吳曉文，焦偵豐，凌翔，劉冰，朱立東，韓磊

（1. 電子科技大學，四川 成都 611731；2. 電子科技大學（深圳）高等研究院，廣東 深圳 518110； 3. 深圳市星網(wǎng)榮耀科技有限公司，廣東 深圳 518052； 4. 星展測控科技股份有限公司，陜西 西安 710018）

1 引言

“4G改變生活，5G改變社會”。5G移動通信以增強型移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）、大連接物聯(lián)網(wǎng)（massive machine-type communication，mMTC）和低時延高可靠通信（ultra-reliable & low-latency communication，uRLLC）三大應用場景為人們提供寬帶化、海量連接和低時延類型業(yè)務，有力推動社會和經(jīng)濟發(fā)展。目前，5G網(wǎng)絡覆蓋仍然以基站為中心，在基站所未覆蓋的沙漠、無人區(qū)、海洋等區(qū)域內(nèi)依然存在大量通信盲區(qū)，預計5G時代仍將有80%以上的陸地區(qū)域和95%以上的海洋區(qū)域無移動網(wǎng)絡信號。同時，5G的通信對象集中在陸地地表10 km以內(nèi)高度的有限空間范圍，無法實現(xiàn)“空天海地”無縫覆蓋的通信愿景[1]。因此，5G并不能真正實現(xiàn)“全球全域”和“萬物互聯(lián)”。

6G總體愿景是5G愿景的進一步擴展和升級[1]，其特征是全覆蓋、全頻譜和全應用。網(wǎng)絡和服務更加智能化，人工智能（AI）技術將全方位賦能6G網(wǎng)絡和用戶，滿足人類精神和物質的全方位需求[1]。

目前全球6G技術研究處于探索與起步階段，技術路線尚不明確，關鍵指標和應用場景還沒有統(tǒng)一的定義，正處于“場景挖掘”和“技術尋找”階段。盡管如此，6G核心技術已列入多國創(chuàng)新戰(zhàn)略，成為大國科技博弈高精尖領域和全球搶占的戰(zhàn)略制高點[2]。中國、美國、韓國、日本和芬蘭等國已啟動6G研究。美國已發(fā)布第一份6G報告，欲將美國確立為6G理念、開發(fā)、采用和快速商業(yè)化的全球領導者[3]。我國于2019年11月3日成立了國家6G技術研發(fā)推進工作組和總體專家組，標志著我國6G技術研發(fā)工作正式啟動。

國際標準化組織已經(jīng)啟動了6G網(wǎng)絡研究，國際電信聯(lián)盟（ITU）提出的6G 3個目標之一為融合衛(wèi)星通信在內(nèi)的多類網(wǎng)絡（ManyNets）[4]，充分說明衛(wèi)星通信將是6G網(wǎng)絡的重要組成部分。本文首先分析衛(wèi)星通信與5G融合組網(wǎng)研究基礎，總結6G網(wǎng)絡架構及其技術特征，尤其是AI在6G網(wǎng)絡中應發(fā)揮的關鍵作用，通過分析AI在通信領域的研究為基礎，對AI在6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中的應用進行更加深入的研究，提出了AI賦能的6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡總體架構及演進思路。

2 國內(nèi)外星地融合研究現(xiàn)狀

基于衛(wèi)星通信的廣覆蓋優(yōu)勢和廣播及多播特性，國際標準化組織或機構啟動了衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡的融合研究，并取得有關研究成果。根據(jù)研究目的不同，國內(nèi)外針對星地融合的研究主要分為衛(wèi)星通信與5G的融合組網(wǎng)和天地一體化研究兩大類別。

2.1 衛(wèi)星通信與5G的融合組網(wǎng)

2.1.1 國際方面

國際上，ITU、3GPP、SaT5G等主要標準化組織或研究機構已經(jīng)啟動衛(wèi)星通信與5G的融合組網(wǎng)研究。ITU提出了星地5G融合的4種應用場景，見表1，包括中繼到站、小區(qū)回傳、動中通及混合多播場景，并提出支持這些場景必須考慮的關鍵因素，包括多播支持、智能路由支持、動態(tài)緩存管理及自適應流支持、時延、一致的服務質量（QoS）、網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）/ 軟件定義網(wǎng)絡（SDN）兼容、商業(yè)模式的靈活性等[5]。

表1 ITU提出的4種星地融合場景

2020年7月，3GPP系的5G標準正式被接收為ITU 5G技術標準。而SaT5G輸出的研究成果將作為3GPP標準的輸入，驅動3GPP和ETSI關于衛(wèi)星和5G融合標準化[6]。因此，有關衛(wèi)星通信與5G融合組網(wǎng)的標準化輸出，將主要由3GPP完成。3GPP關于衛(wèi)星通信與5G的融合研究，主要體現(xiàn)在TR38.811、TR38.821以及TR22.822 的3個技術報告中。上述3個報告的主要研究內(nèi)容見表2。

表2 3GPP關于衛(wèi)星通信和5G融合組網(wǎng)研究報告主要內(nèi)容

雖然上述研究成果還局限于技術報告類，沒有形成標準規(guī)范，但是這些研究成果對于將來衛(wèi)星通信與5G/6G的融合組網(wǎng)奠定了一定的研究基礎，具有積極的參考意義。

2.1.2 國內(nèi)方面

2019年8月，工信部發(fā)布了《3 000?5 000 MHz頻段第五代移動通信基站與衛(wèi)星地球站等無線電臺（站）干擾協(xié)調(diào)管理辦法》，為規(guī)范我國5G網(wǎng)絡建設及衛(wèi)星通信的健康發(fā)展指明了方向。

運營商方面，為充分提升資源利用率，共享5G基礎設施，國內(nèi)四大運營商先后啟動了5G共享共建的戰(zhàn)略合作。其中，2019年9月9日，中國聯(lián)通和中國電信簽署《5G網(wǎng)絡共建共享框架合作協(xié)議書》，2020年5月20日，中國移動和中國廣電簽署5G共建共享之合作框架協(xié)議。因此，從這個層面上看，中國聯(lián)通與中國移動在衛(wèi)星通信與5G的融合組網(wǎng)方面取得進展，代表著國內(nèi)四大運營的理論研究和實踐。2020年4月，中國移動（上海移動）與合作伙伴共建的5G+衛(wèi)星通信融合創(chuàng)新實驗室，研究5G與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的融合架構，實現(xiàn)融合場景的演示驗證試驗。

設備商方面，2020年6月華為與長光衛(wèi)星已簽署了合作協(xié)議，將大數(shù)據(jù)、AI、5G等高新技術與產(chǎn)品融合，攜手開拓更大的科技市場。

2.2 天地一體化研究

衛(wèi)星通信業(yè)界對天地一體融合的探索已接近20年。比較有代表性的天地一體化項目主要有美國提出的轉型通信體系（transformational communications architecture, TCA）、歐洲提出的ISICOM（integrated space infrastructure for global communication）、美國的SkyTerra以及由中國提出的天地一體化信息網(wǎng)絡[7]。我國的天地一體化信息網(wǎng)絡以地面網(wǎng)絡為依托、天基網(wǎng)絡為拓展，采用統(tǒng)一的技術架構、統(tǒng)一的技術體制、統(tǒng)一的標準規(guī)范，由天基信息網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)互聯(lián)互通而成[8]，為深入研究衛(wèi)星與地面融合奠定了基礎。

3 AI賦能的6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡架構

全球各國及業(yè)界已經(jīng)開始推進對6G的研究，6G愿景、場景、功能和性能基本指標也有了新的進展。本文以研究文獻提出的6G陸地移動通信網(wǎng)絡性能指標[9]為基礎，綜合考慮AI和衛(wèi)星通信在6G網(wǎng)絡中的建設性作用，提出了AI賦能的6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡業(yè)務需求及性能指標。圖1給出了6G預期應用場景及需求。根據(jù)圖1，未來6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡將由5G時代的eMBB、uRLLC和mMTC三大應用場景擴展為未來增強移動寬帶（FeMBB）、極可靠低時延通信（ERLLC或eURLLC）、廣覆蓋高時延高移動性通信（LDHMC）、超大規(guī)模機器類通信（umMTC）和極低功率通信（ELPC）五大應用場景。其中，F(xiàn)eMBB主要針對全息應用、寬帶互聯(lián)網(wǎng)、超高清視頻等寬帶通信業(yè)務，這類業(yè)務的重心在于要求極高的通信速率，地面類業(yè)務通信速率為0.1～1 Tbit/s，衛(wèi)星業(yè)務通信速率設定為1 Gbit/s；ERLLC（eURRLC）主要針對全自動駕駛和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等要求極低通信時延需求，地面業(yè)務具有10～100 μs時延，而衛(wèi)星業(yè)務時延則根據(jù)終端所連接衛(wèi)星的軌位不同，具有10 ms或以上的通信時延；LDHMC則主要針對于深空覆蓋等超高速超遠距離通信場景而設計，允許的移動速度≥1 000 km/h，遠高于5G時代的500 km/h；umMTC則主要針對衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)等海量終端的應用場景，每平方千米具有1億個終端設備，每平方米的通信速率總量約為1 Gbit/s；ELPC則主要針對人體納米類傳感器等具有極低功耗的物聯(lián)網(wǎng)終端設備的應用場景，與5G相比，網(wǎng)絡能效具有100倍的提升，頻譜效率也具有5～10倍的提升。這些業(yè)務和性能指標的達成，有賴于AI、云計算、分布式計算、區(qū)塊鏈等使能，而AI則是對星地全網(wǎng)進行賦能的必備技術。

圖1 6G預期應用場景及需求

6G通信網(wǎng)絡與云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能集成深度進一步增強，基于上述愿景和業(yè)務需求，下面將對6G網(wǎng)絡架構進行深入分析和探討。

3.1 6G網(wǎng)絡總體架構研究現(xiàn)狀及技術特征

6G將為人類和萬物提供情景感知的智能服務。6G的服務對象將從人類、機器、物體擴展至虛擬世界，實現(xiàn)實際物理世界與虛擬世界的連接與協(xié)作，利用AI技術感知用戶需求，提升用戶體驗，形成認知增強與決策演進的智能網(wǎng)絡，滿足人類精神與物質的全方位需求[10]。

6G時代，用戶業(yè)務種類和業(yè)務顆粒度比5G網(wǎng)絡要求更高，同樣需要支持按需確定性服務。另一方面，6G網(wǎng)絡需要提供網(wǎng)元功能可編程及網(wǎng)絡可編排能力，從而實現(xiàn)快速的業(yè)務升級和網(wǎng)絡敏捷化管理，能夠實現(xiàn)網(wǎng)絡虛擬化及功能對外開放，以滿足虛擬運營商等多租戶運營需求。與5G網(wǎng)絡的NSA和SA階段化演進思路技術路線類似，未來的6G網(wǎng)絡將采用分階段演進和分步驟建設的思路，前期兼容5G，甚至也兼容4G網(wǎng)絡，后期實現(xiàn)6G獨立組網(wǎng)。

6G網(wǎng)絡架構與其所采用的技術路線密切相關。國外較具代表性的技術路線有：韓國SK 集團信息通信技術中心曾在2018年提出了“太赫茲＋去蜂窩化結構＋高空無線平臺（如衛(wèi)星等）”的6G技術方案，不僅應用太赫茲通信技術，還要徹底變革現(xiàn)有的移動通信蜂窩架構，并建立空天地一體的通信網(wǎng)絡。三星研究院新設了一個“下一代通信研究中心”，配合5G商用化服務的擴張，加強移動通信先導技術和標準方面研究組織的功能和作用。美國貝爾實驗室也提出了“太赫茲＋網(wǎng)絡切片”的技術路線[11]。

國內(nèi)關于6G衛(wèi)星通信技術路線及網(wǎng)絡架構的研究主要包括中國聯(lián)通空天地一體化網(wǎng)絡架構、中國移動“3層+4面”網(wǎng)絡以及國內(nèi)校企聯(lián)合提出的“空－天－陸－?！比S度網(wǎng)絡架構等。目前國際通信技術研發(fā)機構相繼提出的多種實現(xiàn)6G的技術路線都處于概念階段，如何落實還需長時間的研究和實踐，以下對業(yè)界關于6G網(wǎng)絡架構的主要共性技術特征進行了總結。

? 全球全域：衛(wèi)星通信和高空浮臺將在6G衛(wèi)星通信中承擔重要角色，并發(fā)揮重要作用，通過衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)絡的融合，達到全球全域的移動網(wǎng)絡覆蓋目標，實現(xiàn)用戶隨遇接入和業(yè)務的連續(xù)性。

? 極簡網(wǎng)絡：地面通信協(xié)議往往需要多次交互，與衛(wèi)星鏈路的長時延不相匹配，不可以直接移植到衛(wèi)星通信網(wǎng)絡，需要針對海量物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務等場景進行適應性改造。

? 極智網(wǎng)絡：為了實現(xiàn)全面應用，AI與6G無線通信網(wǎng)絡緊密結合，以實現(xiàn)更好的網(wǎng)絡管理和自動化。

? 獨立AI面：通過獨立的AI平面/智能面，實現(xiàn)全網(wǎng)的智能化賦能。

? 星上處理：6G時代衛(wèi)星以超算平臺為基礎，具備星上處理能力和星上緩存能力，支持星載DU、完整星載基站、星載MEC、星載CDN，甚至星載輕量化核心網(wǎng)的部署。

? 天基計算：利用星上處理和計算能力，能夠實現(xiàn)網(wǎng)絡架構的智能自主動態(tài)演進和智能化管控。

3.2 AI在通信中的研究和應用

綜合業(yè)界當前對6G網(wǎng)絡的愿景和概念化指標不難發(fā)現(xiàn)，在未來的6G移動通信網(wǎng)絡中，為了實現(xiàn)網(wǎng)絡的全面智能化應用，AI技術將與6G無線通信網(wǎng)絡緊密結合以實現(xiàn)更好的網(wǎng)絡管理和自動化。因此，對AI在通信中應用的發(fā)展?jié)摿M行深入探索和挖掘，具有積極意義。

事實上，自AI技術誕生以來，人們從未停止AI技術在各行各業(yè)的應用研究，通信行業(yè)也不例外。以AI在5G中的應用為例，根據(jù)ITU的研究報告，5G將支持智慧城市和家庭、3D視頻、增強現(xiàn)實、在云中工作和娛樂、行業(yè)自動化和無人駕駛汽車，它還將為人工智能提供必要的連接。這將使5G更加智能化，增強5G網(wǎng)絡切片、云網(wǎng)絡、虛擬化和自組織網(wǎng)絡的能力[12]。在國內(nèi)，部分學者給出了AI在5G領域的研究和應用分析，例如，有學者對AI在5G系統(tǒng)設計和優(yōu)化過程的各個環(huán)節(jié)所起到的作用進行了分析和研究，大體上可以歸納為3 類技術問題：組合優(yōu)化問題、檢測問題及估計問題[13]。在5G網(wǎng)絡中的很多高復雜度問題，通過AI和機器學習可有效降低求解復雜度，將復雜問題簡單化處理，實現(xiàn)網(wǎng)絡的智能化或服務智能化。還有研究將5G網(wǎng)絡中需要通過AI解決的問題劃分為4種類型：用傳統(tǒng)方法無法建模問題、難以求解問題、統(tǒng)一模式高效實現(xiàn)問題及最優(yōu)檢測與估計問題[13]。

自5G商用的一年多時間以來，我國的5G網(wǎng)絡建設規(guī)模全球領先，AI在5G中的應用實踐也取得積極成效。其中，廣東聯(lián)通2018年年底啟動的“5G+AI項目組”提出了基于AI的基站及回傳網(wǎng)故障定因解決方案[14]，并先后在廣東聯(lián)通多個地（市）進行測試驗證，效果顯著。

不僅在地面網(wǎng)絡，人們對AI在衛(wèi)星通信領域的應用研究也在進行。目前有關AI在衛(wèi)星通信中的應用研究，主要集中在衛(wèi)星生態(tài)[12]、衛(wèi)星路由[15]、衛(wèi)星干擾規(guī)避[16]以及頻譜感知[17]等方面。

6G是對5G網(wǎng)絡的全方位升級與擴展，具有按需服務、簡單網(wǎng)絡、靈活網(wǎng)絡、智慧內(nèi)生、安全內(nèi)生等技術特征。人們對AI在6G發(fā)揮的建設性作用寄予厚望，并陸續(xù)展開相應的技術研究。AI在6G中應用可分為頻譜智能和自適應資源分配、傳輸智能和自適應基帶處理，以及網(wǎng)絡智能和自適應網(wǎng)絡優(yōu)化3個部分，分別從頻譜、傳輸和網(wǎng)絡3個級別展開AI在未來移動通信中的應用研究[18]。

3.3 6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡架構

6G與云計算、大數(shù)據(jù)及AI的深度融合已在業(yè)界達成共識，AI將成為6G移動通信網(wǎng)絡的“大腦”。本文將結合6G移動通信的需求及現(xiàn)有研究基礎，提出可演進的AI賦能6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡總體架構。

3.3.1 總體網(wǎng)絡架構

6G衛(wèi)星通信接入組網(wǎng)時代，網(wǎng)絡拓撲將從二維空間擴展到三維空間，構建覆蓋全球地表及空域廣域無縫通信網(wǎng)絡，滿足人類業(yè)務連續(xù)性需要。與此同時，在6G天基與地基深度融合，網(wǎng)絡連接涵蓋星間通信、星地通信和地地通信，在AI賦能技術的智能協(xié)作下，保障了系統(tǒng)容量彈性伸/縮、星地資源按需動態(tài)分配、天地異構網(wǎng)絡智能自愈和靈活重構。

在6G時代，衛(wèi)星載荷功能與性能均得到大幅提升，數(shù)字再生和柔性轉發(fā)已發(fā)展成為衛(wèi)星的基本配置，軟件定義衛(wèi)星、SDN/NFV和AI智能超算平臺等成為賦能衛(wèi)星通信的必備技術手段，在6G網(wǎng)絡架構中將承擔接入、中繼、傳輸及核心網(wǎng)等角色或功能。本文把在6G中的衛(wèi)星統(tǒng)稱為天基資源，把地面6G網(wǎng)絡基礎設施稱為地基資源，天基資源和地基資源在6G中分別發(fā)揮不同的建設性作用，需充分發(fā)揮天基和地基資源的特點和優(yōu)勢，展開AI賦能的6G衛(wèi)星通信高動態(tài)組網(wǎng)技術研究，形成極簡極智全球全域隨遇接入方案。

基于6G星地一張網(wǎng)業(yè)務需求與愿景，創(chuàng)新性地引入AI賦能工具，實現(xiàn)網(wǎng)絡及服務智能化。為滿足AI賦能對資源需求，將地面數(shù)據(jù)中心和天基資源按需融合為統(tǒng)一的資源池，以云計算架構為底層框架，構建更加靈活、智能、高效和開放的網(wǎng)絡系統(tǒng)，支撐AI賦能。

從網(wǎng)絡拓撲上看，6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡邏輯上增加AI賦能平面，AI賦能技術始終貫穿終端至核心網(wǎng)絡的整個網(wǎng)絡平面，圖2給出了6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡AI平面、控制平面和數(shù)據(jù)平面分離的參考架構。

圖2 AI平面、控制平面和數(shù)據(jù)平面分離的6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡

AI平面能夠實現(xiàn)6G網(wǎng)絡中控制平面及數(shù)據(jù)平面的學習、訓練和決策，是實現(xiàn)6G網(wǎng)絡智能化和服務智能化的根本源動力。有研究文獻提出了陸地6G網(wǎng)絡的架構和AI在6G網(wǎng)絡中的實施方式[19]。

圖3給出了AI在6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中賦能應用。為解決6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡衛(wèi)星數(shù)量多、星上載荷能力受限、星間鏈路交互量大等問題，引入衛(wèi)星星座動態(tài)分簇和分層管理機制。利用地球同步軌道（geostationary earth orbit，GEO）衛(wèi)星廣覆蓋和大載荷優(yōu)勢，作為天基AI控制節(jié)點，對非地球同步軌道（non geostationary earth orbit，NGEO）星座進行動態(tài)分簇控制；NGEO同軌道數(shù)顆衛(wèi)星形成簇，分別承擔通信、計算、訓練和內(nèi)容分發(fā)等領域的AI賦能功能，相互間通過星間鏈路進行數(shù)據(jù)交換。

圖3 AI在6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中賦能應用

AI賦能創(chuàng)新應用主要在通信干擾消除、計算效率提升、訓練最佳行動及內(nèi)容智能分發(fā)等方面。通過編碼、調(diào)制、信道傳輸、解調(diào)及解碼全過程AI賦能，消除通信干擾。通過軟/硬件分離及協(xié)同設計，提升計算效率。針對非獨立同分布用戶場景終端側分布式學習、上云，獲得服務器更新的共享全局模型。通過DRL（深度強化學習）、Agent（代理/智能體）與環(huán)境不斷交互，學習最佳行動。通過強化學習，緩存熱點內(nèi)容，實現(xiàn)內(nèi)容分發(fā)。通過終端緩存及D2D（設備到設備）通信，提高資源利用率。

根據(jù)衛(wèi)星載荷能力的發(fā)展過程，圖4給出了6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡三階段演進路線。

圖4 6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡三階段演進路線

? 階段一：衛(wèi)星以彎管為主要工作方式，支持地面基站通過衛(wèi)星回傳接入6G CN。

? 階段二：雖然采用衛(wèi)星彎管技術，但車載、船載、機載、CPE等多種類型的UE可以連接衛(wèi)星接入地面基站再接入6G CN。

? 階段三：低軌衛(wèi)星具有星載基站能力，在高級階段，GEO可搭載輕量化的6G 核心網(wǎng)網(wǎng)元（6G CN Lite）。

從網(wǎng)絡接入來看，第一個階段UE接入地面基站、衛(wèi)星作為鏈路回傳；第二階段UE接入透明轉發(fā)的衛(wèi)星連接地面基站與核心網(wǎng)；而第三個階段，則主要實現(xiàn)UE通過星載基站接入核心網(wǎng)。上述3個演進階段接入技術的更新和迭代，所采用的技術將長期共存，也可視為不同的接入方式。

3.3.2 核心網(wǎng)絡架構

如同5G網(wǎng)絡分為SA、NSA兩個主要階段一樣，未來的6G移動通信網(wǎng)絡也應分階段演進，分步驟建設。既能夠與現(xiàn)有5G網(wǎng)絡的兼容，又能夠面向未來發(fā)展。6G衛(wèi)星通信核心網(wǎng)可分別部署于地面及天基資源。其中，對于天基資源，只部署輕量化的核心網(wǎng)（例如只部署與鑒權及時敏性服務有關的功能），以適應天基資源的存儲和算力特征；對于地面資源，視為具備充足的存儲和算力資源，可部署全功能的核心網(wǎng)。因此，雖然天基和地基均可部署6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡核心網(wǎng)，但從總體上講，仍然為地面為主。

同時，云化的6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡部署更加便捷和靈活。通過構建面向6G的分布式云架構，用戶面下沉至邊緣節(jié)點，并結合MEC平臺的部署，有效實現(xiàn)將云的算力從中心延伸到邊緣，實現(xiàn)業(yè)務快速處理和就近轉發(fā)，滿足多樣化的應用場景。因此，6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡天基和地基核心網(wǎng)還應采用多級部署方式。對于天基核心網(wǎng)，以GEO部署輕量化核心網(wǎng)，而非GEO星座，則主要部署MEC和內(nèi)容分發(fā)等網(wǎng)絡邊緣功能；相應地，地基核心網(wǎng)也分為多級數(shù)據(jù)中心進行部署，即以中心、區(qū)域、邊緣三級數(shù)據(jù)中心+基站機房為基礎架構，網(wǎng)元可按照場景需求部署在網(wǎng)絡相應的位置。

6G衛(wèi)星通信核心網(wǎng)可沿續(xù)5G云原生[20]設計思路，基于微服務架構和功能設計，提供更泛在的接入，更加智能和靈活的控制與轉發(fā)功能，以及更強大的開放能力。核心網(wǎng)與NFV基礎設施相結合，為用戶、業(yè)務/應用提供商、企業(yè)/垂直行業(yè)需求方提供網(wǎng)絡切片、邊緣計算、精準授時、6G LAN等新型業(yè)務能力。

相對于前幾代移動通信網(wǎng)絡，6G時代的業(yè)務類型更加豐富，對服務顆粒度需求更加精細化。通過微服務架構的核心網(wǎng)，每個網(wǎng)元解耦為一組獨立網(wǎng)絡功能（NF），每個NF也解耦為多個NF服務。因此，為更好地契合不同業(yè)務場景和垂直行業(yè)，基于云原生技術和微服務化NF構建 SBA+架構的核心網(wǎng)成為主要考慮的方案。圖5給出了6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的總體架構及接口體系。

圖5 6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的總體架構及接口體系

另一方面，隨著智能化應用的不斷普及，數(shù)據(jù)、算力和算法將成為實現(xiàn)業(yè)務智能的“鐵三角”[10]，圖6給出了6G星地協(xié)同AI框架。結合天基計算能力，需要設計面向分布式學習的星地協(xié)同AI算法框架，同時還需要研究適配星地計算能力的多主體、多目標、多級協(xié)同AI機制，結合星上資源和處理能力設計星上輕量級AI學習模型以及地面站的大容量和強算力優(yōu)勢，設計基于海量數(shù)據(jù)的深度學習模型。

圖6 6G星地協(xié)同AI框架

總之，AI是6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的“大腦”，能夠完成學習和進化的神經(jīng)網(wǎng)絡，賦能6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡，將使6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡實現(xiàn)高度的彈性、靈活和智能。

3.3.3 接入網(wǎng)絡架構

對于用戶設備UE而言，具備同時接入衛(wèi)星和地面基站開展業(yè)務的能力，并且能夠在衛(wèi)星和地面基站之間、衛(wèi)星與衛(wèi)星之間以及地面基站之間實現(xiàn)無縫無感切換，業(yè)務的連續(xù)性得到充分保障。

基于6G時延及通信帶寬需求，集中部署有源天線單元（AAU）和分布單元（DU），以極簡設備形態(tài)消除AAU和DU間傳輸壓力。圖7給出了6G衛(wèi)星通信接入網(wǎng)架構，為滿足廣域時敏需求，星載基站可集中部署CU與AAU和DU。

圖7 6G衛(wèi)星通信接入網(wǎng)架構

圖8給出了6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡支持的7種主要接入模式，具體介紹如下。

圖8 主要接入模式

模式一：標準6G空口用戶接入。在該場景下，可根據(jù)用戶業(yè)務或位置區(qū)域等條件而自動直接接入地基站或者星載基站，且在必要的情況下，可將用戶同時拉入地面基站和天基基站，以滿足其業(yè)務需求。

模式二：標準6G空口用戶中繼接入。在這種模式下，不在網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)的用戶（如在隧道中），可通過標準6G用戶的中繼，接入地基基站或天基基站，是D2D應用的一種，也是達到全域網(wǎng)絡覆蓋的一種技術手段。

模式三：基于星間鏈路中繼的標準6G空口用戶接入。該模式下，用戶接入低軌衛(wèi)星星載基站，再經(jīng)其他衛(wèi)星中繼鏈路進行回傳。

模式四：基于衛(wèi)星鏈路回傳的標準6G空口用戶接入。該模式下，衛(wèi)星起到透明傳輸作用，用戶接入地面基站后，通過衛(wèi)星鏈路進行基站回傳至天基核心網(wǎng)或地基核心網(wǎng)絡。

模式五：非標準6G空口用戶設備接入。非標準6G空口用戶通過后端互通網(wǎng)關接入6G核心網(wǎng)，后端網(wǎng)關承擔到核心網(wǎng)的核協(xié)議轉換及通信安全。

模式六：非標準6G空口用戶設備前端互通網(wǎng)關接入。非標準6G空口用戶UE通過標準的6G空口用戶中繼，接入6G網(wǎng)絡。

模式七：基于算力均衡的多用戶設備6G無線接口用戶接入。根據(jù)天地一體化的算力均衡與網(wǎng)絡切片等有關技術提供按需確定性服務。

3.3.4 6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡韌性魯棒機制

韌性魯棒是表征網(wǎng)絡穩(wěn)健性的一項重要指標，部分學者對于網(wǎng)絡韌性的定義為一個組織通過預測和適應網(wǎng)絡威脅和環(huán)境中的其他相關變化，以及通過承受、控制和迅速從網(wǎng)絡事件中恢復繼續(xù)執(zhí)行其任務的能力[21]。亦有學者將韌性定義為系統(tǒng)在可接受的退化范圍內(nèi)能抵抗變動并重新恢復穩(wěn)定的物理能力，使系統(tǒng)達到甚至超越原有的性能水平。而魯棒性指系統(tǒng)的特性，旨在系統(tǒng)環(huán)境或系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生變化時為一系列要求提供可靠的性能，這是一種將不確定性和模糊性帶入系統(tǒng)過程的策略[22]。簡單來講，魯棒性用來表示系統(tǒng)在被干擾情況下保持其功能或性質的能力，而網(wǎng)絡結構魯棒性已經(jīng)成為復雜網(wǎng)絡研究的重要特征之一[14]。

對于6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡，應支持通過各種技術實現(xiàn)網(wǎng)絡的韌性魯棒，提供以用戶為中心的智能化服務。區(qū)塊鏈是目前及未來一段時間內(nèi)新興代表性技術機制之一，業(yè)界對區(qū)塊鏈在軟件定義光網(wǎng)絡、電子政務網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)等方面已經(jīng)有了一定的研究成果，在6G衛(wèi)星通信接入網(wǎng)絡也將具有較好的應用潛力。鑒于有限的天基計算能力，本文提出通過輕量化、弱中心的空間區(qū)塊鏈等技術，將區(qū)塊鏈的智能合約和數(shù)據(jù)一致性優(yōu)勢引入6G天地一張網(wǎng)絡的SDN聚合控制系統(tǒng)，設計天地協(xié)同的容錯機制和智能重構機制，實現(xiàn)高效的容錯控制和網(wǎng)絡智能自愈，提升系統(tǒng)的整體韌性魯棒指標。圖9給出了適配衛(wèi)星算力的方法。基于天地資源虛擬化，SDN控制器分布于天基和地基物理載體，以適配衛(wèi)星計算能力。

圖9 適配衛(wèi)星算力的方法

有研究文獻提出了基于區(qū)塊鏈賬本的高效恢復策略[23]?；趨^(qū)塊鏈分布賬本的高效自愈恢復策略鏈智能合約規(guī)定，n個業(yè)務處理結果生成一個塊，數(shù)據(jù)一致性核驗過程中發(fā)現(xiàn)故障控制器時立即將其從共識組中隔離。因此，初始主控制器失效或故障時，可快速恢復到最優(yōu)主控制器，實現(xiàn)控制節(jié)點容錯和網(wǎng)絡層面智能重構。圖10給出了故障恢復策略，提出6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的韌性魯棒機制，采用基于SDN技術實現(xiàn)衛(wèi)星動態(tài)分簇、分層管理，引入智能合約和數(shù)據(jù)一致性區(qū)塊鏈技術和弱中心的區(qū)塊鏈架構，能夠提升天地SDN控制器節(jié)點容錯處理、故障恢復與網(wǎng)絡智能重構性能，是值得深入研究的一種提升系統(tǒng)韌性魯棒方案。

圖10 故障恢復策略

4 結束語

在ITU提出的6G網(wǎng)絡3個目標中，明確了衛(wèi)星網(wǎng)絡將是其中重要的一部分。通過衛(wèi)星通信，可在未來的6G時代真正實現(xiàn)“全球全域”的覆蓋。業(yè)界目前針對6G的研究還處于初期階段，對于6G中的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡架構研究還很少，本文在綜合分析6G愿景和需求基礎上，提出了AI賦能的6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡架構及演進思路，同時提出了基于區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡韌性魯棒機制，希望能促進對6G衛(wèi)星通信的進一步研究和探索。