空天地一体化确定性网络研究-彭国宇

彭国宇1，汪硕1,2，李桂珍1，文昱涵1，黄韬1,2（1.北京邮电大学网络与交换技术全国重点实验室，北京100876；2.紫金山实验室，江苏南京211111） 摘要：随着互联网从消费型网络向生产型网络升级，新兴行业应用需要差异化的确定性服务质量保障以及全时空范围的通信能力。如何实现泛在多域网络的异构兼容，支持空天地一体化网络（SAGIN）节点间的确定性传输成为当前的重要研究问题。首先分析了面向6G全域新兴应用场景的确定性服务质量保障需求，然后提出了包含全域协同网络管控层、多域动态确定性融合层、泛在异构确定性组网层的分层空天地一体化确定性网络架构，并研究相应场景的“固移卫”融合确定性网络关键技术，最后研判了空天地一体化确定性网络的挑战和发展趋势。 关键词：空天地一体化网络；网络体系架构；确定性网络；6G 中图分类号：TP393文献标志码：Adoi:10.11959/j.issn.1000−0801.2023238 Research on space-air-ground integrated deterministic networking PENG Guoyu1, WANG Shuo1,2, LI Guizhen1, WEN Yuhan1, HUANG Tao1,2 1. State Key Laboratory of Networking and Switching Technology,Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China2. Purple Mountain Laboratories, Nanjing 211111, China Abstract:As the Internet evolves from a consumer network to a productive network, emerging industry applicationsnecessitate differentiated and deterministic service quality assurance and communication capabilities that span all di-mensions of time and space. How to realize the heterogeneous compatibility of ubiquitous multi-domain networksand support deterministic transmission between nodes in space-air-ground integrated network (SAGIN) has become asignificant research problem. Firstly, the emerging full-domain 6G scenarios along with their requirements for deter-ministic services were analyzed. Then, the hierarchical space-air-ground integrated deterministic networking archi-tecture, including global cooperative network management and control layer, multi-domain dynamic deterministic fu-sion layer, and ubiquitous heterogeneous deterministic networking layer, was proposed, and key technologies forfixed-mobile-satellite fusion networks in relevant scenarios were studied. Finally, the challenges and developmenttrend of the space-air-ground integrated deterministic networking were presented. Key words:space-air-ground integrated network, network architecture, deterministic networking, 6G NTN）的全面一体化，在体制、协议、网络、业务、终端等方面实现深度融合[8]。另一方面，随着新兴业务应用演进，用户业务对能够提供时延敏感、质量可预测的服务保障的确定性网络需求越来越迫切[1]。例如，医疗系统将GB级别的CT影像上传到云端，连接时延要求在10 ms内，抖动须控制在微秒级。传统的IP网络采用“尽力而为”的转发模式，无法提供可靠有界的网络服务质量。面对时延敏感型业务的迫切需求，能够“准时、准确”地控制端到端的时延和抖动的确定性网络相关技术成为全球研究热点。现有相关研究基于地面网络提出局域时间敏感网络（time-sensitivenetworking，TSN）、广域确定性网络（deterministicnetworking，DetNet）以及固移融合的5G确定性网络等确定性技术[9-10]。然而，这些技术无法为跨海、陆、空的多域网络提供可预期、可规划、可验证、覆盖确定、连接确定、时延确定、带宽确定的端到端服务质量保障能力[11]。 0引言 近年来，指数级增长的互联网业务、海量接入的移动终端数，以及远程工业控制、全息通信等应用对网络的严格服务质量（quality of service，QoS）需求，推动了5G的蓬勃发展与大规模商业部署，促使地面移动网络从消费型应用向生产型应用升级[1]。网络功能从“信息传输”向“产业服务”转变，亟须差异化、可定制的传输保障以及广阔通信覆盖范围支撑。然而，地面移动通信整体上存在覆盖范围受限的问题，目前有80%以上的陆地区域和95%以上的海洋区域无宽带网络信号[2]，这无法满足下一代6G宽带无线通信网络“泛在连接，多网融合”的愿景[3]。作为地面网络的补充与扩展延伸，卫星网络、空基网络在覆盖范围和移动等方面与地面网络具有极强的互补性，能够提供泛在、智能、协同、高效的信息通信能力。因此，融合垂直行业应用的多维资源需求，为用户提供无盲区的宽带移动通信服务，构建 全 球 广 域 覆 盖 的 空 天 地 一 体 化 网 络（space-air-ground integrated network，SAGIN）成为6G网络的重要特征[4-6]。在国家战略层面，太空域和信息域是国家经济发展两个重要战略制高点，空间信息资源已成为各个国家的重要战略资源。 空天地一体化确定性网络是指在大时空尺度下为泛在异构接入域提供统一的算网资源保障与确定性低时延传输保障的网络。由于空天地一体网络和确定性网络均处于早期发展阶段，如何实现多域融合的空天地一体化确定性网络是一个重要挑战。文献[11]提出了空天地网络确定性服务架构，从全域确定性业务服务角度分析了星地端到端智能切片、资源智能分配的相关机制，但未从底层网络一体化构建角度考虑时变星链、跨层广域承载技术等对端到端确定性组网的影响。文献[12]提出了弹性可重构的天地一体化信息网络架构，通过业务场景按需部署网络功能，保障网络按需确定性服务能力。但缺乏确定性调度机制对星地、星间、空基网络内队列转发机制的考虑，难以满足时延敏感任务的可控时延上界。文献[13]呈现了确定性网络的相关技术与机制，但未考虑与非地面网络的适配性。文献[14]提出了空地无状态移动核心网功能部署，将卫星状态与轨道核心功能解 一方面，全球全网域用户接入与业务分布存在泛在性、差异性，单一域内的网络资源难以满足海量设备接入与差异化业务所需的计算、存储、传输能力，“固移卫”融合的一体化网络架构成为必然的演进方向。然而，现有地面移动通信网络和卫星通信网络的建设与发展相对独立，难以提供空天地一体的资源管控和业务连续性服务能力[7]。此外，泛在异构接入网络存在多域组网兼容性差、资源协同编排困难、接口协议不统一等诸多问题。因此，空天地一体化网络不是卫星、飞行器与地面网络的简单互联，而是在系统层面实现地面与非地面网络（non-terrestrial network， 耦，通过转移到地面网络减少状态迁移，进而提升故障弹性恢复能力，但未考虑星地间的服务时延保障。文献[15]研究了有线无线融合的卫星时间敏感网络流调度机制，分析了星地间有线和无线链路资源分配与业务时敏需求关系并进行建模调度，但是缺乏空天地一体化确定性路由与调度的架构设计。 在、智能、协同、高效的信息保障的基础设施，在满足未来6G业务需求方面具有巨大的潜力[16]。 1.16G全域新兴应用场景与确定性需求 6G新兴应用的出现与发展赋予了网络架构计算、感知、智能、安全等新的需求，6G全域应用场景及其对通信网络的需求见表1。与传统地面确定性网络相比，面向6G全域服务的确定性需求的SAGIN旨在为差异化业务应用提供广覆盖接入、确定性连接、超低时延、超高可靠、超大数据量处理与超高带宽、差异化需求可预测可定制的智能化端到端服务质量保障能力。 基于以上问题和趋势，本文首先分析了6G全域新兴应用场景的确定性需求，以及面向确定性服务的SAGIN需求与动机，提出了包含全域协同网络管控层、多域动态确定性融合层以及泛在异构确定性组网层的分层空天地一体化确定性网络架构，研究相应场景的固移卫融合确定性网络关键技术，包括6G、星地融合确定性组网、广域确定性承载网络、全域确定性路由与调度等技术。在此基础上，研判了空天地一体化确定性网络的挑战和发展趋势。 （1）广覆盖接入：由于高山、海洋、极地等极端环境建网成本高昂，需要将卫星和国际移动通信基站高空平台（high altitude platform station as IMTbase station，HIBS）通信的低成本与广域覆盖作为地面网络的补充，为偏远地区用户提供无死角全覆盖的宽带移动通信服务和位置导航服务[17]。 （2）确定性连接：对于有建设专网需求且分支机构分散的企业（如跨国/跨地区的头部企业），需要打破地理限制的确定性连接，以保障集团公司的全球业务管理[18]。 1场景、需求与动机 6G的新兴应用需求正处于初步探索之中。预期6G应具备智慧内生、安全内生、多域融合、算网一体等特征，而目前的5G网络架构难以满足这些愿景。作为一种新兴的网络架构，SAGIN架构以地基网络为基础、以天基网络和空基网络为补充和延伸，为广域空间范围内的各种网络应用提供泛 （3）超低时延：大宗货物交易、证券交易中的高频电子交易、区块链节点广播等广域通信业务，需要借助低轨卫星高速直线传播的优势有效降低时延和抖动[18]。 （4）超高可靠：工业设备全自动化控制与操作、机器人交互、应急服务、远程医疗、输配电监控等应用对通信能力具有超高的可靠性需求[19]。特别地，应急通信场景的可靠性保障将极大受益于非地面网络特征。卫星和HIBS通信以其不受地理环境和自然灾害影响的稳定性，在地震、洪涝等自然灾害导致地面网络阻断情况下，可以进行快速部署，为抢险救灾构建高效可靠的指挥调度及信息传输通道[17]。 服务，多层卫星网络协作实现全球覆盖、泛在连接、宽带接入等功能。 （5）超大数据量处理与超高带宽：越来越多的家用设备、无人驾驶车辆、工业机器人等成为广域物联网的智能终端，大量传感器所探测的海量信息、大量智能终端的高密度互联通信以及6G网络的自学习自维护能力，都需要网络支持对超大数据量的智能处理能力[20]和超高带宽的传输能力。 目前国内外对空天地一体化网络架构的研究正在进一步深入，结合了软件定义网络（softwaredef