唐清清，李 斌

(1.北京理工大學(xué)，北京100081； 2.南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京210044)

0 引言

空天地一體化網(wǎng)絡(luò)可以突破地表限制，實(shí)現(xiàn)全球全域無線覆蓋和大時(shí)空尺度的快速通信服務(wù)，因此成為未來6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究的核心方向之一[1]。面向6G的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由三部分組成：由各種軌道衛(wèi)星構(gòu)成的天基網(wǎng)絡(luò)，由高空平臺(tái) (High Attitude Platforms, HAPs)/無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle, UAV) 構(gòu)成的空基網(wǎng)絡(luò)以及傳統(tǒng)的地基網(wǎng)絡(luò)。其中地基網(wǎng)絡(luò)又包括蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星地面站、移動(dòng)衛(wèi)星終端以及地面的數(shù)據(jù)處理中心等。

空天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以地基網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣以及HAPs/UAV靈活部署等優(yōu)勢，通過多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的深度融合來實(shí)現(xiàn)空、天、地三域的無縫覆蓋[2]。然而，隨著智能手機(jī)和平板電腦等設(shè)備的發(fā)展催生出了許多新的計(jì)算和能源密集型應(yīng)用[3-4]，如語音識(shí)別、游戲、多媒體編碼/解碼及智能交通等。因此，空天地一體化網(wǎng)絡(luò)除了為移動(dòng)用戶提供全球泛在連接以外，還需要提供各種各樣的計(jì)算服務(wù)支持。通常情況下，移動(dòng)用戶可以將計(jì)算任務(wù)卸載到具有豐富計(jì)算資源的云數(shù)據(jù)中心處理，以彌補(bǔ)移動(dòng)用戶設(shè)備計(jì)算及存儲(chǔ)資源受限的缺陷。然而，為了給不同地理位置的移動(dòng)用戶提供計(jì)算服務(wù)，云數(shù)據(jù)中心與移動(dòng)用戶的距離往往相距甚遠(yuǎn)，從而導(dǎo)致移動(dòng)業(yè)務(wù)的處理需要經(jīng)歷較大的時(shí)延，這將難以滿足新興應(yīng)用對于低至毫秒級(jí)端到端時(shí)延的需求。此外，對于沒有地面網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施支撐的海洋作業(yè)和偏遠(yuǎn)山區(qū)用戶，其計(jì)算任務(wù)需要通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)或者HAPs/UAV網(wǎng)絡(luò)作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)至云數(shù)據(jù)中心處理。受限于衛(wèi)星以及HAPs/UAV等跨域平臺(tái)的高度制約，移動(dòng)用戶在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)延也會(huì)相應(yīng)增加，難以滿足用戶的實(shí)時(shí)需求。因此，借鑒地面網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)邊緣計(jì)算 (Mobile Edge Computing, MEC) 的思想[5]，在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中引入MEC技術(shù)，其核心思想是將云數(shù)據(jù)中心豐富的計(jì)算和緩存資源下沉至距離移動(dòng)用戶較近的網(wǎng)絡(luò)邊緣，為用戶提供多層次、異構(gòu)的計(jì)算資源，使用戶能在全球范圍內(nèi)獲得計(jì)算服務(wù)，從而提升用戶的體驗(yàn)質(zhì)量。

目前，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界已有一些研究者針對空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的邊緣計(jì)算技術(shù)開展了相關(guān)研究工作。但是，在這些工作中，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仍然被視為一個(gè)中繼網(wǎng)絡(luò)，即移動(dòng)用戶的計(jì)算任務(wù)通過衛(wèi)星中繼傳輸?shù)竭h(yuǎn)程云數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而忽視了直接在衛(wèi)星上進(jìn)行任務(wù)處理的可行性。在衛(wèi)星上直接處理來自移動(dòng)用戶的計(jì)算任務(wù)不僅可以減少回傳鏈路的流量負(fù)擔(dān)，還可以有效降低任務(wù)處理的時(shí)延，進(jìn)而提升用戶的體驗(yàn)質(zhì)量。 因此，本文對基于MEC技術(shù)的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)展開了研究。首先，分析了在LEO衛(wèi)星、HAPs/UAV上部署MEC服務(wù)器的可能性并對其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了介紹。然后，討論了在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中引入MEC技術(shù)所帶來的優(yōu)勢。最后，探討了基于MEC技術(shù)的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中存在的挑戰(zhàn)。

1 空天地一體化網(wǎng)絡(luò)概述

空天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。本節(jié)對空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的3個(gè)組成部分,即天基網(wǎng)絡(luò)、空基網(wǎng)絡(luò)和地基網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行了概述。

圖1 空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Architecture of space-air-ground integrated network

1.1 天基網(wǎng)絡(luò)

天基網(wǎng)絡(luò)主要由不同軌道高度的衛(wèi)星組成。根據(jù)不同的軌道高度，衛(wèi)星可分為3種類型：地球同步 (Geostationary Earth Orbit, GEO) 衛(wèi)星、中軌 (Medium Earth Orbit, MEO) 衛(wèi)星和低軌 (Low Earth Orbit, LEO)衛(wèi)星，其通信系統(tǒng)的特征如表1所示。

表1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)特征Tab.1 Characteristics of satellite communication system

GEO衛(wèi)星的軌道高度為35 860 km，相比其他兩種衛(wèi)星，GEO具有更廣的覆蓋范圍，且其覆蓋范圍相對地面固定。此外，單顆GEO衛(wèi)星最大能覆蓋42%的地球面積，一般只需3～4顆衛(wèi)星即可完成除極地地區(qū)之外的全球覆蓋。盡管GEO衛(wèi)星具有很大的覆蓋面積，但由于其軌道高度過高導(dǎo)致移動(dòng)用戶在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)會(huì)有較大時(shí)延，因此GEO衛(wèi)星適用于傳統(tǒng)的衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)。此外，隨著星間激光通信技術(shù)的發(fā)展，GEO衛(wèi)星不再是空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的必要部分[6]。

MEO衛(wèi)星的軌道高度為2 000～20 000 km，其單星覆蓋面積約為地球表面積的12%～38%，與GEO衛(wèi)星的覆蓋面積相比要小得多。此外，至少需要十幾顆到幾十顆MEO衛(wèi)星才能完成全球覆蓋。

LEO衛(wèi)星的軌道高度低于2 000 km，其覆蓋范圍比前兩種衛(wèi)星小，需要多顆衛(wèi)星組成大型衛(wèi)星星座才能完成全球覆蓋。此外，與GEO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星相比，LEO衛(wèi)星不僅具有低成本、小型化的特點(diǎn)，其傳輸時(shí)延也較小，通常在30 ms左右。大型LEO衛(wèi)星星座是當(dāng)前衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢，通過增加衛(wèi)星數(shù)量可以大幅提升系統(tǒng)容量。目前，多個(gè)國家已經(jīng)啟動(dòng)了幾個(gè)重大的LEO衛(wèi)星研究項(xiàng)目，如OneWeb,SpaceX Starlink，O3b。不僅如此，我國關(guān)于空天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中天基網(wǎng)絡(luò)的研究也集中在LEO衛(wèi)星。

1.2 空基網(wǎng)絡(luò)

空基網(wǎng)絡(luò)主要包括HAPs[7]和UAV[8]。其中，HAPs將無線基站安放在長時(shí)間停留在高空的飛行器上來提供通信業(yè)務(wù)，它使用已有的通信技術(shù)，可以與地面移動(dòng)用戶直接通信。UAV作為空中飛行基站，能夠有效增強(qiáng)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量。HAPs和UAV具有服務(wù)覆蓋范圍廣、受地面因素影響小以及布設(shè)機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)勢，可有效彌補(bǔ)地面網(wǎng)絡(luò)的不足。

HAPs利用距地面20～50 km的高空平臺(tái)作為基站來提供電信業(yè)務(wù)和廣播業(yè)務(wù)。HAPs的網(wǎng)絡(luò)容量主要由平臺(tái)的載荷決定，其中系留式氣球和飛艇的載荷比較大，通常為幾百千克，預(yù)計(jì)可以搭載1個(gè)宏基站設(shè)備。與衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，HAPs具有高容量、高頻譜利用率、時(shí)延小、易維護(hù)、易升級(jí)以及可迅速建設(shè)等優(yōu)點(diǎn)，可以以較低的成本覆蓋大面積區(qū)域。

UAV自身固有的機(jī)動(dòng)性、靈活性等特性，使其成為公共安全場景中一種實(shí)現(xiàn)快速、靈活、便捷通信的潛在方案。根據(jù)不同的飛行高度，可分為高空UAV平臺(tái)和低空UAV平臺(tái)。與低空UAV平臺(tái)相比，高空UAV平臺(tái)具有更廣的覆蓋范圍，因此可為用戶提供更多的無線鏈路接入機(jī)會(huì)。

1.3 地基網(wǎng)絡(luò)

地基網(wǎng)絡(luò)主要由地面通信系統(tǒng)組成，包括蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星地面站和移動(dòng)衛(wèi)星終端以及地面的數(shù)據(jù)處理中心。其中，蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣和數(shù)據(jù)速率高的特點(diǎn)，能為用戶提供各種各樣的通信服務(wù)。目前，蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)從第一代移動(dòng)通信技術(shù)向第五代移動(dòng)通信技術(shù)演進(jìn)，支持海量連接的同時(shí)為用戶提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。但是，地面網(wǎng)絡(luò)容易受到自然災(zāi)害的破壞，并且由于覆蓋范圍有限而不能為偏遠(yuǎn)地區(qū)的用戶提供通信服務(wù)[9]。

空天地一體化網(wǎng)絡(luò)融合了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、HAPs/UAV網(wǎng)絡(luò)以及地面網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，有助于運(yùn)營商實(shí)現(xiàn)低成本的全球泛在覆蓋。此外，由于空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，對于用戶不同的QoS需求可提供不同的通信服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)用戶的全球泛在接入，是未來6G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要趨勢。

2 MEC概述

MEC作為下一代互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過程中呈現(xiàn)出越來越重要的作用。本節(jié)首先對MEC的基本概念進(jìn)行簡要概述，然后對在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中引入MEC的優(yōu)勢進(jìn)行討論。

2.1 MEC的基本概念

智能終端設(shè)備爆炸式增長，增強(qiáng)了用戶對新興業(yè)務(wù)高能效、低時(shí)延、高可靠及超高密度連接的需求。鑒于此，2009年工業(yè)界和學(xué)術(shù)界提出了移動(dòng)云計(jì)算 (Mobile Cloud Computing, MCC) 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[10]。MCC的基本思想是將移動(dòng)終端上的計(jì)算密集型任務(wù)上傳到具有豐富計(jì)算和緩存資源的云數(shù)據(jù)中心處理，以彌補(bǔ)移動(dòng)終端設(shè)備計(jì)算及存儲(chǔ)資源受限的缺陷，進(jìn)而為移動(dòng)用戶提供高質(zhì)量的服務(wù)和體驗(yàn)[11]。此外，為了給不同地理位置的移動(dòng)用戶提供MCC服務(wù)，服務(wù)器與移動(dòng)終端的距離往往相距甚遠(yuǎn)，從而導(dǎo)致移動(dòng)業(yè)務(wù)的處理需要經(jīng)歷較大的時(shí)延，這將難以滿足新興應(yīng)用對于低至毫秒級(jí)端到端時(shí)延的需求。為了克服MCC架構(gòu)的缺點(diǎn)，MEC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。MEC網(wǎng)絡(luò)將云數(shù)據(jù)中心豐富的計(jì)算和緩存資源下沉至距離移動(dòng)用戶較近的網(wǎng)絡(luò)邊緣，使移動(dòng)用戶能將計(jì)算任務(wù)、數(shù)據(jù)緩存服務(wù)遷移至附近的邊緣服務(wù)器處理[12]，相比MCC網(wǎng)絡(luò)，MEC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步降低了移動(dòng)用戶業(yè)務(wù)處理時(shí)延。

圖2 MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2 Architecture of MEC

隨著MEC技術(shù)的發(fā)展，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(European Telecommunication Standard Institute，ETS) 在2014年成立了MEC規(guī)范組(Industry Specification Group，ISG) 宣布正式推動(dòng) MEC 的標(biāo)準(zhǔn)化。隨著進(jìn)一步研究，ESTI對MEC中的“M”進(jìn)行重新定義?！癕”被定義為“multi-access”, 因此“MEC”也被擴(kuò)展為“多接入邊緣計(jì)算”[13]。

2.2 空天地一體化網(wǎng)絡(luò)引入MEC的優(yōu)勢

在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中引入MEC的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在降低時(shí)延、緩存和節(jié)省回傳帶寬方面。

(1) 降低時(shí)延

在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，LEO衛(wèi)星與地面距離相距很遠(yuǎn)，因此相對于傳統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)傳輸而言，其傳輸時(shí)延也會(huì)相應(yīng)增加。因此，當(dāng)空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中引入了MEC技術(shù)，則來自地面移動(dòng)用戶的計(jì)算任務(wù)可直接卸載到LEO衛(wèi)星上處理，而不需要通過LEO衛(wèi)星回傳鏈路將任務(wù)卸載到云數(shù)據(jù)中心。這不僅能夠避免因回傳鏈路流量大而導(dǎo)致的傳輸時(shí)延增加問題，還能減少星地節(jié)點(diǎn)間不必要的通信交互。

(2) 緩存

緩存資源是MEC網(wǎng)絡(luò)資源管理的一個(gè)重要內(nèi)容，是提升用戶體驗(yàn)質(zhì)量的關(guān)鍵。在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)邊緣部署MEC緩存技術(shù)，使其能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)利用閑時(shí)的回傳鏈路資源提前將移動(dòng)用戶潛在的內(nèi)容需求緩存到空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的邊緣側(cè)。因此，當(dāng)用戶發(fā)起內(nèi)容請求時(shí)，能夠從MEC服務(wù)器的緩存空間中快速獲取所請求的內(nèi)容，從而提升用戶的體驗(yàn)質(zhì)量，并在一定程度上緩解回傳鏈路的數(shù)據(jù)傳輸負(fù)擔(dān)。

(3) 節(jié)省回傳帶寬

在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中針對視頻監(jiān)控類等需要數(shù)據(jù)采集的業(yè)務(wù)，一般都是將本地采集的大量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)先上傳到云數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)后再下發(fā)給本地?cái)?shù)據(jù)顯示端，因此需要占用大量的衛(wèi)星中繼或地面回傳帶寬。如果在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中部署MEC技術(shù)，則本地采集的業(yè)務(wù)可以直接存儲(chǔ)在就近的MEC服務(wù)器上，從而有效節(jié)省帶寬成本。

在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中部署MEC技術(shù)，可以有效降低業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延以及帶寬成本，彌補(bǔ)空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中星地鏈路傳輸時(shí)延大以及帶寬受限等問題。

3 MEC在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

相較于地面網(wǎng)絡(luò)單一的MEC服務(wù)器部署方式，MEC服務(wù)器在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的部署更加多樣化。根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)需求，MEC服務(wù)器可以部署在LEO衛(wèi)星上、HAPs上以及UAV上。這3種不同部署的方式對應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即LEO-MEC融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、HAPs-MEC融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、UAV-MEC融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及SAGIN-MEC融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。下面分別介紹這4種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

3.1 LEO-MEC融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

表2總結(jié)了現(xiàn)有的有關(guān)MEC在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的研究。MEC服務(wù)器除了能夠部署在地面網(wǎng)絡(luò)中，還可以部署在LEO衛(wèi)星上。如圖3所示，裝備有MEC服務(wù)器的LEO衛(wèi)星構(gòu)成了空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，能夠處理來自地面移動(dòng)用戶的業(yè)務(wù)請求?？紤]到能源和載荷的影響，LEO衛(wèi)星上的MEC服務(wù)器可以考慮采用Docker這樣的輕量級(jí)管理平臺(tái)。通過在LEO衛(wèi)星上部署MEC服務(wù)器，使衛(wèi)星具有了計(jì)算、內(nèi)容分發(fā)等能力[14]，不僅可以有效減少LEO衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)之間頻繁的星地鏈路傳輸以及端到端業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延，還可以有效節(jié)省星地鏈路之間的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸帶寬。此外，對于沒有地面網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施支撐的海洋作業(yè)和偏遠(yuǎn)山區(qū)用戶可以直接將數(shù)據(jù)卸載到LEO衛(wèi)星上處理。

表2 融合MEC的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相關(guān)工作總結(jié)Tab.2 Overview of mobile edge computing in space-air-ground integrated network

圖3 LEO-MEC融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.3 Architecture of LEO-MEC integrated network

為了給偏遠(yuǎn)地區(qū)的用戶提供計(jì)算服務(wù)，文獻(xiàn)[15]提出了一種具有雙邊緣計(jì)算能力的星地融合網(wǎng)絡(luò)，其目的是降低能量消耗和時(shí)延。其中，MEC服務(wù)器分別部署在地面基站側(cè)以及LEO衛(wèi)星上?？紤]在一些網(wǎng)絡(luò)不密集、網(wǎng)絡(luò)部署不方便的偏遠(yuǎn)地區(qū)，計(jì)算資源有限的MEC服務(wù)器在處理大量突發(fā)卸載任務(wù)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)過載現(xiàn)象，因此在這種情況下可以利用LEO衛(wèi)星上的計(jì)算資源輔助地面網(wǎng)絡(luò)處理用戶的數(shù)據(jù)卸載請求。文獻(xiàn)[16]提出了一種基于博弈論的衛(wèi)星邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)任務(wù)卸載策略優(yōu)化方法，建立了多移動(dòng)設(shè)備多衛(wèi)星的排隊(duì)模型，并通過分析得到了計(jì)算卸載的博弈策略和代價(jià)函數(shù)。從理論上證明了納什均衡的存在性和唯一性。最后，通過數(shù)值仿真表明，該算法可以有效降低移動(dòng)設(shè)備的平均成本。文獻(xiàn)[17]使用動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù) (Network Functions Virtualization, NFV)[18]來整合LEO衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的計(jì)算資源，以最小化用戶感知時(shí)延和系統(tǒng)能耗為目標(biāo)提出了一種衛(wèi)星邊緣計(jì)算場景下的協(xié)同計(jì)算卸載方法，并討論了該場景可能的任務(wù)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[19]提出了一個(gè)基于軟件定義 (Software-Defined Networking, SDN) 的衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)框架來動(dòng)態(tài)地管理和協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)、緩存和計(jì)算資源，并采用深度Q學(xué)習(xí)方法對聯(lián)合資源分配優(yōu)化問題求解。

3.2 HAPs-MEC融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如圖4所示，考慮到HAPs上載荷的限制，可在HAPs上裝備輕量級(jí)的MEC服務(wù)器，計(jì)算、內(nèi)容分發(fā)等能力從核心網(wǎng)下沉到HAPs平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)基于MEC的局域組網(wǎng)。HAPs傳輸鏈路通常存在視距傳輸信號(hào)，信號(hào)能量損耗小、傳輸質(zhì)量高，可以與移動(dòng)用戶直接通信，是地面網(wǎng)絡(luò)的有效延伸。在HAPs上裝備MEC服務(wù)器后，一方面，對于來自移動(dòng)用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以直接卸載到HAPs上處理，有效減輕地面核心網(wǎng)回傳鏈路的流量負(fù)擔(dān)以及節(jié)省回傳帶寬；另一方面，HAPs也可將接收到的數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星回傳鏈路轉(zhuǎn)發(fā)至云數(shù)據(jù)中心處理。文獻(xiàn)[20]提出了一種星-空融合計(jì)算(Satellite-Aerial Integrated Computing, SAIC) 架構(gòu)，其中來自地面/空中用戶設(shè)備的計(jì)算任務(wù)既可以在HAPs上執(zhí)行，也可以卸載到LEO衛(wèi)星上。在SAIC架構(gòu)下，研究了以最大化和速率為目標(biāo)的兩層網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)合用戶關(guān)聯(lián)和卸載決策問題。文獻(xiàn)[21]提出了一種利用地面基站、HAPs和衛(wèi)星為地面用戶提供卸載服務(wù)的高效優(yōu)化框架，其目標(biāo)是通過優(yōu)化基站的發(fā)射功率和HAPs的位置來最大化用戶的吞吐量。

圖4 HAPs-MEC融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.4 Architecture of HAPs-MEC integrated network

3.3 UAV-MEC融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如圖5所示，由于UAV具有高移動(dòng)性和易于部署的優(yōu)勢，MEC技術(shù)使能的UAV融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)因具有低時(shí)延和低傳輸能耗的特點(diǎn)而備受關(guān)注[22- 23]。

圖5 UAV-MEC融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.5 Architecture of UAV-MEC integrated network

為了增強(qiáng)UAV對計(jì)算密集型和時(shí)延敏感型任務(wù)的計(jì)算能力，文獻(xiàn)[24]提出了一種基于雙層無人機(jī)的MEC系統(tǒng)的卸載任務(wù)分配方法。在該系統(tǒng)模型中有兩層UAV平臺(tái)，分別為高空UAV平臺(tái)和低空UAV平臺(tái)。高空UAV 平臺(tái)離地距離比低空UAV高，因此高空UAV平臺(tái)的覆蓋范圍更加廣泛。利用MEC技術(shù)，在高空UAV平臺(tái)的邊緣提供類似云服務(wù)器的計(jì)算功能，使得低空UAV平臺(tái)可以將它們無法處理的計(jì)算密集型任務(wù)轉(zhuǎn)移到高空UAV平臺(tái)上執(zhí)行。隨著海上網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，對計(jì)算密集型應(yīng)用的需求越來越大，這些應(yīng)用具有不同的能量消耗、傳輸帶寬和計(jì)算時(shí)延需求。為了給不同需求的用戶提供計(jì)算卸載服務(wù)，文獻(xiàn)[25]提出了一個(gè)具有邊緣云和中心云計(jì)算功能的空-地-海融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從而為海事服務(wù)提供靈活的混合計(jì)算服務(wù)。在該融合網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星和UAV為用戶提供邊緣計(jì)算服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)接入，在此基礎(chǔ)上將聯(lián)合通信計(jì)算資源分配問題建模為一個(gè)復(fù)雜的決策過程，并設(shè)計(jì)了一個(gè)基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方案來解決該問題。文獻(xiàn)[26]提出了一種基于UAV微云的MEC機(jī)制。其中，移動(dòng)UAV具有計(jì)算功能，可為本地處理能力有限的移動(dòng)用戶提供計(jì)算卸載的機(jī)會(huì)。此外，在滿足移動(dòng)用戶的QoS需求約束條件下，提出了一種聯(lián)合資源分配和UAV軌跡設(shè)計(jì)方案，以最大程度降低系統(tǒng)總能量消耗。不同于文獻(xiàn)[26]的UAV軌跡設(shè)計(jì)方案，文獻(xiàn)[27]提出了一個(gè)空天地融合網(wǎng)絡(luò) (Space-Air-Ground Integrated Network, SAGIN) 邊緣/云計(jì)算架構(gòu)。其中，飛行的UAV提供近用戶側(cè)邊緣計(jì)算，衛(wèi)星提供云計(jì)算訪問。首先，基于SAGIN架構(gòu)提出了一種聯(lián)合計(jì)算資源分配和任務(wù)調(diào)度方法，以有效地將計(jì)算資源分配給UAV邊緣服務(wù)器中的不同虛擬機(jī)。其次，研究了SAGIN中的計(jì)算卸載問題，并提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的計(jì)算卸載方法來動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)UAV的軌跡以及最優(yōu)卸載策略。

3.4 SAGIN-MEC融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如圖6所示，為順應(yīng)未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢和滿足未來新型業(yè)務(wù)的差異性服務(wù)質(zhì)量需求，提出了SAGIN-MEC融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[28]。在該架構(gòu)中，MEC服務(wù)器分別部署在地面基站側(cè)、UAV、HAPs以及LEO衛(wèi)星上，為用戶提供多層次、異構(gòu)的計(jì)算資源，使用戶能在全球范圍內(nèi)獲得計(jì)算服務(wù)，從而提升用戶的體驗(yàn)質(zhì)量。

圖6 SAGIN-MEC融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.6 Architecture of SAGIN-MEC integrated network

由于SAGIN-MEC融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中涉及到4個(gè)不同的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，如何解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)斷開、高網(wǎng)絡(luò)延遲、間歇性中斷以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不平衡等問題是一個(gè)挑戰(zhàn)。針對上述問題，文獻(xiàn)[29]提出了一種新的面向任務(wù)的智能網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)(Task-Oriented Intelligent Networking Architecture, TOINA)。首先，在TOINA中應(yīng)用邊緣云計(jì)算技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)域劃分技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能組網(wǎng)以及降低時(shí)延的目的。其次，提出了面向任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法以提供個(gè)性化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，從而提高網(wǎng)絡(luò)智能化程度。最后，利用信息中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來構(gòu)建空天地一體化網(wǎng)絡(luò)并優(yōu)化內(nèi)容命名規(guī)則，以實(shí)現(xiàn)空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)融合。文獻(xiàn)[30]研究了空天地一體化網(wǎng)絡(luò)在海上覆蓋方面的潛在應(yīng)用?？紤]到在海上航行的船只具有分布稀疏的特點(diǎn)，而UAV具有靈活部署的特性，可為海上船只提供卸載服務(wù)。與UAV相比，HAPs和衛(wèi)星具有更廣泛的覆蓋范圍，因此當(dāng)UAV無法滿足覆蓋要求時(shí)，可將任務(wù)卸載到HAPs或者衛(wèi)星上。

除了上述研究外，考慮到基于MEC的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中資源的異構(gòu)性，如何對網(wǎng)絡(luò)中的緩存、計(jì)算等資源進(jìn)行管理和協(xié)調(diào)是一個(gè)挑戰(zhàn)。SDN作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對分布式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)設(shè)備的邏輯集中控制[31]。在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中引入SDN技術(shù)后可以從全局角度感知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性和用戶的QoS需求對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行實(shí)時(shí)分配。因此，在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中引入SDN技術(shù)能夠有效管理和協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的資源，是未來空天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的重要研究方向之一。

4 存在的問題與挑戰(zhàn)

與傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)相比，在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中引入MEC技術(shù)可以有效提高網(wǎng)絡(luò)的性能，但是也會(huì)帶來一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

4.1 安全性

由于空天地一體化網(wǎng)絡(luò)包含了衛(wèi)星、星地鏈路、地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)網(wǎng)元，涉及到地面網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)中心、邊緣計(jì)算等多樣化的節(jié)點(diǎn)以及不同運(yùn)營商之間的開放和共享。此外，由于衛(wèi)星具有廣覆蓋和開放特性，利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)容易受到竊聽者的攻擊。區(qū)塊鏈作為一種分布式架構(gòu)，以犧牲存儲(chǔ)效率為代價(jià)來保證鏈上節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)防篡改，是一種對存儲(chǔ)資源、計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)資源有較高要求的技術(shù)?？梢灶A(yù)見，在基于MEC的空天地一體網(wǎng)絡(luò)中引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)可為各節(jié)點(diǎn)提供一種可靠、高效的網(wǎng)絡(luò)接口和安全保障機(jī)制。

4.2 移動(dòng)性管理

LEO衛(wèi)星主要以點(diǎn)波束的形式對地面移動(dòng)用戶進(jìn)行覆蓋，然而由于LEO衛(wèi)星高速運(yùn)動(dòng)或者用戶的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致其離開服務(wù)衛(wèi)星的覆蓋范圍而中斷服務(wù)。為了保障用戶通信的連續(xù)性，需要將用戶的業(yè)務(wù)切換至其他衛(wèi)星，這個(gè)過程稱為鏈路層切換[32]。如圖7所示，鏈路層切換主要有波束間切換、星間切換和星地切換3種方式[33]。

(a) 波束和星間切換

波束間切換發(fā)生在同一顆衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)，由于衛(wèi)星或者用戶的移動(dòng)導(dǎo)致用戶離開當(dāng)前的波束覆蓋范圍而引起的切換。星間切換發(fā)生在兩顆不同的衛(wèi)星之間，由于衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致用戶移動(dòng)至另一顆衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)而引起的切換。星地切換發(fā)生在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)之間，由于用戶離開當(dāng)前的地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍移動(dòng)至衛(wèi)星的覆蓋范圍而引起的切換。在鏈路層切換中，由于通信鏈路不可用而導(dǎo)致的長切換延遲可能導(dǎo)致嚴(yán)重的分組丟失，并降低用戶體驗(yàn)。此外，由于LEO衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌道是固定的、可預(yù)知的，因此，可以運(yùn)用深度學(xué)習(xí)算法去學(xué)習(xí)LEO衛(wèi)星軌道運(yùn)行的規(guī)律，從而設(shè)計(jì)出一種高效的切換方案來保證鏈路切換的順利和業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

4.3 干擾管理

相比獨(dú)立的各個(gè)通信系統(tǒng)，空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的空口鏈路則顯得復(fù)雜多樣。在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中引入MEC技術(shù)，會(huì)使得大量用戶同時(shí)接入鏈路進(jìn)行業(yè)務(wù)處理。然而，無線電頻譜資源是有限的，用戶同時(shí)接入勢必會(huì)造成彼此之間嚴(yán)重的干擾。因此，設(shè)計(jì)一種智能、高效的頻譜共享和干擾消除方法是未來空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的重要研究方向之一[34]。

5 結(jié)束語

MEC技術(shù)能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)在響應(yīng)速度和處理能力方面的性能，在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中引入MEC技術(shù)是未來6G網(wǎng)絡(luò)的重要發(fā)展趨勢。本文旨在對空天地一體化中的MEC融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行研究。首先對空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的天基網(wǎng)絡(luò)、空基網(wǎng)絡(luò)、地基網(wǎng)絡(luò)和MEC技術(shù)分別進(jìn)行了概述，并討論了引入MEC技術(shù)對空天地一體化網(wǎng)絡(luò)帶來的優(yōu)勢。接著，分別對LEO-MEC融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、HAPs-MEC融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、UAV-MEC融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和SAGIN-MEC融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了介紹，并闡述了這4種架構(gòu)的應(yīng)用場景。最后，對空天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中存在的問題與挑戰(zhàn)進(jìn)行了探討。