張 平，許文俊，王鳳玉，牛 凱,3，許曉東

(1.北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100876；2.北京郵電大學(xué) 人工智能學(xué)院，北京 100876；3.鵬城實驗室 寬帶通信研究部，廣東 深圳 518000)

0 引言

第五代移動通信(5G)的部署應(yīng)用開啟了萬物互聯(lián)時代，推動了信息行業(yè)與工業(yè)、農(nóng)業(yè)等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)融合，拉開了新產(chǎn)業(yè)革命的序幕。隨著5G商用的縱深推進(jìn)，美國、日本、韓國等國家以及國際電信聯(lián)盟(ITU)、電氣和電子工程師學(xué)會(IEEE)等組織已經(jīng)開啟針對第六代移動通信(6G)技術(shù)的研究，6G的前瞻布局刻不容緩[1-2]。為了支持網(wǎng)絡(luò)全覆蓋和用戶高速移動，擴(kuò)大當(dāng)前地面網(wǎng)絡(luò)通信范圍的廣度和深度，6G 將涵蓋空天地等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，集成地面和非地面網(wǎng)絡(luò)，以提供空、天、地等全域范圍覆蓋[3]。

空天地一體化網(wǎng)絡(luò)融合了由軌道衛(wèi)星構(gòu)成的天基網(wǎng)絡(luò)，由高空平臺(High Attitude Platforms，HAPs)及無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)等構(gòu)成的空基網(wǎng)絡(luò)，以及由傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)構(gòu)成的地基網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)全范圍無縫覆蓋，為用戶提供泛在通信服務(wù)，是未來6G的核心發(fā)展方向[4]。我國空天地一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展處于起步階段，相繼啟動的“鴻雁”星座、“虹云”工程、“天啟”等衛(wèi)星星座計劃，以及“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”重大項目，為空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)提供了技術(shù)積累、前期驗證和部署試驗。現(xiàn)有工作側(cè)重于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，全域通信技術(shù)尚未實現(xiàn)高效融合與協(xié)同，應(yīng)用場景具有局限性[5]。由于天基、空基、地基網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)的差異性、網(wǎng)絡(luò)資源的異質(zhì)性、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及管理的多樣性等，空天地一體化網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、協(xié)同組網(wǎng)、資源管理等方面面臨巨大挑戰(zhàn)[6]。

因此，本文提出智簡(Intelligence-endogenous and primitive-concise，Intellicise)空天地一體化網(wǎng)絡(luò)，通過智能網(wǎng)元深入挖掘信息/網(wǎng)絡(luò)的基本組織單元(智能本原)，利用語義基(Semantic base，Seb)、網(wǎng)絡(luò)基團(tuán)等智能本原重新組織信息/網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)不同智能網(wǎng)元之間的高效交互以及意圖驅(qū)動的靈巧組網(wǎng)[7]。以軟件定義網(wǎng)絡(luò)為工作基礎(chǔ)，智簡空天地一體化網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)“局域按需智簡、廣域達(dá)意智簡”，有效解決大時空網(wǎng)絡(luò)動態(tài)連接、復(fù)雜路由和異構(gòu)資源分配等挑戰(zhàn)。

1 智簡系統(tǒng)

5G等地基網(wǎng)絡(luò)發(fā)展遵循堆疊處理模式，以復(fù)雜度換取性能增益；6G包括空天地一體化網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點數(shù)、用戶量、數(shù)據(jù)量等指數(shù)級增長，傳統(tǒng)發(fā)展思路下的“大而全”網(wǎng)絡(luò)將面臨高計算、高能耗、高成本、低效率等一系列問題[8]。此外，賦能千行百業(yè)的6G網(wǎng)絡(luò)場景化需求將更加明顯。因此，6G是一個能夠?qū)崟r感知環(huán)境特征、理解用戶需求，及時根據(jù)業(yè)務(wù)態(tài)勢適變調(diào)整的動態(tài)系統(tǒng)，通過自我感知、自主推理、自主重塑信息及網(wǎng)絡(luò)組織，最終實現(xiàn)自身的智慧內(nèi)生、原生簡約，即實現(xiàn)“智簡”[9]。

智簡系統(tǒng)，以人工智能與下一代組網(wǎng)技術(shù)的一體化為基礎(chǔ)[10]，持續(xù)地探究和利用信息及網(wǎng)絡(luò)的智能本原(Seb、網(wǎng)絡(luò)基團(tuán)等)，主動以系統(tǒng)熵減為全局優(yōu)化目標(biāo)，自適應(yīng)地重塑信息系統(tǒng)的核心模型，最終實現(xiàn)自身的智慧內(nèi)生、原生簡約。智簡系統(tǒng)可以感知和推理高層次的智能本原，實現(xiàn)對信息組織、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等全面簡約重塑，達(dá)到網(wǎng)元的高效連接和智能控制，賦能網(wǎng)絡(luò)管理的精簡化和網(wǎng)絡(luò)配置的自動化，能夠全面提升網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率。

如圖 1所示，智簡系統(tǒng)以經(jīng)典信息論、人工智能理論、系統(tǒng)論、復(fù)雜科學(xué)理論等多學(xué)科理論為指導(dǎo)，以本原信息論為理論基礎(chǔ)，以意圖領(lǐng)會、達(dá)意通信為目的，從基礎(chǔ)概率、模糊測度、邏輯推理、系統(tǒng)組織等層面交叉分析信息/網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)結(jié)構(gòu)，洞察發(fā)現(xiàn)和智能構(gòu)建信息/網(wǎng)絡(luò)本原，以整體熵減為優(yōu)化目標(biāo)，重塑通信與網(wǎng)絡(luò)[11]。其中，本原是信息/網(wǎng)絡(luò)的基本組織單元，基于人工智能方法獲取、表達(dá)與組織的本原稱為智能本原；傳統(tǒng)語法信息層面的本原是比特，含義/意圖層面的信息本原為語義基，系統(tǒng)層面的本原為網(wǎng)絡(luò)基團(tuán)。

圖1 智簡系統(tǒng)內(nèi)涵Fig.1 Connotation of intellicise systems

在信息層面，智簡系統(tǒng)通過語義基來連通意圖與比特，高層次的信息本原以底層的比特為基礎(chǔ)，表征信息的語義結(jié)構(gòu)與特征等，構(gòu)成不可分割的整體。智簡系統(tǒng)基于人工智能技術(shù)等精準(zhǔn)地識別與意圖、任務(wù)相關(guān)的關(guān)鍵信息并展開針對性處理，實現(xiàn)通信對象間簡約而充分的面向意圖的信息交互[12]。在信息交互過程中，通信對象利用場景覺知能力和相關(guān)背景知識等，根據(jù)通信意圖提取語義元素，通過傳輸關(guān)鍵的語義元素提高交互效率。

在網(wǎng)絡(luò)層面，基于人工智能以及大數(shù)據(jù)等技術(shù)[13]，智簡系統(tǒng)可以感知和推理高層次的智能本原，從而對網(wǎng)絡(luò)組織、協(xié)議、資源等全面簡約重塑，達(dá)到“節(jié)點極智、鏈路極柔、網(wǎng)絡(luò)極簡”，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的全面提升。智簡系統(tǒng)通過智慧節(jié)點實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)本原的發(fā)掘、處理和利用，通過智能決策、簡約重塑等構(gòu)建柔性簡約的通信鏈路以及按需有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而精煉網(wǎng)絡(luò)組織與管理，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源利用的效率提升和用戶業(yè)務(wù)的靈活服務(wù)。

2 智簡空天地一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

空天地一體化網(wǎng)絡(luò)由于跨域、跨介質(zhì)、多層級建設(shè)，面臨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連、拓?fù)涓叨葎討B(tài)、通信環(huán)境迥異、時延方差大及處理能力不平衡等諸多挑戰(zhàn)[14]。智簡空天地一體化網(wǎng)絡(luò)通過人工智能技術(shù)與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的深度融合，針對通信信源、通信信道、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)鏈路、網(wǎng)絡(luò)整體等進(jìn)行智能本原的統(tǒng)一發(fā)掘、利用和處理，賦能網(wǎng)絡(luò)根據(jù)部署環(huán)境、通信意圖等自適應(yīng)調(diào)整信息及網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)“節(jié)點極智、鏈路極柔、網(wǎng)絡(luò)極簡”，有效克服空天地一體化網(wǎng)絡(luò)因環(huán)境復(fù)雜、業(yè)務(wù)多樣、節(jié)點異構(gòu)等導(dǎo)致的諸多挑戰(zhàn)。

智簡空天地一體化網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。軟件定義網(wǎng)絡(luò)作為智簡網(wǎng)絡(luò)的底層支持，可以提供網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、環(huán)境及用戶等多域數(shù)據(jù)[13]，為智簡網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)、決策、智慧累積等提供數(shù)據(jù)支撐。智簡網(wǎng)絡(luò)利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)提供的全局視圖，可以分析與指導(dǎo)實體網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)的調(diào)整與簡約，以解決動態(tài)連接、復(fù)雜路由和高維資源分配等問題。得益于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的支撐，智簡空天地一體化網(wǎng)絡(luò)具備“局域按需智簡、廣域達(dá)意智簡”能力。

圖2 智簡空天地一體化網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Intellicise air-space-ground integrated networks

局域按需智簡空天地一體化網(wǎng)絡(luò)將面向千行百業(yè)，為用戶提供無處不在的多樣化服務(wù)。由于不同時空網(wǎng)絡(luò)在接入設(shè)備、通信環(huán)境、業(yè)務(wù)需求等方面的大差異性，各局域網(wǎng)絡(luò)場景化需求將更加明顯[15]。智簡空天地一體化網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)用戶需求，按需有序地構(gòu)建極簡網(wǎng)絡(luò)，避免“大而全”網(wǎng)絡(luò)帶來的結(jié)構(gòu)冗余及資源浪費等問題，達(dá)到局域按需智簡。此外，智簡空天地一體化網(wǎng)絡(luò)還能夠綜合考慮通信需求與周圍環(huán)境，構(gòu)建局域柔性鏈路以應(yīng)對拓?fù)涓叨葎討B(tài)、通信環(huán)境迥異等多層面挑戰(zhàn)。

廣域達(dá)意智簡空天地一體化網(wǎng)絡(luò)需要實現(xiàn)空基、天基、地基間互聯(lián)互通，高度異構(gòu)的大時空網(wǎng)絡(luò)組成將導(dǎo)致極大的協(xié)議間轉(zhuǎn)換開銷，造成資源浪費和效率降低。智簡空天地一體化網(wǎng)絡(luò)充分利用語義互通性、語義魯棒性以及高壓縮比等特性，通過挖掘、理解和分解用戶意圖，將意圖相關(guān)元素通過語義有機(jī)表達(dá)，分解并轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、路由、移動性等方面的具體部署、配置、管控策略，完整而敏捷地貫徹實施網(wǎng)絡(luò)意圖，從而賦能不同異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間低協(xié)議轉(zhuǎn)換開銷的高效互通，確保“廣域達(dá)意智簡”。

“十四五”規(guī)劃和2035遠(yuǎn)景目標(biāo)強(qiáng)調(diào)，我國要建設(shè)成為網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國，重點發(fā)展新一代移動通信和下一代互聯(lián)網(wǎng)等?？仗斓匾惑w化網(wǎng)絡(luò)有機(jī)融合衛(wèi)星、無人機(jī)、地面網(wǎng)絡(luò)等，是6G的重要組成部分，面臨資源、節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)帶來的多層面挑戰(zhàn)。智簡空天地一體化網(wǎng)絡(luò)可以通過智能學(xué)習(xí)、本原解析、智慧累積、智簡決策、簡約重塑等，達(dá)到“節(jié)點極智、鏈路極柔、網(wǎng)絡(luò)極簡”的理想網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，高效地協(xié)同、聚合不同網(wǎng)域資源，保證大差異網(wǎng)絡(luò)協(xié)同滿足千行百業(yè)應(yīng)用需求，實現(xiàn)從軟件定義網(wǎng)絡(luò)到智簡網(wǎng)絡(luò)的范式跨越。

3 結(jié)束語

習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國的戰(zhàn)略部署要與“兩個一百年”奮斗目標(biāo)同步推進(jìn)。空天地一體化網(wǎng)絡(luò)作為6G移動通信的標(biāo)志性特征，已成為學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界共識。我國移動通信科學(xué)研究及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但“地強(qiáng)天弱”的問題依然存在。隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的興起，圍繞新空間的開發(fā)利用權(quán)和主導(dǎo)權(quán)爭奪將愈發(fā)激烈，成為大國之間的博弈前沿。我國空天地一體化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展處于起步階段，智簡空天地一體化網(wǎng)絡(luò)通過發(fā)掘和利用信息/網(wǎng)絡(luò)的智能本原，高效協(xié)同空基、天基、地基網(wǎng)絡(luò)元素，實現(xiàn)全域通信與網(wǎng)絡(luò)隨場景特征、業(yè)務(wù)需求等變化柔性重塑；智簡空天地一體化網(wǎng)絡(luò)有望通過范式跨越，突破國際傳統(tǒng)生態(tài)壟斷局勢，打破先發(fā)國家的技術(shù)壓制，賦能未來移動通信的長期可持續(xù)發(fā)展。