空天地海一体化网络切片研究综述*

管莹莹 ，宋静 ，宋清洋**，郭磊

（1.东北大学，辽宁 沈阳 110819；2.重庆邮电大学，重庆 400065）

0 引言

近年来，移动通信的发展极大地改变了人们的生活，实现了人们“足不出户连天下”的初步愿望。然而，新兴的虚拟现实、元宇宙等应用，对完全沉浸式体验、大规模并发接入和无缝连接有更严格的要求，给移动通信网络带来了前所未有的挑战[1]。现在的移动网络以地面网络为主，但受自然环境和经济成本等因素影响，无法在山村、沙漠和海洋等偏远地区建设地面基站，导致全球至今仍有大面积的覆盖空白。此外，地面网络容易受到自然灾害影响和基础设施的人为破坏。因此，仅依靠地面网络无法满足未来日益增长的高质量服务需求，深度融合天基（高轨/中轨/低轨卫星）、空基（临空/高空/低空飞行器）、地基（蜂窝/Wi-Fi/有线接入点）与海基（海面/海下航行器）网络，构建空天地海一体化网络（SAGSIN,Space-Air-Ground-Sea Integrated Network），实现地表与立体空间的全域、全天候的覆盖，为用户提供泛在移动通信服务成为未来网络的重要发展方向[2]。

然而，由于空天地海一体化网络不是卫星、飞行器与地面网络的简单互联，导致如何实现协议、网络、业务、终端等方面的深度融合成为新的挑战之一。另外，不同网络应用的涌现也提出了不同的用户服务质量（QoS,Quality of Service）等级需求，如何在空天地海一体化网络中保障不同类型应用的差异化QoS需求也成为了新的挑战。

网络切片为解决空天地海一体化网络的上述挑战带来了机会。网络切片可以屏蔽底层物理网络的差异，在通用物理基础设施上按需定制虚拟网络，为不同类型的业务提供差异化QoS保障。然而，由于空天地海一体化网络的通信拓扑高动态变化、网络体系结构复杂以及多维资源分布非均衡等特点，给网络切片带来了挑战。

本文首先介绍了空天地海一体化网络和网络切片的发展现状，然后分析了空天地海网络切片的特点和面临的挑战，最后在此基础上讨论了空天地海网络切片的发展趋势。

1 发展现状

1.1 空天地海网络发展现状

为了突破地面基础设施的限制，早在2000年，美国国防部就提出要建设“天地一体化”信息网[3]。随后，许多国家和组织都开始设计并部署天地一体化项目，如欧盟的SUITED项目、日本的STICS项目。中国也将天地一体化信息网络加入“科技创新2030—重大项目”，旨在推进天基信息网、未来互联网、移动通信网的全面融合。

随着科技的发展，空中平台（如无人机、热气球等）的成本下降使得科研人员提出了“空天地一体化”网络的构想。例如，谷歌公司的Loon项目和Facebook公司的Aquila项目，分别通过平流层的热气球和高空太阳能无人机来为缺少地面基础设施的贫困/边远地区提供低成本网络覆盖，或者为用户密集的城市热点地区提供高性能增强覆盖。此外，海洋面积占地球的70%，世界贸易的90%左右由国际海运行业承运。海洋通信网络可以为船只提供高质量网络，但此前没有得到足够的重视。为了促进全球范围的互联互通，迫切需要建设空天地海一体化网络[4]，以提供泛在的无线通信服务。

空天地海一体化网络架构如图1所示，由空基、天基、地基、海基网络组成：

图1 空天地海一体化网络架构

（1）天基网络：由各种类型的卫星和相应的地面基础设施（地面站和控制中心）组成。根据不同的海拔高度，卫星可分为高轨、中轨、低轨卫星以及甚低轨卫星。因其不受自然环境和地理位置的限制，可作为地基网络强有力的延伸和补充。

传统的天基网络和地基网络的研究是相互独立的。近年来，学者们逐渐关注天基网络与地基网络的融合。文献[5]研究了同信道干扰对天地融合中继网络的影响。文献[6]提出了一种基于云的天地融合网络体系结构，为运营商制定能量消耗最小的资源分配方案。文献[7]研究了基于非正交多址的天地融合网络，提出了系统能量效率最大化的用户关联方案和资源分配算法。

（2）空基网络：由飞艇、高空热气球、无人机等空中设备组成。它可提供与地面站、海基网络之间的数据自动路由，也能与卫星层交换数据信息。

与天基网络相比，空基网络具有灵活性好、通信响应时间短、成本低等优点，常用于提供某一特定区域的临时性通信，以辅助地基、海基网络通信。文献[8]基于空中和地面数据链路的特性，设计了一新的性能预测模型，增加了一个新的角度以支持未来空管通信需求。文献[9]提出了一种新型的空地通信模式，使得安装在无人机上的多天线基站通过可重构智能表面向多个地面用户发送信息。文献[10]总结了近年来空基网络辅助海基通信的最新进展。

（3）地基网络：由许多地面子网组成，如蜂窝网络、自组织网络、无线局域网、沿海基站等。

与天基、空基网络相比，地基网络可以在其覆盖范围（如基础设施更完善的城市地区）内提供超高吞吐量和超低延迟的传输服务。但因其覆盖范围有限、部署成本高、易遭受破坏等特点，无法满足未来日益增长服务需求。

（4）海基网络：由水面网络和水下网络组成。其中，水面网络通常由具有通信能力的船舶、浮标和无人水面舰艇等设施组成。水下网络由自主水下航行器、水下传感器和其他水下设备组成。

海基网络的发展相对滞后，现在仍处于发展的早期阶段。文献[11]提出了一种基于边缘计算的空天地融合网络来辅助海上通信，以解决数据量激增、通信环境复杂、流量和用户密度分布不均、海上业务需求不同等挑战。文献[12]提出了一种基于反馈的时分多址接入协议，以消除超高频率数据传输之间的信道占用冲突，为海上运输提供稳定的信息传输服务。

空天地海一体化网络是通过深度融合天基、空基、地基以及海基构建的一个超大规模、高度复杂的立体通信网络。但现有研究成果主要是在各网段、或两三个网段的融合方面分别积累，如天地网络[5-7]、空地网络[8-9]、空海网络[10]、空天地网络[11]等。对于空天地海一体化网络的研究刚开始进入探索阶段，主要集中在协议研究[12]、网络架构[13-14]、安全性[15-16]等方面。如何保证各网段内部正常运转的情况下，充分协调网段间的协议、网络、业务及资源，为未来的新应用提供高效、经济、实时的差异化服务是网络空天地海一体化面临的严峻挑战。

1.2 网络切片发展现状

网络切片技术通过网络功能虚拟化（NFV,Network Function Virtualization）将网络资源虚拟化后聚合为资源池，并由支持软件定义网络（SDN,Software Defined Network）的切片管理控制器集中管理，实现更细粒度的资源编排。网络切片利用SDN[17]和NFV[18]可以屏蔽底层物理网络在通信协议上的差异，将网络资源抽象成资源池，并由切片管理控制器统一管理，实现细粒度的资源编排，其架构如图2所示。在虚拟化后的资源池上，为每个业务提供一组隔离的虚拟资源，组成一个端到端的虚拟网络，以满足不同应用场景下的业务的多样化QoS需求[19]。通过网络切片，可以有效融合异构的物理网络资源，提供高效、细粒度的资源管理，为不同QoS需求的业务提供按需定制的网络服务。

图2 网络切片架构示意图

切片管理控制器在进行网络切片时，是将多个的虚拟网络功能模块（VNF,Virtualised Network Function）组成的服务功能链嵌入到物理网络中[20]，为其分配所需要的物理资源，这个过程也被称作服务功能链的放置，是一种特殊的虚拟网络映射问题，其复杂度为NPhard[21]，这就意味着在大规模网络中不可能获得精确的解决方案。为了降低计算复杂度和运行时间，许多启发式方法已应用于虚拟网络嵌入问题的次优解决方案中。在文献[22]中，提出了一种基于减少搜索空间和提取子图的虚拟网络嵌入的加速算法。文献[23]-[24]采用两步式嵌入方法，首先放置虚拟节点，然后根据虚拟节点的位置将虚拟链路映射转化为多商品流问题。文献[25]-[26]则使用一阶段方法来同时映射节点和链路，虽然获得更好的物理资源利用率，但是由于求解元素的强耦合性，也增加了求解过程的计算复杂度。

综上所述，网络切片通过给业务定制化虚拟网络，有网络资源隔离、按需定制的特点，以满足差异化的业务需求，可以获得比“一刀切”网络更好的性能。现有研究大多集中在地面网络切片中，缺乏对空天地海一体化网络自身特点的考虑，难以直接应用在空天地海一体化网络中。

1.3 空天地海网络切片发展现状

空天地海一体化网络由于其能够提供无处不在的无缝覆盖，受到了广泛关注，近年来对其进行网络切片的研究也逐渐开展。

（1）星地融合网络切片

文献[2 7]考虑了一种超密集立方体卫星网络CubeSats，提出了一种星地融合网络中的自动网络切片框架。文献[28]主要关注星地融合网络中的服务功能链的映射，并提出了一种同时考虑服务功能复用和服务功能链合并的方法，旨在提高物理网络的资源利用率。文献[29]探索了星地融合网络中网络切片问题，利用机器学习技术来为物理网络中的多条链路自适应地分配权重，可以减少瓶颈路径的使用，提高了资源利用率。

（2）空天地一体化网络切片

文献[30]研究了空天地一体化辅助的车联网中动态频谱切片的问题，提出了一种在线控制框架来动态分割空天地一体化网络的频谱资源。在不预先知道服务到达的情况下，系统可以实时进行接入控制、请求调度、无人机调度和资源切片，实现资源隔离的服务供应。文献[31]研究了空天地一体化网络中负载均衡的服务功能链放置问题，提出了聚合比的概念，以平衡网络中的通信资源与计算资源的消耗。文献[32]研究了空天地一体化网络中基于业务类型的服务功能链放置方法，提出了一种基于延迟预测的服务功能链映射方法。

（3）空天地海一体化网络切片

文献[33]提出了一种将业务管理功能边缘化的空天地海一体化网络体系架构，利用机器学习将业务分类，按需为业务定制网络服务。文献[34]将区块链技术融入到空天地海一体化网络切片的架构中，以解决空天地海一体化网络结构复杂且异构导致的安全漏洞、隐私泄露等问题。

但这些文献都是建立在物理网络是静态拓扑的前提下，忽略了物理网络的拓扑动态性。然而，低轨卫星和甚低轨卫星的对地移动速度很快，在多数网络切片的生命周期内，网络拓扑会频繁变化，这就导致原有的静态网络切片变得难以适用于动态资源需求。另外，在以上的文献中，空基网络、天基网络往往仅作为地基网络资源受限时的补充网络，缺乏对各个子网本身特点的考虑，难以充分发挥各网段的优势。

2 空天地海网络中切片面临的挑战

2.1 多维资源分布高度不均衡

空天地海一体化网络涉及到通信、计算、能量、缓存等多维资源，它们在不同网段上的分布呈现出高度不均衡的特征。一般来说，地基网络资源相对充裕，有丰富的无线电频谱、计算和存储资源，但覆盖范围有限；空基、天基、海基网络的通信容量相对于地基网络体量较小。空基网络可以提供广阔的覆盖，但通信延迟大、计算能力弱；天基网络具有良好的机动性，如无人机节点可以灵活部署，延迟低，但受限于电池容量小，续航时间短且计算能力弱；而海基网络中水下通信吞吐量低，且易受恶劣天气的影响，通信条件有限、带宽有限、信道质量不稳定。因此，考虑多维异构资源间的动态协作，充分利用各网段的资源特点，对数据的传输、处理、感知和缓存的效率是至关重要的。

虽然网络切片可以通过网络功能虚拟化，打破空天地海一体化网络的分层异构网络架构导致的协作壁垒，但是传统的网络切片算法难以适应其高度分布不均衡的多维资源管理。尤其是虚拟现实、超高清视频、远程医疗、触觉通信等新兴应用场景的出现，不仅提出了超低时延、超高通量带宽、超大规模连接等需求，还带来了网络数据流量的暴增。如何深度结合空、天、地、海各网段的多维资源分布特点，充分利用有限的网络资源，承载尽可能多的业务，成为空天地海网络切片的挑战之一。

2.2 物理拓扑和业务需求的双重高动态性

空天地海一体化网络具有高动态性，网络链接和网络拓扑结构随着时间的变化而变化，使得网络切片复杂化。低轨卫星相对地球高速运动，绕地球旋转一圈的时间不到130分钟，需要频繁的波束切换和星间切换。海洋通信网络中链路稳定性容易遭受恶劣天气影响。高速移动性支持、时空交通快速响应、实时动态信道状态建模是未来网络切片的重要挑战。

此外，网络切片上的虚拟资源需求会随着用户群体的动态性发生变化。现有方法缺乏对用户需求变化的分析与精准预测，大多根据网络切片的峰值资源需求配置网络切片上的资源，导致了资源利用率低，资源调控不够灵活，难以快速、实时、准确、动态地调整网络配置。如何在拓扑动态变化的空天地海一体化网络中，弹性调整网络切片的资源配置，以实时拟合网络切片资源需求伸缩变化，保证其服务连续性、QoS的稳定性成为一大挑战。

3 发展趋势及改进方案

3.1 切片间资源重用

相对于地基网络，空基、天基、海基网络的资源相对贫乏。为了充分利用紧缺的网络资源，在对空天地海一体化网络进行网络切片时，可以考虑不同的隔离级别，在多个切片实例间共享一些对隔离要求较低的网络服务功能，例如移动性管理、网络地址转换功能等。网络切片隔离级别和强度取决于切片需求和使用场景，并且网络切片实例之间可以进行部分隔离或者完全隔离。通过允许这些公共虚拟网络功能模块在切片之间重用，使得需要独立实例化的虚拟网络功能模块更少，进而可以节省物理资源。然而，虚拟网络功能模块合并将导致吞吐量和延迟方面的性能下降，被称为虚拟网络功能干扰。利用网络切片间的资源相关性，在可接受的干扰范围内进行切片间的资源共享，降低空天地海一体化网络的物理资源的消耗是一个值得考虑的问题。

3.2 智能自适应切片伸缩

为了保证网络切片的性能，有效监控空天地海一体化网络的拓扑变化及其网络切片实例的资源需求变化，并及时更新网络配置至关重要。数字孪生和人工智能技术在业界快速发展，为解决上述问题提供了可行的方案。可以通过提取不规则网络拓扑图中的时间和空间特征，构建空天地海一体化网络的数字孪生模型；利用人工智能方法，设计网络切片请求的状态变化分析及预测方法，实现对网络切片请求变化趋势的精准预测；利用数字空间中可推演特性，研究基于预测的网络切片重配置策略。面向空天地海一体化网络和网络切片实例的双重动态性，在资源和延迟约束的前提下，设计合理的网络特征提取及预测方法，弹性调整网络切片实例的资源配置，是实时保证网络切片服务连续性的关键。

4 结束语

综上所述，空天地海一体化网络的研究对移动网络实现全球范围内的无缝覆盖有着巨大的推动作用。网络切片技术可以将空天地海一体化网络按需分割成多个逻辑子网以提供差异化的服务。然而，由于空天地海一体化网络自身固有的体系结构高复杂性、通信拓扑高动态性与多维资源高度不对称性等特点，为提供高质量的网络切片服务带来了相应的挑战。本文分析了空天地海一体化网络切片面临的挑战，并给出了发展趋势及改进方案。