智简空天地一体化网络
时间：2023-06-03 11:15:17 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
张 平，许文俊，王凤玉，牛 凯,3，许晓东
(1.北京邮电大学 信息与通信工程学院，北京 100876；
2.北京邮电大学 人工智能学院，北京 100876；
3.鹏城实验室 宽带通信研究部，广东 深圳 518000)
第五代移动通信(5G)的部署应用开启了万物互联时代，推动了信息行业与工业、农业等传统产业融合，拉开了新产业革命的序幕。随着5G商用的纵深推进，美国、日本、韩国等国家以及国际电信联盟(ITU)、电气和电子工程师学会(IEEE)等组织已经开启针对第六代移动通信(6G)技术的研究，6G的前瞻布局刻不容缓[1-2]。为了支持网络全覆盖和用户高速移动，扩大当前地面网络通信范围的广度和深度，6G 将涵盖空天地等网络基础设施，集成地面和非地面网络，以提供空、天、地等全域范围覆盖[3]。
空天地一体化网络融合了由轨道卫星构成的天基网络，由高空平台(High Attitude Platforms，HAPs)及无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)等构成的空基网络，以及由传统无线通信系统构成的地基网络，从而实现全范围无缝覆盖，为用户提供泛在通信服务，是未来6G的核心发展方向[4]。我国空天地一体化网络发展处于起步阶段，相继启动的“鸿雁”星座、“虹云”工程、“天启”等卫星星座计划，以及“天地一体化信息网络”重大项目，为空天地一体化网络的研发提供了技术积累、前期验证和部署试验。现有工作侧重于卫星通信网络建设，全域通信技术尚未实现高效融合与协同，应用场景具有局限性[5]。由于天基、空基、地基网络承载业务的差异性、网络资源的异质性、网络系统及管理的多样性等，空天地一体化网络在网络架构、协同组网、资源管理等方面面临巨大挑战[6]。
因此，本文提出智简(Intelligence-endogenous and primitive-concise，Intellicise)空天地一体化网络，通过智能网元深入挖掘信息/网络的基本组织单元(智能本原)，利用语义基(Semantic base，Seb)、网络基团等智能本原重新组织信息/网络，实现不同智能网元之间的高效交互以及意图驱动的灵巧组网[7]。以软件定义网络为工作基础，智简空天地一体化网络可以实现“局域按需智简、广域达意智简”，有效解决大时空网络动态连接、复杂路由和异构资源分配等挑战。
5G等地基网络发展遵循堆叠处理模式，以复杂度换取性能增益；
6G包括空天地一体化网络，其节点数、用户量、数据量等指数级增长，传统发展思路下的“大而全”网络将面临高计算、高能耗、高成本、低效率等一系列问题[8]。此外，赋能千行百业的6G网络场景化需求将更加明显。因此，6G是一个能够实时感知环境特征、理解用户需求，及时根据业务态势适变调整的动态系统，通过自我感知、自主推理、自主重塑信息及网络组织，最终实现自身的智慧内生、原生简约，即实现“智简”[9]。
智简系统，以人工智能与下一代组网技术的一体化为基础[10]，持续地探究和利用信息及网络的智能本原(Seb、网络基团等)，主动以系统熵减为全局优化目标，自适应地重塑信息系统的核心模型，最终实现自身的智慧内生、原生简约。智简系统可以感知和推理高层次的智能本原，实现对信息组织、网络结构等全面简约重塑，达到网元的高效连接和智能控制，赋能网络管理的精简化和网络配置的自动化，能够全面提升网络资源的利用效率。
如图 1所示，智简系统以经典信息论、人工智能理论、系统论、复杂科学理论等多学科理论为指导，以本原信息论为理论基础，以意图领会、达意通信为目的，从基础概率、模糊测度、逻辑推理、系统组织等层面交叉分析信息/网络的本质结构，洞察发现和智能构建信息/网络本原，以整体熵减为优化目标，重塑通信与网络[11]。其中，本原是信息/网络的基本组织单元，基于人工智能方法获取、表达与组织的本原称为智能本原；
传统语法信息层面的本原是比特，含义/意图层面的信息本原为语义基，系统层面的本原为网络基团。
图1 智简系统内涵Fig.1 Connotation of intellicise systems
在信息层面，智简系统通过语义基来连通意图与比特，高层次的信息本原以底层的比特为基础，表征信息的语义结构与特征等，构成不可分割的整体。智简系统基于人工智能技术等精准地识别与意图、任务相关的关键信息并展开针对性处理，实现通信对象间简约而充分的面向意图的信息交互[12]。在信息交互过程中，通信对象利用场景觉知能力和相关背景知识等，根据通信意图提取语义元素，通过传输关键的语义元素提高交互效率。
在网络层面，基于人工智能以及大数据等技术[13]，智简系统可以感知和推理高层次的智能本原，从而对网络组织、协议、资源等全面简约重塑，达到“节点极智、链路极柔、网络极简”，实现网络性能的全面提升。智简系统通过智慧节点实现对网络本原的发掘、处理和利用，通过智能决策、简约重塑等构建柔性简约的通信链路以及按需有序的网络结构，从而精炼网络组织与管理，实现网络资源利用的效率提升和用户业务的灵活服务。
空天地一体化网络由于跨域、跨介质、多层级建设，面临异构网络互连、拓扑高度动态、通信环境迥异、时延方差大及处理能力不平衡等诸多挑战[14]。智简空天地一体化网络通过人工智能技术与信息网络技术等的深度融合，针对通信信源、通信信道、网络节点、网络链路、网络整体等进行智能本原的统一发掘、利用和处理，赋能网络根据部署环境、通信意图等自适应调整信息及网络的组织结构，实现“节点极智、链路极柔、网络极简”，有效克服空天地一体化网络因环境复杂、业务多样、节点异构等导致的诸多挑战。
智简空天地一体化网络如图2所示。软件定义网络作为智简网络的底层支持，可以提供网络状态、环境及用户等多域数据[13]，为智简网络的学习、决策、智慧累积等提供数据支撑。智简网络利用软件定义网络提供的全局视图，可以分析与指导实体网络组织结构的调整与简约，以解决动态连接、复杂路由和高维资源分配等问题。得益于软件定义网络的支撑，智简空天地一体化网络具备“局域按需智简、广域达意智简”能力。
图2 智简空天地一体化网络Fig.2 Intellicise air-space-ground integrated networks
局域按需智简空天地一体化网络将面向千行百业，为用户提供无处不在的多样化服务。由于不同时空网络在接入设备、通信环境、业务需求等方面的大差异性，各局域网络场景化需求将更加明显[15]。智简空天地一体化网络能够根据用户需求，按需有序地构建极简网络，避免“大而全”网络带来的结构冗余及资源浪费等问题，达到局域按需智简。此外，智简空天地一体化网络还能够综合考虑通信需求与周围环境，构建局域柔性链路以应对拓扑高度动态、通信环境迥异等多层面挑战。
广域达意智简空天地一体化网络需要实现空基、天基、地基间互联互通，高度异构的大时空网络组成将导致极大的协议间转换开销，造成资源浪费和效率降低。智简空天地一体化网络充分利用语义互通性、语义鲁棒性以及高压缩比等特性，通过挖掘、理解和分解用户意图，将意图相关元素通过语义有机表达，分解并转化为网络拓扑、路由、移动性等方面的具体部署、配置、管控策略，完整而敏捷地贯彻实施网络意图，从而赋能不同异构网络间低协议转换开销的高效互通，确保“广域达意智简”。
“十四五”规划和2035远景目标强调，我国要建设成为网络强国，重点发展新一代移动通信和下一代互联网等。空天地一体化网络有机融合卫星、无人机、地面网络等，是6G的重要组成部分，面临资源、节点、网络异构带来的多层面挑战。智简空天地一体化网络可以通过智能学习、本原解析、智慧累积、智简决策、简约重塑等，达到“节点极智、链路极柔、网络极简”的理想网络形态，高效地协同、聚合不同网域资源，保证大差异网络协同满足千行百业应用需求，实现从软件定义网络到智简网络的范式跨越。
习近平总书记强调，建设网络强国的战略部署要与“两个一百年”奋斗目标同步推进。空天地一体化网络作为6G移动通信的标志性特征，已成为学术界、产业界共识。我国移动通信科学研究及相关产业发展迅速，但“地强天弱”的问题依然存在。随着卫星互联网的兴起，围绕新空间的开发利用权和主导权争夺将愈发激烈，成为大国之间的博弈前沿。我国空天地一体化网络技术发展处于起步阶段，智简空天地一体化网络通过发掘和利用信息/网络的智能本原，高效协同空基、天基、地基网络元素，实现全域通信与网络随场景特征、业务需求等变化柔性重塑；
智简空天地一体化网络有望通过范式跨越，突破国际传统生态垄断局势，打破先发国家的技术压制，赋能未来移动通信的长期可持续发展。
