聚合比的概念，以平衡網絡中的通信資源與計算資源的消耗。文獻[32]研究了空天地一體化網絡中基于業務類型的服務功能鏈放置方法，提出了一種基于延遲預測的服務功能鏈映射方法。

（3）空天地海一體化網絡切片

文獻[33]提出了一種將業務管理功能邊緣化的空天地海一體化網絡體系架構，利用機器學習將業務分類，按需為業務定制網絡服務。文獻[34]將區塊鏈技術融入到空天地海一體化網絡切片的架構中，以解決空天地海一體化網絡結構復雜且異構導致的安全漏洞、隱私泄露等問題。

但這些文獻都是建立在物理網絡是靜態拓撲的前提下，忽略了物理網絡的拓撲動態性。然而，低軌衛星和甚低軌衛星的對地移動速度很快，在多數網絡切片的生命周期內，網絡拓撲會頻繁變化，這就導致原有的靜態網絡切片變得難以適用于動態資源需求。另外，在以上的文獻中，空基網絡、天基網絡往往僅作為地基網絡資源受限時的補充網絡，缺乏對各個子網本身特點的考慮，難以充分發揮各網段的優勢。

2 空天地海網絡中切片面臨的挑戰

2.1 多維資源分布高度不均衡

空天地海一體化網絡涉及到通信、計算、能量、緩存等多維資源，它們在不同網段上的分布呈現出高度不均衡的特征。一般來說，地基網絡資源相對充裕，有豐富的無線電頻譜、計算和存儲資源，但覆蓋范圍有限；空基、天基、海基網絡的通信容量相對于地基網絡體量較小。空基網絡可以提供廣闊的覆蓋，但通信延遲大、計算能力弱；天基網絡具有良好的機動性，如無人機節點可以靈活部署，延遲低，但受限于電池容量小，續航時間短且計算能力弱；而海基網絡中水下通信吞吐量低，且易受惡劣天氣的影響，通信條件有限、帶寬有限、信道質量不穩定。因此，考慮多維異構資源間的動態協作，充分利用各網段的資源特點，對數據的傳輸、處理、感知和緩存的效率是至關重要的。

雖然網絡切片可以通過網絡功能虛擬化，打破空天地海一體化網絡的分層異構網絡架構導致的協作壁壘，但是傳統的網絡切片算法難以適應其高度分布不均衡的多維資源管理。尤其是虛擬現實、超高清視頻、遠程醫療、觸覺通信等新興應用場景的出現，不僅提出了超低時延、超高通量帶寬、超大規模連接等需求，還帶來了網絡數據流量的暴增。如何深度結合空、天、地、海各網段的多維資源分布特點，充分利用有限的網絡資源，承載盡可能多的業務，成為空天地海網絡切片的挑戰之一。

2.2 物理拓撲和業務需求的雙重高動態性

空天地海一體化網絡具有高動態性，網絡鏈接和網絡拓撲結構隨著時間的變化而變化，使得網絡切片復雜化。低軌衛星相對地球高速運動，繞地球旋轉一圈的時間不到130分鐘，需要頻繁的波束切換和星間切換。海洋通信網絡中鏈路穩定性容易遭受惡劣天氣影響。高速移動性支持、時空交通快速響應、實時動態信道狀態建模是未來網絡切片的重要挑戰。

此外，網絡切片上的虛擬資源需求會隨著用戶群體的動態性發生變化。現有方法缺乏對用戶需求變化的分析與精準預測，大多根據網絡切片的峰值資源需求配置網絡切片上的資源，導致了資源利用率低，資源調控不夠靈活，難以快速、實時、準確、動態地調整網絡配置。如何在拓撲動態變化的空天地海一體化網絡中，彈性調整網絡切片的資源配置，以實時擬合網絡切片資源需求伸縮變化，保證其服務連續性、QoS的穩定性成為一大挑戰。

3 發展趨勢及改進方案

3.1 切片間資源重用

相對于地基網絡，空基、天基、海基網絡的資源相對貧乏。為了充分利用緊缺的網絡資源，在對空天地海一體化網絡進行網絡切片時，可以考慮不同的隔離級別，在多個切片實例間共享一些對隔離要求較低的網絡服務功能，例如移動性管理、網絡地址轉換功能等。網絡切片隔離級別和強度取決于切片需求和使用場景，并且網絡切片實例之間可以進行部分隔離或者完全隔離。通過允許這些公共虛擬網絡功能模塊在切片之間重用，使得需要獨立實例化的虛擬網絡功能模塊更少，進而可以節省物理資源。然而，虛擬網絡功能模塊合并將導致吞吐量和延遲方面的性能下降，被稱為虛擬網絡功能干擾。利用網絡切片間的資源相關性，在可接受的干擾范圍內進行切片間的資源共享，降低空天地海一體化網絡的物理資源的消耗是一個值得考慮的問題。

3.2 智能自適應切片伸縮

為了保證網絡切片的性能，有效監控空天地海一體化網絡的拓撲變化及其網絡切片實例的資源需求變化，并及時更新網絡配置至關重要。數字孿生和人工智能技術在業界快速發展，為解決上述問題提供了可行的方案。可以通過提取不規則網絡拓撲圖中的時間和空間特征，構建空天地海一體化網絡的數字孿生模型；利用人工智能方法，設計網絡切片請求的狀態變化分析及預測方法，實現對網絡切片請求變化趨勢的精準預測；利用數字空間中可推演特性，研究基于預測的網絡切片重配置策略。面向空天地海一體化網絡和網絡切片實例的雙重動態性，在資源和延遲約束的前提下，設計合理的網絡特征提取及預測方法，彈性調整網絡切片實例的資源配置，是實時保證網絡切片服務連續性的關鍵。

4 結束語

綜上所述，空天地海一體化網絡的研究對移動網絡實現全球范圍內的無縫覆蓋有著巨大的推動作用。網絡切片技術可以將空天地海一體化網絡按需分割成多個邏輯子網以提供差異化的服務。然而，由于空天地海一體化網絡自身固有的體系結構高復雜性、通信拓撲高動態性與多維資源高度不對稱性等特點，為提供高質量的網絡切片服務帶來了相應的挑戰。本文分析了空天地海一體化網絡切片面臨的挑戰，并給出了發展趨勢及改進方案。