基于空天地一體化的海洋算力網絡研究與實踐

翟 銳 李壯志 王建偉 潘 峰

中國聯合網絡通信有限公司山東省分公司 濟南 250002

引言

數字經濟是把握新一輪科技革命和產業變革新機遇的戰略選擇，在數字經濟背景下，算力成為全新生產力，以通信網絡設施與異構計算設施融合發展為基石，將計算、傳輸和存儲等多種資源進行統一編排管控，實現網絡、算力、數據、服務多維融合的算網融合新生態也隨之應運而生[1]。大聯接、高算力、強安全是當前數字經濟條件下服務升級和應用創新點主要要求，數字化社會亟需打造“聯接+感知+計算+智能”的深度融合的智能算網提供服務支撐。

長期以來推動信息通信產業發展的摩爾定律遇到瓶頸，網絡架構創新成為未來6G時代發展的關鍵，面向6G時代社會全域泛在連接和智能普惠的終極愿景，基于空基、天基、地基和海基融合感知、泛在互聯的通感算一體的算網融合發展成為工業界和學術界的共識[2]。

1 海洋算力網絡發展現狀

算力網絡作為云網融合后的下一代運營服務模式，得到了國家戰略層面的大力支持并在數字化轉型時代取得了高速的發展[3]。2020年4月，國家發改委確定了大力發展新型基礎設施的國家戰略，將衛星互聯網、5G、物聯網和工業互聯網等一起納入了“新基建”范疇，與此同時中國通信標準化協會通過了算力網絡行業標準立項，初步建立了算力路由[4]、算力交易等行業標準體系。同年9月，國內未來IP網絡研究組織網絡5.0產業聯盟成立了算力網絡特設工作組，啟動算力網絡學習、場景和技術的研究工作。

2021年5月，國家發改委聯合多部門印發《全國一體化數據中心協同創新體系算力樞紐實施方案》，明確算力基礎設施持續優化的總體布局戰略，推進建設全國一體化算力網絡國家樞紐節點、省內數據中心和邊緣數據中心梯次算力網絡體系。2022年1月，國務院印發《“十四五”數字經濟發展規劃》通知，明確提出要大力推進云網協同和算網融合發展、有序推進數字基礎設施智能升級。

2022年4月，習近平總書記強調建設海洋強國是實現中華民族偉大復興的重大戰略任務。海洋強國戰略需要推動海洋科技實現高水平自立自強，加強原創性、引領性科技攻關。《山東省十四五海洋經濟發展規劃》里指出要構建現代海洋產業體系、建設海洋科技創新高地、建設世界一流海洋港口、維護綠色可持續的海洋生態環境。山東省海洋功能區共劃分3個重點開發區域，重點開發區域功能定位是山東半島藍色經濟區建設的主戰場，“一帶一路”建設的重要節點，新亞歐大陸橋經濟帶崛起的引航區，支撐我國海洋經濟增長的重要增長極，促進區域協調發展的重要支撐點。

海洋算力網絡作為構建現代海洋產業體系的重要一環，推動海洋產業和數字經濟融合發展。然而海洋網絡覆蓋基礎設施缺失，海洋算力匱乏，為了支撐數字經濟的發展，實現全面泛在感知互聯，需要將衛星網絡作為地面網絡的有效補充、延伸和拓展，打造天地一體化信息網絡和空天信息實時智能服務。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035遠景目標綱要》明確提出要建設“高速泛在、天地一體”的信息基礎設施，要求打造全球覆蓋、高效運行的通導遙空間基礎設施體系，在通信網絡和算力等技術的賦能下對差異化應用服務自適應匹配，實現信息通信基礎設施資源的高效利用。

2 海洋算力網絡關鍵技術研究

2.1 基于確定性時延的海洋運力網

海洋運力網作為新型數字信息基礎設施的底層架構，為算力資源的高效利用和算力服務按需提供進行支撐，是暢通數字經濟發展信息“大動脈”的關鍵技術。基于F5.5G的全光品質運力網絡瞄準大帶寬、超低時延、超高可靠性構建確定性運力。圖1展示了山東聯通打造的海洋運力網架構圖，針對傳統承載網結構復雜、適應性差、智能化程度低等問題，打造從帶寬驅動的通道式網絡向體驗驅動、業務驅動的算力網絡。

圖1 智慧光立方海洋運力網架構圖

海洋運力網采用面向連接的全光網絡，基于分組增強型光傳送網(PeOTN)技術，支持多層間的層間適配和映射復用，實現對分組、OTN、SDH、波長等各類業務的統一靈活傳送功能。

海洋運力網包括全光錨點、全光終端、全光網關、全光調度、全光地圖等部分。通過海洋運力網將網絡從過去的“盡力而為”的不確定性發展轉而向確定性時延的算網深度融合方向演進[5]。

1)全光錨點：毫秒級入算，百米聯企，萬兆互聯。一方面，全光錨點通過OTN網絡向上聯接到算力節點，實現超低時延的毫秒級入算；另一方面，全光錨點向下增強覆蓋，將企業覆蓋范圍拉近到100米，并提供多業務綜合接入；再者，全光錨點以端到端的光業務單元(OSU)硬管道能力，帶寬從2M到100G無損可調，為海量用戶的入云入算提供支撐[6]。OSU技術定義靈活彈性新容器(OSUflex)，以2Mb/s為步長，擺脫ODU0的顆粒度限制，可以實現帶寬無損調整。同時OSU技術提供Nx2Mb/s靈活帶寬管道，單波100Gb/s可提供1 000條業務連接，單根光纖支持48萬個硬切片，可以實現泛在的10Gb/s萬兆互聯。

2)全光終端：讓算力觸手可及。面向大型企業、中小企業、小微企業和家庭用戶，通過OTN下沉到OLT站點，提供OTN點對點、OTN點對多點、FTTR等不同全光終端，實現獨享管道品質體驗、業務快速開通天級TTM等網絡場景創新能力。

3)全光調度：“400G+OXC”超高速全光互聯，算力一跳直達。通過400G和Super C技術，打造了用戶到算力節點以及算力節點之間的超高速互聯。以OXC、OTN全光調度，實現用戶接入到城市算力中心的毫秒級連接，建設一張超大帶寬、四通八達的光互聯網絡。

4)全光網關：業務映射，靈活聯算。作為全光品質運力網絡和算力之間的“關口”，全光網關關聯算力集群中的不同算力資源，配合全光錨點創建端到端的OSU管道，通過算網大腦，實現用戶到云、算力節點端到端的靈活聯接。

5)運力地圖：多因子選路，最優解入算。如圖2所示，將帶寬、時延、可靠性、能耗、利用率等運力資源全面數字化，并通過多因子均衡算法，運力地圖一方面幫助運營商實現對網絡進行全面規劃、運維和管理，另一方面也將根據用戶配置偏好和業務SLA要求，比如最低時延、最大利用率、最高可靠性等，為用戶匹配最合適的算力節點，并在用戶和云、算力之間推薦最優的運力路徑[6]。從而推動算力供需關系的平衡，實現算力的全局化最優調度。

圖2 全光品質運力地圖

2.2 基于“5G+北斗”的泛在接入算力網

海洋算力網絡在現有的網絡即服務的基礎上要升級打造算力即服務的統一化應用平臺，促進云邊端的泛在算力資源能夠以服務的形式被用戶隨時隨地地獲取和使用，而基于空天地一體化的泛在接入算力網是算力服務的抓手。圖3展示了泛在算力網絡的演進路徑：第一階段針對分散建設的多種自由云資源池，通過拉通多個資源池并進行跨域調度，支撐東數西算，拓展云邊協同新業務市場；第二階段通過對接或納管超算、智算、政府等第三方資源池，補齊差異化算力。第三階段充分吸納閑散邊緣算力和空天廣覆蓋算力，實現5G+北斗的泛在算力接入。

空天地一體化算力網融合了地面移動通信網絡、高軌的GEO和中低軌NGSO衛星通信網絡、高空浮空器和無人機空基網絡[7]，構成了高、中、低和地面網絡的分層網絡結構，如圖4所示。天基網絡基于北斗通信衛星立體覆蓋能力，引入地面網絡的NFV/SDN技術、邊緣計算和云邊協同技術，搭建統一接口、自主路由、無縫組網的星云算力節點[8]。地面網絡負責大部分算力供給，具備高帶寬低延時和高可靠性等優勢，能夠處理面向超大流量和海量數據的復雜計算。通過天基網絡和地面網絡的分布式協同可以實現將網絡服務和算力資源擴展到網絡邊緣，形成通感算一體化的天地協同的算力網絡體系。

圖4 空天地一體化算力網系統結構

基于“5G+北斗”融合的新型基礎設施建設，有助于實現無線通信網絡的全球覆蓋，幫助用戶隨時隨地訪問數據中心的澎湃算例，拓寬運營商服務和應用范圍，打造創新性場景應用。泛在接入算力網突出靈活、智能、高效、快速響應部署、高可靠的組網特性，側重關注全網的整合能力，加強企業局域網與各種云的跨域互通能力，提升溝通效率，激活“一核引領、三極支撐、兩帶提升、全省協同”經濟帶企業創新和盈利能力。

2.3 基于算網編排引擎的多模態網絡

海洋算力網絡需要基于“空—天—地—海—底”觀測系統，構建面向海洋的遙感圖像、時空序列數值、仿真數據、文獻資料以及監控音視頻等大規模多模態數據網絡，結合海洋領域差異化場景需求，提供海洋多模態智能計算服務。圖5展示了海洋多模態智能計算典型應用場景。

圖5 海洋多模態智能計算典型應用場景

為了提高云、邊、端三級算力的協同工作效率，海洋算力網絡服務編排和資源調度系統架構如圖6所示。在云網邊一體化的趨勢下，業務的分布式部署促使云內、云間和入云網絡的網絡能力進行整合[9-10]。基于SDN的算力調度架構，海洋算力網絡通過控制器向數據轉發面發送轉發策略和路由表等網絡信息，快速接入異構算力資源，實現算力節點的調度和容器承載。依托SDN/NVF技術可以將此類能力以服務形式封裝，底層光網等基礎設施對云計算保持充分的感知性，令算力的調度可以根據網絡的性能與業務的類型得到更好的保障，云網融合能夠為各級算力的調度管理提供更為便捷的方式。從平臺訂制、業務編排、指令下發等全生命周期實現端到端快速開通部署，給客戶確定性的分鐘級專網打通方案。

圖6 算力網絡智能編排引擎

3 海洋經略專網實踐

山東聯通積極貫徹黨中央十八大提出的海洋強國戰略，堅持陸海統籌，向海圖強，深入實施海洋強省建設行動。傳統通信網絡無法支撐沿海科技的高質量發展，海洋經略數字方案的全面升級成為沿海地區網絡建設的重大課題。為了支持海洋產業應用對于網絡帶寬、時延和算力的需求，基于空天地海一體化算力網絡技術建設部署全面感知、泛在互聯、普適計算和融合應用到海洋經略專網[11]。

圖7展示了山東聯通海洋算力網絡整體架構。整體方案使用OXC、ASON、OSU和云預聯結等技術融合部署，省際骨干網與本地核心共點采用一體化建設，通過省本一體方式完善城域PeOTN覆蓋，構建全光立體骨干網。支持EoO、EoS、OSU入云，中小顆粒業務采用EoS/OSU入云，大顆粒業務采用EoO入云。支持業務自動化發放以及SLA可視。一體化網絡全部納入集中智能管控，全程全光全網ROADM智能一體，路由更加豐富，可以實現資源互補和多路徑保護。

圖7 山東聯通算力網絡整體架構

山東聯通依托空天地一體化的海洋算力網絡打造黃/渤海一體化海洋經略專網，基于5G+北斗多源融合感知技術構建高速泛在的算網底座，基于5G/F5G固移超寬帶融合接入技術實現前向鏈路信息和光模塊狀態的靈活回傳，并在云端對設備運行和環境數據進行大數據分析。在海上風電場等場景中，實現風機自動化控制、多維數據泛在感知、分級平臺互聯互通和智慧化運營管理決策，如圖8所示。

圖8 海洋算力網絡創新場景應用

圖9展示了黃/渤海一體化海洋經略專網在新型現代化智慧漁港創新場景下的實踐部署案例。通過“5 G+北斗”的泛在互聯能力實現遠海區域的澎湃算力接入，通過確定性5G/F5G全光運力網實現超算中心算力的低時延高可靠的零感傳輸。與第三方業務管理平臺結合形成布局合理、結構優化、功能互補、設施完備、服務完善、可持續發展的漁港綜合監管體系，為實現“科技興海”“科技興漁”奠定基礎。

圖9 黃/渤海一體化海洋經略專網的創新場景實踐

4 總結與展望

在數字經濟時代，算力發展和網絡演進相輔相成。基于空天地海一體化的算力網絡通過云、網、邊、端一體化的可編程服務體系，實現了業務模式和服務能力的提升；基于服務編排和算力資源調度的算網大腦，實現了算力資源池的跨域服用和算力服務的觸手可及；空天地一體化的多層次算力體系，實現了算力即服務的自組織、自適應和泛在感知。

隨著各行各業數字化轉型的發展，未來的算力網絡技術必然向著不受空間限制、更大容量、更高質量的方向發展。本文通過打造空天地海一體化的泛在互聯的算力網絡實現了算力資源的泛在分布、一點觸達和智能調度。未來可以通過與邊緣計算和AI等技術的融合，擴展算力網絡邊緣算力的服務能力，提升網絡邊緣側設備計算能力的瓶頸。為了積極踐行網絡強國戰略，算力網絡的演進和建設仍然任重而道遠。