6G星地融合网络资源管理关键技术.pdf
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1、2024年1 月第1 期47移动涵信-55.YASENJIANGAbuduireneman,DUATechnologiesfor Resource Management of 6G Satellite-terrestrialLd引用格式:亚森江阿布都热合曼,段卓君,刘向南,等.6 G星地融合网络资源管理关键技术.移动通信,2 0 2 4,48(1):47-55.扫描二维码OSID:与作者交流总第52 1 期第48 卷6G星地融合网络资源管理关键技术*亚森江阿布都热合曼1 2,段卓君1,刘向南1 2,管婉青1 2,皇甫伟1 2,张海君12(1.北京科技大学,北京1 0 0 0 8 3;2.北京市
2、融合网络与泛在业务工程技术研究中心,北京1 0 0 0 8 3)【摘要】卫星网络因具备弥补地面网络覆盖盲区的特性,成为6 G网络实现泛在连接应用场景的关键技术之一。为了实现卫星网络和地面网络间高效的资源融合管理,首先简要介绍了星地融合网络的发展现状,总结了星地融合网络资源管理技术的研究现状以及面临的挑战。其次,对6 G星地融合网络下的移动性管理、跨域多维资源管理和统一的空口协议设计等关键技术进行分析,并基于对现有研究的探讨给出解决方案。最后,对未来面向6 G的星地融合网络资源管理的发展提出了新的展望【关键词】6G网络;星地融合网络;移动性管理;资源管理;空口协议doi:10.3969/j.is
3、sn.1006-1010.20231209-0001中图分类号:TN929.5文献标志码:A文章编号:1 0 0 6-1 0 1 0(2 0 2 4)0 1-0 0 47-0 9Integrated NetworksJJ.Mobile Communications,2024,48(1):47Key Technologies for Resource Management of 6G Satellite-terrestrialIntegrated NetworksYASENJIANG Abudureheman,DUAN Zhuojun,LIU Xiangnan,GUAN Wanqing,HUAN
4、GFU Weil,ZHANG Hajun2(1.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2.Beijing Engineering and Technology Research Center for Convergence Networks and Ubiquitous Services,Beijing 100083,China)AbstractSatellite networks have become one of the key technologies for achieving ubiqui
5、tous connectivity in 6G networksdue to their ability to compensate for blind spots in ground network coverage.In order to achieve efficient resourceintegration management between satellite networks and ground networks,firstly,the development status of satellite-terrestrial integrated networks is bri
6、efly introduced,and the research status and challenges of satellite-terrestrialintegrated networks resource management technology are summarized.Secondly,key technologies such as mobilitymanagement,cross domain and multi-dimensional resource management and unified air interface protocol design inthe
7、 6G satellite-terrestrial integrated networks are analyzed,and solutions based on the exploration of existing researchare provided.Finally,new prospects for the future development of 6G satellite-terrestrial integrated network resourcemanagement are proposed.Keywords6G network;satellite-terrestrial
8、integrated networks;mobility management;resource management;air interface protocol0引言随着移动通信技术的持续演进及应用需求的不断扩展,传统地面蜂窝网络在覆盖范围和容量上正面临日益凸显的局限性,泛在连接的通信需求使卫星互联网成为了无线通信领域的研究热点。特别是在偏远地区、海洋、航空及紧急救援等特殊场景中,对高速、可靠且无缝覆收稿日期:2 0 2 3-1 2-0 9*基金项目:国家自然科学基金青年基金项目“异构联邦环境下多租户网络切片智能管理技术研究”(6 2 1 0 1 0 31)盖的通信服务的需求愈发迫切。卫星
9、网络因其提供无缝全球覆盖,且相较于地面网络具有较好的鲁棒性和抗毁性等特点,在6 G泛在连接通信场景中将扮演至关重要的角色。但由于现有卫星网络和地面网络独立组网,其各自的通信协议和网络资源储备量存在差异,导致地面移动用户对于卫星网络的实时适配还存在阻碍。因此,为实现6 G网络的泛在连接目标,多网融合成为关键技术路径,即如图1 所示,通过融合天基网络与地基网络基础设施,构建空天地一体化的星地融合网络。星地融合网络的主要思想是通过融合卫星和地面网络,实现卫星网络和地2024年1 月第1 期48移动通信总第52 1 期专题“面向6 G的星地融合网络技术?第48 卷面网络的优势互补,达到更广的网络覆盖范
10、围和更高质量的通信服务2。星地融合网络不仅是解决现有通信瓶颈的关键途径,更是6 G发展的重要趋势和核心研究方向天基网络GSO卫星MEO卫星LEO卫星间高速链路地基网络接入网核心网88U测控中心地面移动通信场景网络控制中心8信关站海面和空中场景远程场景图16G星地融合网络组网架构星地融合网络具有多层立体覆盖、动态时变网络拓扑、跨域协同传输等显著特点,其研究重点集中在以下几个方面:1)弹性可重构的网络架构设计,以适应卫星高速移动导致的网络拓扑结构的动态变化;2)跨域多维资源管理和优化,以提高跨网络多维资源的利用率;3)高效可靠的星间、星地链路的随机接人技术,通过统一的接人标准实现地面网络和卫星网络
11、之间的无缝衔接。其中,为实现融合网络高效互联互通,并打破两者之间的壁垒,迫切需要设计融合资源协调调度方案。实现异构资源的统一调度,并兼顾其高动态性和随机接人特性,最大化资源利用率。本文分析了星地融合网络资源管理的研究进展,基于此总结了星地融合网络资源管理面临的挑战。并针对这些挑战,从移动性管理、异构网络资源分配、空口统一三个关键研究方向总结了现有技术发展、深人分析总结了在这三个研究方向仍面临的挑战,给出了解决策略和未来发展方向。16G星地融合网络研究现状与挑战由于现有卫星网络与地面6 G网络在组网结构、空口协议和移动性管理等方面存在显著差异,导致两者的资源互通性差。因此,针对地面网络和卫星网络
12、资源的不均衡分布现状,函需设计一种能够兼顾地面与卫星网络资源特性的灵活资源管理框架,实现高效的跨网络资源协同调度机制。1.1星地融合网络资源管理研究现状随着用户的海量增长以及场景多样化、设备密集化等形势的出现,且卫星网络所固有的高速移动性挑战,卫星网络现有的信道资源管理、功率资源管理、波束管理等网络无线资源管理方案不能满足下一代通信网络需求3。因此,如何在严格受限的资源框架内设计并实施一套兼顾移动性管理、适应统一空口协议要求的灵活资源分配方案,从而提升整体资源利用率,已成为星地融合网络研究的核心议题之一。信道资源作为网络无线资源的重要部分,设计灵活可扩展的信道分配策略一直以来都是无线通信的研究
13、重点,传统的信道分配策略采取的是固定分配的方式,这种方式对于动态变化的卫星网络而言,信道利用率极低。随着动态信道分配方式的提出,不仅显著减少了用户因资源争用而排队等待通信的频次,而且特别针对卫星网络中用户的高移动性特性,有效提升了通信服务的稳定性和质量。此外,动态信道分配在多波束卫星提高频谱资源利用率和减少信道干扰等方面也具有优秀的表现。近些年来,随着人工智能技术的快速发展,深度强化学习的方式被应用在了信道资源的分配策略中,基于深度强化学习的动态信道分配算法能够显著地降低阻塞概率,提高频谱效率和网络承载流量4。另有Zhang5等,同样采用深度强化学习的方式,但考虑到了LEO卫星的约束能量等问题
14、,提出了新的基于强化学习的节能信道分配方案,大量节省了卫星网络能耗,缓解了卫星网络中信道资源紧张的问题卫星网络由于其信号传输跨越地空距离,因此相较于地面无线通信系统,需要采用更高的发射功率以克服沿传播路径的显著损耗效应。鉴于此,设计并实现一套精密且高效的功率管理策略,在确保卫星通信网络性能优化及资源有效利用方面显得尤为关键和迫切。传统的功率分配算法包括固定功率分配、动态功率分配以及混合功率分配等,但这些算法在功率利用率和功率干扰方面均存在一定问题。而人工智能在解决复杂资源管理问题上具有显著优势,Xul6等比较了五种不同的动态功率分配人工智能算法,尽管五种算法在鲁棒性、最优解、可使用条件等方面存
15、在差异,但其在功率利用率上相比于传统方式都有更优秀的表现。在未来,可以预见的是利用人工智能技术在多域资源的管理设计上都可以给出更优的解决方案1.26G星地融合网络资源管理面临的挑战星地融合网络作为一种集卫星系统和地面通信于一2024年1 月第1 期49移动涵信总第52 1 期亚森江阿布都热合曼,段卓君,刘向南,等:6 G星地融合网络资源管理关键技术第48 卷体的网络,与传统的地面或卫星网络相比,受到不同网络平面中有限和不平衡的网络资源的约束。在星地融合网络中,卫星网络和地面通信系统具有不同的资源特性和需求,卫星系统通常覆盖范围广,但数据传输速率较低;地面网络可以在人口稠密地区提供高容量服务,但
16、在偏远地区无法提供足够的覆盖。6 G星地融合网络资源优化管理面临的核心挑战主要包括:针对卫星和地面网络动态移动特性设计高效灵活的移动性管理策略;实现跨网络多维资源的统筹规划与智能调度,以适应卫星广域覆盖但传输速率受限以及地面网络在城市区域高容量服务与偏远地区覆盖不足之间的差异性需求;此外,还需要研究能够兼容星地两种异构网络环境的统一空口协议,以促进不同网络平台间无缝切换与协同工作,确保整个星地融合网络系统的性能最优化及资源利用效率的最大化。国际标准化组织对新一代星地融合网络提出了全新的通信标准,这对星地融合网络资源管理关键技术提出了更高的要求,例如更灵活的资源调度方案、更有效的业务连续性保障和
17、干扰协调等。6 G星地融合网络架构的设计中需要考虑网络资源部署的灵活性和扩展性,兼容透明转发和星上处理模式,考虑不同的传输条件、不同的传输时延以及链路动态切换等因素,通过网络的柔性适配能力实现星地融合网络的灵活部署、优化和扩展1。且目前的卫星网络在通信协议标准化程度上,相较于高速发展的地面网络仍存在较大差距,还无法与地面网络协调调度多维网络资源,所以需要进一步对卫星网络和地面网络使用的移动性管理及空口协议和标准进行统一和协调,确保星地融合网络资源的高效灵活调度。移动性管理涉及到用户在波束间和卫星间的无缝切换,需要攻克波束间的数据重传机制以及卫星之间的协同性和数据传输的连续性难题。资源管理则需要
18、考虑如何有效利用有限的网络资源,以满足不同服务和应用的需求。此外,针对卫星网络和地面网络使用的通信协议和标准存在差异,且缺乏统一的空口管控标准的问题,呕需研究统一的管控中心和相互兼容的空口协议,设计一种能够协调调度异构网络资源的协议体系,确保通信的顺畅和兼容性。因此,在未来的星地融合网络研究中,需要进一步探索这些关键研究方向,以推动卫星与地面系统的有效集成、协议优化、资源协同管理和分配。26G星地融合网络高动态移动性管理现有地面网络的移动性管理已经发展得较为成熟,能够为在地面高速移动的用户提供稳定的通信保障【8。但针对星地融合网络的高动态特性,需要聚焦用户无缝切换的需求,进一步探索符合融合网络
19、特性的移动性管理技术,确保在扩展网络覆盖范围的同时,优化资源适配,提供稳定、高质量的通信服务,进而充分挖掘和发挥星地融合网络的潜力和优势2.1近地轨道卫星的切换技术LEO卫星凭借着更低的发射成本、更短的信号往返时延和更高的通信质量,相较于中轨卫星和地球同步轨道卫星成为了近年来学术界研究的重点。而低轨卫星物联网也是空天地海一体化网络的重要组成部分,是延伸地面网络的关键9。因此,对于LEO卫星网络的移动性管理研究是星地融合网络的重要挑战之一。用户对网络随机接入、切换的需求同LEO卫星高速运动的特点是移动性管理的主要考量因素。如图2 所示,目前常见的LEO移动性管理的卫星切换策略可分为两种,分别为波
20、束间切换和卫星间切换LEO卫星12LEO卫星LEO卫星1轨迹预测1LEO卫星卫星移动3个11/11111入11111信号强度1信道分配111/11111波束间切换卫星间切换图2波束间切换和卫星间切换(1)波束间切换波束切换是指用户在接收同一颗卫星的服务时,可能会在该卫星提供的不同波束间进行通信链路的变化。对于波束间切换主要是将实现信道的合理分配作为主要目标,例如提供预留信道的方式完成新用户在该波束下的接人,但由于信道资源紧张,该低信道利用率的方式早已不适用。随着LEO卫星互联网的快速发展,高速频繁的切换使卫星的移动性管理需要考虑的因素越来越多,因此设计高性能的多因素决策切换方案也是该领域上的挑
21、战。如Wangl01等在考虑剩余空闲信道之外,还综合考虑了平均接收功率、卫星剩余服务时间、用户偏好等因素,设计的切换模型在星间切换次数和平均信道利用率等方面都优于传统切换方案。此外,由于新无线电(NR,Ne w R a d i o)接人LEO卫星网络,对以往的切换方案提出了更大挑战,例如高切换频率、长通信距离以及同一卫星发射多个高增益波束导致的终端经历的下行链路干扰增加。且考虑2024年1 月第1 期50移动通信总第52 1 期专题面向6 G的星地融合网络技术第48 卷到LEO卫星数量正大幅增长,单一用户将同时位于多个卫星波束覆盖范围内,因此相较于考虑单一卫星波束下的切换,综合考虑多卫星、多波
22、束间的切换问题是6 G星地融合网络移动性管理策略中保障用户通信连续性的研究切人点。(2)卫星间切换随着大规模多输人多输出技术的成熟,将采用信道预编码的多输人多输出(MIMO,M u l t i p l e-In p u t M u l t i p l e-Output)技术应用于LEO卫星通信,使用户波束间切换的问题得到了一定的改善。由Sun12等提出的基于LEO的非地面网络多属性条件切换方案,通过计算终端在卫星的停留时间以及测量参考信号接收功率等信号强度,构建出效用函数选取最佳接收方案。还有将用户和卫星的关系构建成图提出的基于图论的管理框架,根据不同的切换准则配置链路权重,利用最短路径算法计
23、算出最优的卫星接人方案1 3。在未来,卫星的超密集部署将为成为LEO卫星星座的重要特征,只通过接收单一卫星服务造成的频繁星间切换可能会导致卫星资源的浪费,对此可以考虑将多个卫星进行分组,同组卫星下实现用户信息共享来减少切换负担、优化星间切换。例如,Abdelsadek14等则考虑将地面用户终端接入一组卫星中,提出了基于分布式MIMO技术的新型LEO卫星结构。利用人工智能的移动预测,综合考虑网络流量热点分布、流量预测以及切换决策对未来环境的影响等多个因素,实现出基于深度强化学习的智能切换方案将会是未来移动性管理设计的重要方向。2.2面向星地融合网络的移动性管理由于星地融合网络中融合组网的结构,使
24、其在进行移动性管理研究时需要针对网络中卫星和用户的双重移动性进行综合考虑。LEO作为星地融合网络中卫星网络的重要组成部分,因其密集部署和快速移动特性导致的频繁链路切换,对现有的移动性管理机制设计中的通信、存储、计算等网络资源提出了更大挑战。设计更优化的移动性管理方案提高用户切换成功率和减少不必要的网络开销是目前呕待解决的问题。综合学者目前针对星地融合网络提出的卫星移动性管理方案,其研究方向可大致分为两类。首先是对于星地融合网络下的卫星切换决策进行考虑,例如综合考虑卫星仰角、空闲信道数、剩余服务时间等指标,选取合适的目标卫星进行切换以实现对切换成功率、切换开销、切换时延等性能的优化。基于以上考虑
25、,王汝言1 5等提出了基于多目标优化的星间切换决策,在该方案中考虑了多用户和业务切换时的星上传输资源不足的问题,同时对平均数据速率和网络负载目标进行优化处理,降低切换请求次数并提升了切换成功率。此外,将地面通信网向LEO卫星网的业务分流概率等多个影响因素考虑在内,构建多属性动态优化深度学习模型,也是以后优化星地融合网络移动性管理的重要方向1 6。另一个星地融合网络移动性管理的研究方向则是优化星间切换方式,通过减少信令回传次数与网络流量开销来降低卫星切换时延【1 7。例如,如图3所示,通过将网元功能部署到卫星中,构建空中移动网络,避免了切换请求在卫星和地面站之前的发送和回传,可以有效地降低切换过
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- 融合 网络资源 管理 关键技术
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