趙亞飛,周家恩,王鑫洋,孫耀華,彭木根

(北京郵電大學 信息與通信工程學院 網(wǎng)絡與交換技術國家重點實驗室,北京 100876)

0 引言

隨著5G的商業(yè)應用,6G也隨之提出并不斷發(fā)展。相比更前一代的通信技術,5G在大帶寬、低時延、海量終端等場景下提供了高質量服務,有利推進了科技社會進步。然而,目前依然有80%的陸地、95%的海洋區(qū)域是網(wǎng)絡難以覆蓋的;同時5G網(wǎng)絡僅能覆蓋地表10 km高度以內的區(qū)域,存在大量網(wǎng)絡空白區(qū)域[1]。6G在5G的基礎上進一步提出了“空天地海一體化”的愿景,以全球無縫覆蓋為目標,提供“泛在連接”的網(wǎng)絡基礎設施。衛(wèi)星通信作為地面網(wǎng)絡的重要補充,成為了6G研究的熱點領域之一[2]。

6G的核心包括網(wǎng)絡、計算、感知、緩存等[3],網(wǎng)絡架構作為6G的骨架,是連接各個網(wǎng)元、傳輸數(shù)據(jù)、提供業(yè)務并支撐其余各資源高效利用的紐帶,在6G“空天地?！薄胺涸谶B接”的愿景下,傳統(tǒng)架構難以滿足日趨復雜的網(wǎng)絡,霧計算(Fog Computing)是一種分布式網(wǎng)絡架構,與傳統(tǒng)的云計算相比,霧計算更注重網(wǎng)絡中各個網(wǎng)元的協(xié)作與資源共享,其服務核心在于云與邊緣之間的節(jié)點間分布式計算[4]。由于衛(wèi)星在軌能源依賴于光伏的特點,單個衛(wèi)星的算力等資源受限,再加以衛(wèi)星的移動性,單星提供持續(xù)性服務的能力受到極大限制。因此,多星協(xié)作的服務模式成為必然發(fā)展趨勢,霧計算使能的衛(wèi)星通信不僅能夠滿足6G的低時延、大容量、廣連接等需求,還能使衛(wèi)星各個功能互惠增強。但是不同衛(wèi)星在系統(tǒng)架構、功能模塊、關鍵技術等方面存在明顯差異,要實現(xiàn)衛(wèi)星通信的霧計算,需要聯(lián)合大量衛(wèi)星,充分考慮其共性及特異性,借助霧計算及AI等技術打造可靠的協(xié)作組網(wǎng)和服務模式。當前,衛(wèi)星通信作為6G研究的熱點,面臨著通信以透明轉發(fā)為主、網(wǎng)絡架構簡單、單星算力較弱,難以滿足6G“空天地?！币惑w化、低時延、高能效的需求[5]。本文主要針對以上內容,介紹了6G霧計算與智能衛(wèi)星通信結合的背景、研究現(xiàn)狀,提出了衛(wèi)星通信場景下的霧計算架構,分析了關鍵技術與挑戰(zhàn),并對未來發(fā)展進行了展望。

1 6G霧計算背景與現(xiàn)狀

1.1 研究背景

6G在5G基礎上,針對更廣闊的范圍、更精細的場景,對通信網(wǎng)絡提出了更高的要求,在通信性能以外,計算性能也成為了關鍵指標之一[6]。當前國內正在建設的算力網(wǎng)絡,已經(jīng)是算網(wǎng)一體的雛形,通信與計算的融合既作為霧計算的關鍵技術,又是6G的重要組成部分,即6G網(wǎng)絡中的各個網(wǎng)元、節(jié)點均具備計算能力,構建成為霧計算網(wǎng)絡,各節(jié)點以算力協(xié)同、共享的方式提供優(yōu)質的霧計算服務,是一個先進的網(wǎng)絡及計算概念[7]。從架構而言,霧計算的各個計算節(jié)點位于網(wǎng)絡的中間層,即邊緣與云之間的全部通信、計算節(jié)點,其特性注定了各個霧節(jié)點之間的架構、功能都存在很大差異,如何能夠規(guī)范、通用地設計霧計算架構,將霧節(jié)點統(tǒng)一編排調度,是6G霧計算研究的關鍵方向。

1.2 研究現(xiàn)狀

霧計算的概念最早由思科(Cisco)于2012年正式提出并定義,如圖1所示,霧計算是面向分布式計算的一種基礎架構,由計算能力相對較弱的節(jié)點構成[8]。在地面網(wǎng)絡中,得益于光纖骨干網(wǎng)絡的建設,云計算迅速成為地面網(wǎng)絡的主要架構,因為光纖骨干網(wǎng)的時延相對較低,云服務的時延大多在可接受范圍內。然而在衛(wèi)星通信中,由高算力平臺構成的云服務中心主要部署在地面,當終端進行云計算時需要經(jīng)過多次星地鏈路從而導致難以忍受的時延[9]。因此,在衛(wèi)星通信中,霧計算是優(yōu)先級更高的選擇,有關衛(wèi)星霧計算的研究尚處于起步階段。當前,6G霧計算的研究主要分為了幾個方向:霧無線接入網(wǎng)、霧節(jié)點任務遷移、資源共享、資源分配[10]。

圖1 霧計算層級架構Fig.1 Layered architecture of fog computing

1.2.1 霧無線接入網(wǎng)

霧無線接入網(wǎng)是一種從霧計算發(fā)展而來,采用分布式架構,以無線接入站為霧節(jié)點,通過利用節(jié)點的信號處理、協(xié)作資源管理和分布式存儲計算等能力,實現(xiàn)終端業(yè)務需求,減低網(wǎng)絡負載,從而進行靈活自適應的網(wǎng)絡管理[11]。在最新的研究中,將霧無線接入網(wǎng)的分布式AI技術、多維資源優(yōu)化、智能信號處理作為主要研究方向[12]。霧無線接入網(wǎng)為地面霧計算的應用場景提供了極大的擴展,為通信感知計算融合理論提供了應用基石。

1.2.2 霧節(jié)點任務遷移

霧計算架構下的算力協(xié)同主要以任務遷移、計算卸載的形式進行,其關鍵指標為任務執(zhí)行的時間和能耗,針對執(zhí)行時間最小化的優(yōu)化目標,采用馬爾可夫決策、李雅普諾夫優(yōu)化算法、自適應算法、強化學習等,對任務遷移的路由、時隙等進行優(yōu)化,從而獲得更低時延[13]。針對能量消耗的優(yōu)化目標,采用切分子任務、無環(huán)有向圖、在線學習、動態(tài)規(guī)劃、組合優(yōu)化等手段和方法降低節(jié)點總能耗[14]。部分研究中聯(lián)合優(yōu)化了兩個目標,通過考慮通信、計算、感知等多項指標進行綜合優(yōu)化。

1.2.3 霧節(jié)點資源共享

由于霧節(jié)點的單點資源規(guī)模遠低于云節(jié)點,在進行需要大量資源的服務時,多節(jié)點資源聯(lián)合共享是此類問題的有效解決方案[15]。資源共享技術使得整個霧計算網(wǎng)絡中的計算、感知、存儲等資源能夠共享,從而能夠采用多點協(xié)同的方式進行業(yè)務服務。為了在并發(fā)協(xié)同服務中平衡各個節(jié)點資源需求的公平性、避免“公共悲劇”出現(xiàn),研究者們提出了區(qū)塊鏈、支付策略、區(qū)分策略等方案[16]。霧節(jié)點資源共享的主旨是在節(jié)點具備空余資源時,將空閑資源提供給有超額資源需求的節(jié)點,從而進行節(jié)點間協(xié)同,提高網(wǎng)絡資源利用率。

1.2.4 霧計算資源分配

霧計算中的資源分配一向是領域內的熱點,由于更側重于分布式協(xié)同,資源分配技術在霧計算中占據(jù)著重要地位,霧計算中的資源分配往往是借助網(wǎng)絡,將計算、感知等資源分配到某個業(yè)務。資源分配的目標是提高資源利用率,增強業(yè)務處理能力。針對上述目標,研究者們采用了納什均衡、多臂博弈、強化學習、整數(shù)規(guī)劃等方法對霧計算網(wǎng)絡中的資源進行整合調度,從而使資源分配方案收斂到相對均衡的狀態(tài)[17]。

2 面向衛(wèi)星通信的6G霧計算網(wǎng)絡

覆蓋面積大、容量高的衛(wèi)星通信技術可以擺脫地形限制,為全球用戶提供泛在的通信、計算服務,充分彌補地面蜂窩通信網(wǎng)絡的不足。同時,相較地面移動通信網(wǎng)絡,衛(wèi)星通信具有研發(fā)周期短、在軌運行不易受自然災害影響的優(yōu)勢[18]。低軌衛(wèi)星體積小、質量輕、集成化程度高、制作成本低,有著極大的商業(yè)化應用前景。衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面通信網(wǎng)絡優(yōu)勢互補,是實現(xiàn)6G互聯(lián)互通、萬物智聯(lián)的關鍵技術。

2.1 國外衛(wèi)星通信現(xiàn)狀

2.1.1 國際海事衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)Inmarsat

作為最早的國際海事衛(wèi)星移動通信系統(tǒng),Inmarsat采用同步軌道衛(wèi)星為海上船舶提供通信服務。至今該系統(tǒng)已經(jīng)歷經(jīng)了五代,目前在軌第四代系統(tǒng)正在使用,并且開始建設第五代系統(tǒng)。Inmarsat初代系統(tǒng)通過租用衛(wèi)星來實現(xiàn)特定功能,直到20世紀90年代初,才自主發(fā)射了第二代衛(wèi)星星座網(wǎng)。Inmarsat系統(tǒng)前三代系統(tǒng)為全球海事業(yè)務提供低帶寬通信和安全保障。從第四代系統(tǒng)開始,Inmarsat開發(fā)了首個提供全球覆蓋的衛(wèi)星通信系統(tǒng)全球區(qū)域寬帶網(wǎng)絡(Broadband Global Area Network,BGAN),具備數(shù)據(jù)分組交換的能力,實現(xiàn)了更高的數(shù)據(jù)帶寬。從2010年開始,Inmarsat提出由5顆衛(wèi)星構建的Global Xpress(GX)系列衛(wèi)星,采用Ka頻段為航海、航空等更多的業(yè)務場景提供通信保障[19]。

2.1.2 銥星系統(tǒng)

銥星(Iridium)系統(tǒng)是由摩托羅拉公司提出的全球首個個人衛(wèi)星移動通信系統(tǒng),通過星間鏈路搭建天基網(wǎng)絡為全球用戶提供通信服務。銥星一代系統(tǒng)于1997年首發(fā),至2007年建設完成。該系統(tǒng)由66顆低軌衛(wèi)星和6顆備用星構成空間衛(wèi)星段,分布在6個高度約為780 km的軌道平面上。一代系統(tǒng)主要為用戶提供話音、短信、數(shù)據(jù)通信等業(yè)務。銥星二代系統(tǒng)于2007年提出建設,計劃于2017年完成部署。二代系統(tǒng)承載了一代系統(tǒng)的全部業(yè)務功能,并且在通信容量、話音質量等方面有了很大的進步[20]。

2.1.3 星鏈

星鏈(Starlink)是由美國SpaceX公司提出的大型低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)為全球用戶,特別是偏遠地區(qū)用戶提供衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務。該計劃于2015年提出,在第一階段于550 km軌道高度處部署1 584顆衛(wèi)星。2019年,SpaceX公司計劃追加部署30 000顆星鏈衛(wèi)星,以構建一個衛(wèi)星總數(shù)約為42 000顆的巨型星座網(wǎng)絡?；赟paceX獵鷹火箭相對較低的生產成本和強大的運力,星鏈衛(wèi)星得以快速部署[21]。目前Starlink在軌衛(wèi)星數(shù)量占世界在軌航天器總數(shù)的一半。SpaceX公司表示星鏈可以為地面用戶提供至少1 Gbit/s速率的數(shù)據(jù)傳輸服務,并實現(xiàn)較低的傳輸時延。Starlink系統(tǒng)的部署將衛(wèi)星通信技術推向了一個新的高度。

2.2 國內衛(wèi)星通信發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1 “天通一號”

2016年8月6日,國內衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的首發(fā)星“天通一號”01星在中國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功升空。“天通一號”衛(wèi)星通信系統(tǒng)部署于地球同步靜止軌道,由空間段、地面段和用戶段三部分構成。系統(tǒng)部署完成后可以實現(xiàn)全球覆蓋,為航海、航空、地面用戶提供服務。

2.2.2 “虹云”

“虹云”系統(tǒng)是我國航天科工集團設計研發(fā)的全國首個低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)[22],可以為全球用戶提供通信服務。此外,由于系統(tǒng)集成了導航、遙感等功能,對實現(xiàn)衛(wèi)星通導遙一體化有著重要意義。

2.2.3 “鴻雁”系統(tǒng)

“鴻雁”系統(tǒng)由我國航天科技集團研發(fā),2018年發(fā)射首顆衛(wèi)星,并計劃于2023年完成骨干衛(wèi)星網(wǎng)絡部署。系統(tǒng)通過部署低軌道衛(wèi)星星座融合導航增強功能,解決當前系統(tǒng)短板,提供更高質量的導航定位服務[23]。

2.3 面向衛(wèi)星場景的霧計算網(wǎng)絡架構

車聯(lián)網(wǎng)、沉浸式虛擬現(xiàn)實等新興業(yè)務場景的涌現(xiàn),帶來了地面用戶設備數(shù)據(jù)量的急劇增長,為6G網(wǎng)絡設計部署提出了新的挑戰(zhàn)。衛(wèi)星通信作為6G移動通信網(wǎng)絡的關鍵技術之一,亟需新型網(wǎng)絡架構提供支持[24]。同時,為實現(xiàn)極低時延、超高速率、超鏈接、全域覆蓋的空天地海一體化網(wǎng)絡藍圖,結合當前邊緣計算、云計算等AI技術優(yōu)勢是十分必要的[25]。因此本文提出一種新型的面向衛(wèi)星場景的霧計算網(wǎng)絡架構,如圖2所示,并對其功能模塊進行了分析討論[26]。

面向不同的用戶場景和性能需求,在傳統(tǒng)以基站為中心的無線接入網(wǎng)基礎上,增加地面霧節(jié)點和衛(wèi)星霧節(jié)點,通過云霧協(xié)作的衛(wèi)星網(wǎng)絡架構,提升信號傳輸速率和質量,降低信息傳輸處理時延,滿足多樣化的業(yè)務要求。

地面通信系統(tǒng)利用云服務器提供資源的管理、信號處理、功率分配、接入控制等功能?；咀鳛樵凭W(wǎng)絡控制中心,結合AI模型訓練,進行策略更新、網(wǎng)絡管理等功能,優(yōu)化提升網(wǎng)絡性能。地面霧節(jié)點和由低軌衛(wèi)星星座為主構成的衛(wèi)星霧節(jié)點可以提供分布式龐大的分布式算力。云網(wǎng)絡控制中心可以根據(jù)能耗和時延要求,將網(wǎng)絡任務分別向云網(wǎng)絡層和霧節(jié)點處進行計算卸載,基于任務感知實現(xiàn)網(wǎng)絡的自動編排和動態(tài)組網(wǎng),通過云霧計算協(xié)同和計算卸載的方式,可以最大化網(wǎng)絡吞吐量,提升用戶體驗。同時,針對地面通信網(wǎng)絡難以支撐的低空、海上用戶,衛(wèi)星全時全域的覆蓋能力和地面節(jié)點協(xié)同補充,對構建高速率、低時延、全覆蓋6G空天地海一體化網(wǎng)絡有重要的意義。

3 關鍵技術

面向智能衛(wèi)星通信的6G霧計算系統(tǒng)通過將衛(wèi)星通信與霧計算系統(tǒng)相結合,進行衛(wèi)星通信資源、計算資源、感知資源的協(xié)調部署,滿足衛(wèi)星智能組網(wǎng)、協(xié)作計算、自主決策與高性能需求的智能服務需求。為了實現(xiàn)對衛(wèi)星霧計算網(wǎng)絡中通信、感知、計算、存儲等資源的高效利用,建設符合6G需求的智能衛(wèi)星通信霧計算系統(tǒng),尚有以下需要突破的關鍵技術:協(xié)作計算、網(wǎng)絡虛擬化、數(shù)據(jù)緩存與預取、智能路由與負載均衡、安全與隱私保護。

3.1 協(xié)作計算

協(xié)作計算是低軌衛(wèi)星霧計算網(wǎng)絡中的一種創(chuàng)新處理模式和技術途徑。它融合了低軌衛(wèi)星、霧計算和邊緣計算的特點,旨在提高遙感數(shù)據(jù)的星上處理能力,實現(xiàn)更高效快速的數(shù)據(jù)處理和響應。

低軌衛(wèi)星運行在較低的軌道高度,飛行速度較快,能夠頻繁覆蓋目標區(qū)域并獲取高分辨率的遙感圖像數(shù)據(jù)。在傳統(tǒng)的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理方式中,數(shù)據(jù)通常需要全部下傳至地面處理中心,然后再進行處理,這導致了較大的數(shù)據(jù)傳輸壓力和時延。而衛(wèi)星協(xié)作計算通過在衛(wèi)星載荷端部署計算資源,利用協(xié)作計算技術在衛(wèi)星側進行數(shù)據(jù)處理、分析和存儲,可以在衛(wèi)星上就近處理部分數(shù)據(jù),減少對地面?zhèn)鬏數(shù)囊蕾?降低通信壓力和時延。

協(xié)作計算賦能低軌衛(wèi)星更強的自主處理能力。衛(wèi)星邊緣云可以具備自主態(tài)勢感知、自主任務規(guī)劃、自主數(shù)據(jù)處理等能力。衛(wèi)星可以自主發(fā)現(xiàn)感興趣的區(qū)域或對象,規(guī)劃并執(zhí)行任務,生成動作執(zhí)行指令,從而實現(xiàn)自主化的遙感觀測和處理。這樣的自主性可以提高衛(wèi)星對地面需求的快速響應能力,特別對于災后救援和緊急監(jiān)測等應用具有重要意義。此外,當?shù)孛嬲景l(fā)生故障時,衛(wèi)星協(xié)作計算能力可以自主調整和協(xié)同處理任務,從而增強了衛(wèi)星系統(tǒng)的彈性和穩(wěn)健性。

3.2 網(wǎng)絡虛擬化

低軌衛(wèi)星霧計算網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡虛擬化是通過軟件定義網(wǎng)絡(Software Defined Network,SDN)和網(wǎng)絡功能虛擬化(Network Function Virtualization,NFV)等技術手段,將網(wǎng)絡資源進行抽象化,將網(wǎng)絡功能和服務從底層硬件中解耦,實現(xiàn)更靈活、高效、可編程的網(wǎng)絡管理和服務交付。

衛(wèi)星網(wǎng)絡面臨資源有限、多類型、分布式等問題,虛擬化技術能夠將實體資源和功能性資源抽象為邏輯資源,消除資源實體間的差異性和隔離性,從而解決資源瓶頸,提高資源利用效率。虛擬化技術在衛(wèi)星網(wǎng)絡資源管理中的應用可以提高網(wǎng)絡性能和可靠性,通過靈活的資源調配和優(yōu)化,滿足不同任務場景下的網(wǎng)絡需求,確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院蛢?yōu)先級。

總體而言,虛擬化技術在衛(wèi)星網(wǎng)絡資源管理中發(fā)揮著重要作用。它能夠解決資源有限、多樣化和分布式的問題,提供靈活的網(wǎng)絡服務和資源調配,改善網(wǎng)絡性能和可靠性,為不同任務需求提供個性化的資源分配方案。隨著航天和網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展,網(wǎng)絡虛擬化技術在衛(wèi)星網(wǎng)絡領域的應用前景將會更加廣闊。

3.3 數(shù)據(jù)緩存與預取

低軌衛(wèi)星霧計算網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)緩存與預取技術是為了優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸和提高用戶體驗而采取的策略。在面臨傳輸延遲較高或網(wǎng)絡不穩(wěn)定的情況下,這些技術可以減少用戶等待時間、提高數(shù)據(jù)訪問效率。

數(shù)據(jù)緩存是將用戶經(jīng)常訪問或可能需要的數(shù)據(jù)暫時存儲在本地或邊緣設備上,以便快速訪問。在低軌衛(wèi)星霧計算網(wǎng)絡中,衛(wèi)星和地面設備可以設置數(shù)據(jù)緩存區(qū)域,將常用數(shù)據(jù)存儲在離用戶更近的位置。用戶請求數(shù)據(jù)時,先檢查本地緩存是否有所需數(shù)據(jù),如果有,則直接返回,減少對遠程服務器的訪問時間。

對不同類型的數(shù)據(jù)或用戶,可以設置不同的數(shù)據(jù)優(yōu)先級。對于緊急任務或高優(yōu)先級用戶,在低軌衛(wèi)星霧計算網(wǎng)絡中,可以優(yōu)先緩存或預取相關數(shù)據(jù),提高數(shù)據(jù)傳輸效率。考慮到可能存在多個衛(wèi)星或地面設備,同一份數(shù)據(jù)可能有多個副本,因此,在數(shù)據(jù)緩存與預取技術中需要考慮數(shù)據(jù)副本的管理,確保數(shù)據(jù)的一致性和有效利用。數(shù)據(jù)請求調度算法可以根據(jù)當前網(wǎng)絡狀況和用戶需求,動態(tài)決定數(shù)據(jù)的緩存與預取策略,以適應不同的網(wǎng)絡環(huán)境和用戶場景。

通過合理的數(shù)據(jù)緩存與預取技術,低軌衛(wèi)星霧計算網(wǎng)絡可以降低用戶等待時間,提高數(shù)據(jù)傳輸效率,優(yōu)化用戶體驗;同時減輕網(wǎng)絡負載,優(yōu)化網(wǎng)絡性能。這些技術在低軌衛(wèi)星霧計算網(wǎng)絡中具有重要的應用價值,特別在面對高延遲和不穩(wěn)定網(wǎng)絡環(huán)境時發(fā)揮重要作用。

3.4 智能路由與負載均衡

低軌衛(wèi)星霧計算網(wǎng)絡采用智能路由和負載均衡技術,旨在優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸和提高用戶體驗。由于網(wǎng)絡涉及多個衛(wèi)星、地面節(jié)點和用戶設備的通信,傳統(tǒng)靜態(tài)路由無法適應網(wǎng)絡的動態(tài)性。智能路由技術根據(jù)實時網(wǎng)絡拓撲和鏈路狀態(tài),動態(tài)選擇最佳傳輸路徑,減少延遲和丟包率。負載均衡技術能夠在不同路徑上均勻分配數(shù)據(jù)流量,提高網(wǎng)絡性能。

在低軌衛(wèi)星霧計算網(wǎng)絡中,智能路由技術考慮了鏈路質量、擁塞情況和數(shù)據(jù)實時性要求,選擇質量較好且傳輸時延較低的路徑進行數(shù)據(jù)傳輸。同時,針對緊急任務或高優(yōu)先級用戶,優(yōu)先傳輸相關數(shù)據(jù),確保其數(shù)據(jù)得到及時處理和響應。而負載均衡技術監(jiān)測各節(jié)點的負載情況和鏈路帶寬,將數(shù)據(jù)流量分配到負載較輕或帶寬較大的節(jié)點和鏈路上,以提高整體數(shù)據(jù)傳輸速度和質量。

綜合運用智能路由和負載均衡技術,低軌衛(wèi)星霧計算網(wǎng)絡可以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸,提高網(wǎng)絡可靠性和性能。這對滿足多樣化的用戶需求,保障衛(wèi)星網(wǎng)絡的運行效率和數(shù)據(jù)傳輸質量具有重要意義。隨著低軌衛(wèi)星霧計算網(wǎng)絡的不斷發(fā)展,智能路由和負載均衡技術的應用前景將更加廣闊,為網(wǎng)絡的持續(xù)優(yōu)化和提升用戶體驗帶來更多機遇。

3.5 安全與隱私保護

在低軌衛(wèi)星霧計算網(wǎng)絡中,衛(wèi)星網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能涉及商業(yè)、科研等敏感信息,因此必須使用強大的加密算法來保護數(shù)據(jù)的機密性,確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中不會被未授權的第三方獲取。對于高度敏感的數(shù)據(jù),還可以考慮使用端到端的加密技術。對于傳輸?shù)拿舾袛?shù)據(jù),應使用加密技術對數(shù)據(jù)進行加密,確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中不被竊取或篡改。同時,對于網(wǎng)絡中的用戶和設備,應實施身份認證機制,防止未經(jīng)授權的訪問。此外,部署衛(wèi)星網(wǎng)絡防火墻和入侵檢測系統(tǒng)及時識別和攔截潛在的網(wǎng)絡攻擊,防止惡意用戶或黑客入侵系統(tǒng),保護網(wǎng)絡的安全性。對于用戶的個人信息和敏感數(shù)據(jù),應采取隱私保護技術和數(shù)據(jù)匿名化措施,確保用戶隱私不被泄露。

衛(wèi)星網(wǎng)絡也可能面臨來自網(wǎng)絡攻擊者的拒絕服務攻擊,導致網(wǎng)絡不可用。建立抗DDoS攻擊的防御機制,包括流量過濾、流量清洗和網(wǎng)絡容量擴展等,是必要的。還在衛(wèi)星節(jié)點部署網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)和入侵檢測系統(tǒng),及時發(fā)現(xiàn)和應對網(wǎng)絡中的安全威脅,包括未經(jīng)授權的訪問、異常流量和攻擊行為。

衛(wèi)星網(wǎng)絡的安全是全球性的挑戰(zhàn),需要各國之間進行合作和信息共享。同時,各國應建立相關的政策法規(guī),規(guī)范衛(wèi)星網(wǎng)絡的安全管理和使用。在高度連接的未來,網(wǎng)絡安全與隱私保護是必不可少的重要環(huán)節(jié),需要得到持續(xù)的關注和加強。

4 展望

衛(wèi)星霧計算通信網(wǎng)絡通過構建天基網(wǎng)絡與地基網(wǎng)絡優(yōu)勢互補、互相耦合,能夠提供更大規(guī)模的覆蓋面積、支持更多樣化的業(yè)務服務、實現(xiàn)更智能化的網(wǎng)絡管理,發(fā)展前景廣闊,已成為6G的研究重點之一。

應急通信保障6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡具備通信距離遠、覆蓋面積大、不受地形環(huán)境影響且分組靈活等優(yōu)點。在自然災害、戰(zhàn)爭等突發(fā)事件地區(qū),地面通信網(wǎng)絡癱瘓時,可以迅速構建通信鏈路,及時為用戶提供應急通信保障。

賦能AI衛(wèi)星網(wǎng)絡隨著衛(wèi)星業(yè)務類型的多樣化,AI技術的相關應用可以為衛(wèi)星資源管理、數(shù)據(jù)處理、信息融合等諸多方面提供輔助。同時,衛(wèi)星路由管理、通信抗干擾等衛(wèi)星通信相關的AI算法研究表現(xiàn)出了巨大的潛力。

賦能算力網(wǎng)絡無人機、自動駕駛等新型場景涌現(xiàn)出的數(shù)據(jù)量激增,需要更高的網(wǎng)絡化算力支撐。衛(wèi)星通信擺脫地形環(huán)境的限制,和地面通信網(wǎng)絡相互補充,將分散的算力節(jié)點進行鏈接,賦能算力網(wǎng)絡發(fā)展[19]。

手機直連衛(wèi)星近年來,衛(wèi)星載荷、火箭運輸?shù)燃夹g不斷突破,特別是低軌衛(wèi)星,一箭多星等技術有利于衛(wèi)星快速密集組網(wǎng),衛(wèi)星的部署成本不斷降低,并且低軌道空間資源豐富,對地信號強度高,有利于通信的實現(xiàn)。低軌衛(wèi)星也可以適應地面通信協(xié)議,通過服務手機直連衛(wèi)星,擺脫地形時間束縛,實現(xiàn)衛(wèi)星通信功能。

基于透明轉發(fā)的非陸地通信網(wǎng)絡(Non-Terrestrial Network,NTN)技術由于受限于星上天線規(guī)模,低軌衛(wèi)星組網(wǎng)條件下實現(xiàn)多波束的靜態(tài)全覆蓋的實現(xiàn)成本難以承受,更適合于具有透明轉發(fā)能力的高軌衛(wèi)星使用。同時,星上處理和透明轉發(fā)無論是異星還是同星混合組網(wǎng),均需要更多的頻率資源、功率資源支撐,同時終端存在跨代問題,很難與地面現(xiàn)有終端甚至是后續(xù)NTN終端復用。因而,隨著星上處理能力提升,基于星上處理的低軌衛(wèi)星模式將是面向6G天地一體的主要演進方向,同時,由于地面時分雙工(Time Division Duplexing)頻率資源相對豐富,未來6G采用效率更高的TDD模式也會是天地一體空口演進的重要方向。

5 結束語

在“空天地海一體化、萬物智聯(lián)、AI內生”等6G愿景的驅動下,6G應當能夠為任何人、機、物提供任何時間、任何地點的互聯(lián)互通,實現(xiàn)全場景的通信需求。衛(wèi)星網(wǎng)絡通信時延、資源容量、拓撲動態(tài)等特性,與霧計算網(wǎng)絡的特性深度契合,構建6G智能衛(wèi)星霧計算通信網(wǎng)絡將為6G愿景的實現(xiàn)提供有力支撐。本文對面向智能衛(wèi)星通信的6G霧計算網(wǎng)絡的發(fā)展現(xiàn)狀做了廣泛分析,并提出一種網(wǎng)絡架構,探討其關鍵技術及面臨的挑戰(zhàn)。

能夠預見,作為支撐6G愿景的關鍵技術,智能衛(wèi)星霧計算網(wǎng)絡將在未來15年內成為地表網(wǎng)絡的有效補充,拓寬人類通信范圍,增強用戶空域泛在連接的關鍵技術。同時,作為不易受自然災害影響的通信基礎設施,智能衛(wèi)星霧計算網(wǎng)絡將能夠在人類應對自然災害、維護主體安全、保障社會服務等方面提供有力支撐。