摘 要：隨著接入需求的增加以及網(wǎng)絡規(guī)模的擴大，需要在６Ｇ 網(wǎng)絡將通信、感知和計算３ 類技術融為一體，共同促進整體系統(tǒng)性能的提升，并利用數(shù)字孿生技術增強系統(tǒng)的實時維護和建模能力。分析了５Ｇ 的局限性，研究了通感算融合技術在空天地一體化網(wǎng)絡中的應用，以及數(shù)字孿生技術在構建未來“數(shù)字孿生、智慧泛在”世界時發(fā)揮的功能。提出了一種基于通感算融合技術的數(shù)字孿生網(wǎng)絡實現(xiàn)方案，將空天地一體化網(wǎng)絡映射至數(shù)字世界，實現(xiàn)反作用于物理世界，并展望了６Ｇ 在通感算深度融合、全域覆蓋方面的需求與優(yōu)勢，以期達到“一念天地，萬物隨心”的愿景。

關鍵詞：通感算融合；空天地一體化；數(shù)字孿生；６Ｇ

中圖分類號：ＴＮ９１９． ２３ 文獻標志碼：Ａ 開放科學（資源服務）標識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１１４（２０２４）０６－１０５７－１０

０ 引言

隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的深入發(fā)展，移動通信技術作為新一代信息技術的代表，正在逐漸滲透到經(jīng)濟社會發(fā)展的各個領域。如今移動通信技術已經(jīng)進入Ｂ５Ｇ 時代，逐步實現(xiàn)了萬物互聯(lián)的世界，對社會生活諸多方面產(chǎn)生了深遠影響［１］。同時，需要認識到５Ｇ 并未完全達到預期，目前應用還相對單一，主要集中于消費者層面，而非初始預期的在垂直行業(yè)獲得更加活躍和廣泛的應用，其中部分指標未能達到相關垂直行業(yè)的應用要求，如通信延遲。因此，依然需要６Ｇ 的進一步發(fā)展，以滿足當前垂直行業(yè)的需求。基于以上需求，６Ｇ 將為人、物提供更好的連接，推動人聯(lián)、物聯(lián)向智聯(lián)轉變，開啟萬物智聯(lián)的社會，６Ｇ 將是通感算智深度融合、空天地一體全域覆蓋的新一代移動信息網(wǎng)絡。

隨著用戶數(shù)量的增長以及業(yè)務類型的多樣化，無線網(wǎng)絡正向更廣泛的空間維度和增強的功能性發(fā)展，地面網(wǎng)絡的有限覆蓋和容量已經(jīng)無法滿足日益增長的需求，空天地一體化網(wǎng)絡被認為是為新興服務提供無縫全球連接的有效解決方案［２］，利用太空中的衛(wèi)星、高空的無人機，整合地面已有的移動網(wǎng)絡，最終建立一個強大、適應性強和性能高的集成網(wǎng)絡架構。

當前，５Ｇ 網(wǎng)絡引入增強的移動寬帶通信、云計算和邊緣計算等新型技術［３］，但環(huán)境感知能力有限［４］，在此背景下，研究如何集成感知、計算和通信以提高６Ｇ 無線網(wǎng)絡中有限系統(tǒng)資源的利用率變得尤為重要。通信、感知、計算的融合將對整個系統(tǒng)的效率產(chǎn)生巨大的提升，其中各個要素也會相互促進［５］，因此，將通感算融合技術應用到空天地一體化網(wǎng)絡中，將進一步增強網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和效率，并擴寬應用范圍。

此外，６Ｇ 的愿景是構建一個“數(shù)字孿生、智慧泛在”的未來世界，數(shù)字孿生通過整合多維、多尺度、多學科和多物理參數(shù)，建立動態(tài)虛擬模型，模擬和描述物理實體在真實環(huán)境中的屬性、行為和規(guī)則［６－７］，將現(xiàn)實世界和整個網(wǎng)絡都映射到虛擬世界中。數(shù)字孿生模型反映物理實體的性能、操作、環(huán)境、幾何形狀和狀態(tài)［８］，可以反作用于物理世界、降低網(wǎng)絡運維成本，獲取關于整個網(wǎng)絡的實時信息。本文主要介紹利用通感算融合的技術實現(xiàn)數(shù)字孿生網(wǎng)絡，將空天地一體化網(wǎng)絡孿生到數(shù)字世界，并反作用于物理世界，真正實現(xiàn)“一念天地，萬物隨心”。

１ 通信－感知－計算融合

１． １ 研究背景和需求分析

６Ｇ 的場景在５Ｇ 的基礎之上進行了擴展，將３ 個方向擴展為６ 個角，如圖１ 所示，匯聚當前全球關于６Ｇ 的共識，描述了６Ｇ 的目標和趨勢，提出了典型的應用場景和相應能力指標體系。通感一體化和人工智能作為其中的重要部分，將在６Ｇ 中發(fā)揮巨大的作用。如今各種交通運輸場景，如無人駕駛汽車、無人機低空經(jīng)濟，不僅需要精確的定位服務、對環(huán)境的精確感知，還需要以極低的時延對感知到的數(shù)據(jù)進行傳輸和計算，再將計算結果返回各個終端或者在本地完成計算，最終完成一系列業(yè)務。使用獨立的雷達基礎設施可能會帶來效率低下和浪費的問題，因此依靠無處不在的基站、衛(wèi)星以及天基網(wǎng)絡，在其中部署雷達感知系統(tǒng)，實現(xiàn)感知集成，極大提高了監(jiān)測定位精度和速度，且成本降低；同時依靠邊緣部署的計算中心，可以有效降低網(wǎng)絡通信時延，多個網(wǎng)元聯(lián)合信息計算也可以降低計算消耗。

６Ｇ 愿景的實現(xiàn)，需要從信息的采集、傳遞、處理等多個環(huán)節(jié)端到端設計。在數(shù)學、物理、材料、生物等多類基礎學科的創(chuàng)新驅動以及先進信息技術的支撐下，實現(xiàn)通信、感知、計算的深度耦合。集成感知和通信已經(jīng)在學術和工業(yè)界引起了廣泛關注［９］，研究方向包括感知輔助的通信系統(tǒng)、通信輔助的感知系統(tǒng)以及聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)。無論是在理論基礎還是網(wǎng)絡架構上，通信、感知和計算都具有較大的差異性，如何將三者結合起來，使網(wǎng)絡中各個節(jié)點同時具備感知、計算和通信的功能，統(tǒng)一協(xié)調(diào)，聯(lián)合為６Ｇ 賦能，將是一個巨大的系統(tǒng)級工程。６Ｇ 通感算融合功能如圖２ 所示。

１． ２ ６Ｇ 通感算深度融合典型特征

６Ｇ 通感算融合的典型特征具體表現(xiàn)３ 個方面［１０］：要素協(xié)同、頻率擴展、網(wǎng)絡化協(xié)作。

１． ２． １ 要素協(xié)同

多個要素深層次協(xié)同融合，實現(xiàn)感知維度的擴展、通信效率的提升、算力的泛在化。通信和感知作為數(shù)字化基石，通過多維度信息的獲取與匯聚，為６Ｇ 網(wǎng)絡智能化提供豐富的數(shù)據(jù)源，即通過通感一體化獲得更多維度數(shù)據(jù)。

泛在的算力作為數(shù)字化轉型的底座，通過數(shù)據(jù)源的深層次含義挖掘，決定６Ｇ 網(wǎng)絡智能化發(fā)展的水平，作為基礎的支撐能力。算力的大小決定了６Ｇ網(wǎng)絡化、智能化前進的腳步和距離，在當下國際形勢和科技發(fā)展水平下，算力及其物理實體ＧＰＵ 顯得尤為關鍵。

（１）通算融合提升感知的維度與深度

通信功能支撐感知信息更好地交互與匯聚，利用無處不在的基站、衛(wèi)星以及空基網(wǎng)絡，甚至可以實現(xiàn)全球感知數(shù)據(jù)的傳輸，用邊緣部署的計算節(jié)點或者本地節(jié)點，實時共享的算力可以支撐多樣化感知數(shù)據(jù)的融合處理，“通”“算”相互結合拓展了感知的維度和深度。感知維度擴展如圖３ 所示。

此外，通信和計算分開進行將會大大提高系統(tǒng)的整體時延，也提高了對通信的帶寬的要求。因此需要將通信和計算同步進行，文獻［１１］研究了在多址信道中利用波形技術減輕計算單元消耗的空中計算方法。除了通信和感知計算融合促進感知能力，通信和計算之間也存在相互增益。比如，利用通信輔助計算，可以充分利用多個節(jié)點的分布式計算資源，將一個大型計算任務分解傳輸?shù)骄W(wǎng)絡中的各個計算節(jié)點，從而提高了計算的速率，降低時延和計算的成本，文獻［１２］提出了利用本地計算和結合資源卸載的聯(lián)合計算方法；此外計算也可以輔助通信，對于通信過程中出現(xiàn)的信號處理或者資源分配問題，利用人工智能等技術可以顯著提升通信的效率。

（２）感算融合提升通信性能

感知和計算功能都將是６Ｇ 技術中不可或缺的部分，感知可以喻為人類的感官系統(tǒng)，通過視覺、電磁波方式等對環(huán)境進行檢測。大量數(shù)據(jù)通過計算系統(tǒng)這個“大腦”進行分析和決策，實現(xiàn)對系統(tǒng)的精準控制。

此外，網(wǎng)絡設備通過感知獲取豐富的環(huán)境信息，包括雨衰、氣候、遮擋和多徑效應等，并借助網(wǎng)絡算力完成環(huán)境重構、信道估計等過程，使網(wǎng)絡對移動通信環(huán)境有一定的先驗認識，為全局優(yōu)化傳輸、提升通信整體性能提供重要的支撐，如圖４ 所示，展現(xiàn)了感算一體化下通信增強流程。尤其是與空天地一體化相結合時，通過衛(wèi)星和空基網(wǎng)絡，可以獲得更加全面和詳細的環(huán)境信息，對于數(shù)字化的世界構建也至關重要。感算一體化在現(xiàn)實也應用廣泛，在智能制造領域可以利用傳感器等感知元件對車間環(huán)境進行感知，再通過計算節(jié)點進行決策判斷，從而提高生產(chǎn)效率。

（３）通感融合提升計算能力與效率

感知獲取的豐富數(shù)據(jù)為智能化算法提供多維數(shù)據(jù)集，而通信是實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚的基礎支撐。通感融合為算力資源的快速調(diào)度提供先驗信息，促進網(wǎng)絡具備泛在計算能力。通感一體化是實現(xiàn)通感算融合的關鍵部分，從頻譜的共享到波形的共享再到硬件的共享，每一部分都引發(fā)了諸多學者的研究，也是被正式列入６Ｇ 標準化的一項技術，因此如何實現(xiàn)高效率的通感一體化，將是未來的研究重點。通感融合促進算力泛在化如圖５ 所示。

１． ２． ２ 頻率擴展

６Ｇ 將低、中、高多頻譜協(xié)調(diào)，通過多頻段的動態(tài)協(xié)作可以獲取通信、感知維度上豐富的粗粒度和細粒度的信息；憑借強大的算力，可為用戶提供高速率、高質量通信服務的同時，實現(xiàn)宏觀廣覆蓋探測與微觀重點感知相互補充與增強的目標。

在多頻點協(xié)作網(wǎng)絡中，低頻段可主要用于粗顆粒度、廣域范圍的信息探測以及連續(xù)覆蓋，提供粗感知信息和初步的通信可靠性保障；高頻段基于低頻的控制信息按需開啟，快速為個性化業(yè)務提供高精度感知能力以及寬帶高速率通信服務。

１． ２． ３ 網(wǎng)絡化協(xié)作

利用移動通信網(wǎng)絡中大量部署的通感算融合節(jié)點進行協(xié)作，可進一步擴大感知范圍、實現(xiàn)連續(xù)覆蓋，并可利用快速的聯(lián)合處理實現(xiàn)及時的感知精度提升。

１． ３ 通感算一體化網(wǎng)絡架構

通感算融合網(wǎng)絡架構可以對各類通信、雷達感知、人工智能計算以及相應的服務進行支撐，充分協(xié)調(diào)各個網(wǎng)絡節(jié)點以及軟硬件平臺資源，實現(xiàn)資源、應用、服務和功能之間的有效互助。網(wǎng)絡架構如圖６所示，可以分為３ 層：資源層提供通信感知計算所用的各種軟硬件資源；能力層對接上下兩層，作為接口，利用資源層提供的各類資源，為上層應用提供給各類基礎性的功能模塊；應用層則利用下一層的功能模塊，實現(xiàn)各類服務應用。三者融合，可以實現(xiàn)沉浸式的、泛在化６Ｇ 網(wǎng)絡。

２ 通感算融合輔助的數(shù)字孿生網(wǎng)絡

２． １ 數(shù)字孿生研究背景

數(shù)字孿生是物理實體在虛擬世界中的動態(tài)、數(shù)據(jù)驅動的表示，通過物理和虛擬領域之間的信息交換不斷更新。這種技術不僅包括物理實體的模擬模型，還結合了實體的歷史數(shù)據(jù)和實時操作數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對物理系統(tǒng)的預測分析和優(yōu)化。

數(shù)字孿生概念最早出現(xiàn)于１９６９ 年阿波羅項目中，通過構建信息物理系統(tǒng)的虛擬模型，并實現(xiàn)它們之間的雙向數(shù)據(jù)交換來提供實時數(shù)據(jù)和仿真［１３－１４］。自美國國家航空航天局和美國空軍研究實驗室分別在２０１０ 年和２０１１ 年提出將數(shù)字孿生用于未來衛(wèi)星航天器的設計和改進以來，數(shù)字孿生已被廣泛應用于航空航天產(chǎn)品的設計、組裝制造、運行和整體系統(tǒng)控制。近年來，數(shù)字孿生被視為在衛(wèi)星建模、網(wǎng)絡仿真和路由優(yōu)化中有前景的技術，這是因為實時數(shù)據(jù)流使得任何新配置或算法都能夠在虛擬空間中得到很好的評估，而性能改進或惡化可以進行預測，從而大大提高了編排效率［１５］。

數(shù)字孿生模型通過整合與物理實體完整生命周期相關的各種數(shù)據(jù)來重建物理實體，因此數(shù)字孿生模型可以反映物理實體的性能、操作、環(huán)境、幾何形狀和狀態(tài)，雖然準確的模型可以有效地表示實體的原理和組件，但諸如實時通信技術、可靠的數(shù)據(jù)分析和大數(shù)據(jù)存儲等各種挑戰(zhàn)阻礙了這些模型的構建，如何尋求可靠的通信方式以及環(huán)境感知系統(tǒng)，將是實現(xiàn)數(shù)字孿生的關鍵問題。

２． ２ 孿生網(wǎng)絡多維框架

２． ２． １ 五維數(shù)字孿生框架

自從數(shù)字孿生的概念提出以來，學者們從不同的角度研究了其架構。一個三維數(shù)字孿生架構包括物理實體、虛擬實體和交互模塊［１６－１７］。在建模過程中，應首先考慮物理實體、虛擬實體及其交互。模型與用戶的交互也應該包括在內(nèi)，因為用戶或與用戶相關的信息要么有助于模型的操作，要么有助于其優(yōu)化。用戶是數(shù)字孿生模型的關鍵元素，而數(shù)據(jù)也必須被視為驅動因素。文獻［１８］提出了一種新型的五維模型框架，包括物理實體、虛擬實體、服務模塊、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)模塊和連接模塊。數(shù)字孿生模型框架如圖７ 所示。

２． ２． ２ 框架內(nèi)涵

（１）物理實體

物理實體是整個數(shù)字孿生網(wǎng)絡的基礎模塊，對物理實體的準確把握是建立數(shù)字孿生網(wǎng)絡的前提。在通感算融合的空天地一體化網(wǎng)絡中，諸如衛(wèi)星、電離層、大氣、地面建筑、運動物體分布等都可以視為物理實體。數(shù)字孿生網(wǎng)絡通過對物理實體的運動和構成規(guī)律進行建模，從而對整個網(wǎng)絡的運轉進行分析、仿真和預測。

（２）虛擬實體

虛擬實體作為現(xiàn)實世界中物理信息在數(shù)字維度的精確、詳盡、客觀反映，扮演著數(shù)字孿生實體數(shù)據(jù)的基石角色。它綜合了幾何、物理、行為和規(guī)則４ 個關鍵模型，全方位地從不同的時間和空間尺度對虛擬實體進行細致刻畫。

幾何模型專注于呈現(xiàn)物理實體中所涉及實體的三維形態(tài)，例如地表特征和人造結構的尺寸和位置，確保與實體在時間和空間上的一致性。物理模型在幾何模型的基礎上進一步揭示了物理實體的屬性和特性，利用數(shù)字仿真技術對實體的結構和電磁場進行深入分析，實現(xiàn)對物理實體行為的精確模擬。

行為模型則著眼于物理實體在多變外部環(huán)境下的響應，諸如空間分布和時間演進中的實體變化。這些變化可以通過先進的技術如神經(jīng)網(wǎng)絡、混沌理論、貝葉斯方法等來捕捉和表達。規(guī)則模型則涵蓋了無線通信領域的行業(yè)標準、規(guī)范以及從歷史數(shù)據(jù)中提煉出的規(guī)律，或是通過機器學習和深度學習算法發(fā)現(xiàn)的新規(guī)則，這些規(guī)則能夠自我學習和實時評估，以預測實體特性和質量。

通過這些模型的整合，可以構建一個與實際物理實體高度一致的虛擬實體。利用虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實等技術，可以將虛擬實體以超現(xiàn)實的形式呈現(xiàn)，提供從視覺到觸覺的沉浸式體驗，從而在視覺上增強虛擬實體及其影響的直觀感知。

（３）數(shù)字孿生數(shù)據(jù)

數(shù)字孿生的核心動力源自孿生數(shù)據(jù)，確保了虛擬與物理實體的精確融合，并提供了全面的數(shù)據(jù)支持。這些數(shù)據(jù)被細分為實體數(shù)據(jù)、虛擬實體數(shù)據(jù)、服務應用數(shù)據(jù)、實體知識庫以及衍生數(shù)據(jù)多個類別。

物理實體數(shù)據(jù)涵蓋了通過地面、海洋和空中傳感器網(wǎng)絡收集的實體特性和外部干擾參數(shù)。而虛擬實體數(shù)據(jù)則涉及通信實體的幾何和物理模型，包括尺寸、位置、結構、電磁場分布，以及行為模型中的空間和時間變化。此外，還包括基于模型的仿真、評估和預測數(shù)據(jù)。

服務應用數(shù)據(jù)囊括了設計驗證、生產(chǎn)制造、測試驗證和運維管理等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)。實體知識庫則包含了現(xiàn)行和預期的行業(yè)規(guī)范，如實體模型集和專家經(jīng)驗。通過對這些數(shù)據(jù)進行轉換、分類和融合，能夠生成衍生數(shù)據(jù)。衍生數(shù)據(jù)結合實時的實體數(shù)據(jù)、歷史和標準數(shù)據(jù)，提供了一個多時空、多尺度的實體數(shù)據(jù)融合視圖，更真實地映射了通信環(huán)境中的實體特性，促進了實體信息的共享和應用。

（４）服務模塊

應用服務在數(shù)字孿生信道中扮演著實現(xiàn)其功能的關鍵角色，它們提供覆蓋用戶全生命周期的定制化解決方案，這些服務覆蓋設計、研發(fā)、測試、運維等多個階段。

設計論證服務：面向通信系統(tǒng)開發(fā)團隊，提供通信場景構建、信道預測和態(tài)勢變化分析，輔助評估Ｂ５Ｇ 和６Ｇ 系統(tǒng)的整體性能。

研制生產(chǎn)服務：針對研發(fā)人員，包括信道效應、系統(tǒng)性能評估以及研發(fā)流程的優(yōu)化，以提升開發(fā)效率。

測試驗證服務：面向測試工程師，提供信道特性識別、環(huán)境模擬和通信性能的迭代優(yōu)化。

運維管理服務：為運維團隊提供信道惡化預警和部署決策支持，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

這些服務為Ｂ５Ｇ 和６Ｇ 通信系統(tǒng)從概念驗證到長期維護的各個階段提供了堅實的支持和決策參考。

（５）連接模塊

互聯(lián)性是確保物理實體、虛擬實體、孿生數(shù)據(jù)和服務模塊之間無縫協(xié)作的關鍵。Ｃ＿ＰＶ 負責物理與虛擬實體之間的數(shù)據(jù)交換，將傳感器收集的實體數(shù)據(jù)發(fā)送至虛擬實體以刷新模型，同時虛擬實體的仿真輸出又指導物理實體傳感器的配置。Ｃ＿ＰＳ 促進物理實體與服務之間的協(xié)同，利用實時數(shù)據(jù)優(yōu)化服務，使操作人員能夠根據(jù)服務分析結果調(diào)整物理實體傳感器網(wǎng)絡。Ｃ＿ＶＳ 允許虛擬實體的數(shù)據(jù)和模型以服務形式滿足用戶需求，同時收集用戶反饋以優(yōu)化虛擬實體。Ｃ＿ＰＤ 連接物理實體和孿生數(shù)據(jù)，確保傳感器數(shù)據(jù)的雙向流動，從物理實體到孿生數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)反饋到物理實體。Ｃ＿ＳＤ 則將服務數(shù)據(jù)與孿生數(shù)據(jù)同步，通過數(shù)據(jù)庫接口實現(xiàn)服務數(shù)據(jù)的存儲和檢索，提供包括實體模型和歷史數(shù)據(jù)在內(nèi)的服務。Ｃ＿ＶＤ 完成虛擬實體與孿生數(shù)據(jù)的互動，將仿真結果存儲并使用孿生數(shù)據(jù)支持虛擬實體的持續(xù)仿真。這些連接確保了跨平臺的信息流動和功能整合，為Ｂ５Ｇ 和６Ｇ 通信系統(tǒng)的全周期管理提供了支持。

２． ３ 通感算融合輔助的數(shù)字孿生網(wǎng)絡

利用通感算一體化輔助數(shù)字孿生網(wǎng)絡的實現(xiàn)，可以分為感知輔助層、通信輔助層、計算輔助層。

２． ３． １ 感知輔助層的設計實現(xiàn)

數(shù)字孿生網(wǎng)絡的實現(xiàn)需要對現(xiàn)實世界高精度感知，通感算一體化網(wǎng)絡中的感知部分，利用傳統(tǒng)的感知設備諸如普通雷達、激光雷達等對世界進行感知。此外，可以融合傳感器和計算機視覺感知設備，擴展感知范圍，形成廣義的感知融合，不僅是電波感知，而是實現(xiàn)更高級的數(shù)據(jù)采集和環(huán)境感知能力。

① 雷達感知輔助：利用通感算一體化感知波形來對環(huán)境進行探測，可以獲得高精度定位追蹤信息，實現(xiàn)高精度同步成像和地圖構建等，可以應用于路況成像、倉庫機器人自動化和作物監(jiān)測等。

② 多模態(tài)傳感器集成：設計一個包含多種傳感器（如溫度、壓力、振動、聲音和圖像傳感器）的系統(tǒng)，每種傳感器捕獲不同類型的數(shù)據(jù)，確保對物理對象的全方位監(jiān)測。

③ 數(shù)據(jù)采集策略：根據(jù)應用需求和傳感器特性，設計數(shù)據(jù)采集的頻率和精度，如在高速運轉的機器中采用高頻率的振動傳感器和視覺傳感器來捕捉關鍵動態(tài)。

２． ３． ２ 通信輔助層的設計實現(xiàn)

數(shù)字孿生網(wǎng)絡的通信層主要負責在傳感器、計算節(jié)點和最終的數(shù)字孿生模型之間傳輸數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的實時性和完整性，使數(shù)字孿生模型能夠準確反映物理對象的當前狀態(tài)。

① 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議：選擇合適的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是關鍵部分，如ＭＱＴＴ、ＣｏＡＰ 等輕量級通信協(xié)議，它們適用于帶寬有限和節(jié)點能耗需要最小化的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。

② 網(wǎng)絡拓撲設計：設計適合的網(wǎng)絡結構，如星形、網(wǎng)狀或樹形拓撲，以支持大規(guī)模傳感器數(shù)據(jù)的有效聚合和傳輸。

③ 數(shù)據(jù)安全與隱私：實施端到端的加密和安全認證機制，保證傳輸過程中的數(shù)據(jù)不被竊取或者篡改，以確保數(shù)據(jù)隱私安全性。

④ 帶寬和延遲優(yōu)化：優(yōu)化網(wǎng)絡配置，如通過邊緣計算技術進行數(shù)據(jù)的初步處理和壓縮，減少需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，降低網(wǎng)絡延遲，提高響應速度。

２． ３． ３ 計算輔助層的設計實現(xiàn)

收集到的數(shù)據(jù)需要進行實時快速的計算處理，用于數(shù)字孿生模型的構建和更新。

① 數(shù)據(jù)預處理：包括數(shù)據(jù)清洗、缺失值處理、異常值檢測等，確保數(shù)據(jù)質量。

② 特征檢測提?。焊鶕?jù)具體的應用場景，從原始數(shù)據(jù)中提取有用的特征。

③ 人工智能輔助分析：應用機器學習和深度學習模型來分析數(shù)據(jù)，從中識別特征趨勢，這些特征趨勢可以用來更新預測數(shù)字孿生模型。

通過通感算一體化技術，數(shù)字孿生模型能夠更精確地映射物理實體的狀態(tài)，優(yōu)化資源配置和運營效率。

３ 通感算融合的空天地一體化數(shù)字孿生網(wǎng)絡

３． １ 空天地一體化網(wǎng)絡

當前，對任何時間、地點都能實現(xiàn)的高速且可靠的網(wǎng)絡接入需求日益增長，而地面網(wǎng)絡覆蓋和容量的局限性表明，僅依賴地面網(wǎng)絡接入已無法滿足需求。這一問題進一步加劇了網(wǎng)絡接入節(jié)點的擴展和業(yè)務需求的變化，空天地一體化在學術和工業(yè)界引發(fā)了廣泛關注。從Ｒｅｌｅａｓｅ １５ 開始，第三代合作伙伴計劃開始研究非地面網(wǎng)絡，旨在開發(fā)標準和協(xié)議，使衛(wèi)星通信與地面５Ｇ 網(wǎng)絡集成。這種集成可以改善網(wǎng)絡覆蓋和容量，特別是在缺乏基礎設施的地區(qū)，并支持提供關鍵服務，如災難響應和緊急通信。此外，高空平臺，如無人機和氣球，由于各種優(yōu)勢，被認為是實現(xiàn)全覆蓋無線智能通信的可行方案［１９］。這些特性包括在高海拔地區(qū)提供廣泛覆蓋、按需部署以及快速響應的能力。空天地一體化網(wǎng)絡旨在實現(xiàn)地面、衛(wèi)星和高空平臺網(wǎng)絡的系統(tǒng)級集成，以便統(tǒng)一管理和調(diào)度資源，本節(jié)提出一種高、中、低軌衛(wèi)星分層分布的空天地一體化衛(wèi)星網(wǎng)絡，如圖８ 所示。網(wǎng)絡可以對高、中、低衛(wèi)星進行分層，每一層衛(wèi)星的任務可以不同，同時結合軟件定義網(wǎng)絡技術，將高軌衛(wèi)星作為控制器，低軌衛(wèi)星作為轉發(fā)器，可以大大提高衛(wèi)星信息傳輸?shù)乃俣?、降低時延，且可以降低衛(wèi)星網(wǎng)絡的硬件成本和網(wǎng)絡靈活性。

３． ２ 融合網(wǎng)絡架構

數(shù)字孿生網(wǎng)絡需要依靠于各種感知和計算系統(tǒng)，也需要強大的通信能力來輔助，因此通感算融合技術是實現(xiàn)數(shù)字孿生網(wǎng)絡的有效途徑，結合空天地一體化網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)全覆蓋、精確感知、高效計算通信的數(shù)字孿生網(wǎng)絡，如圖９ 所示。

圖９ 由三部分組成，地面網(wǎng)絡的基礎設施由各種類型的基站組成，包括微小區(qū)和宏小區(qū)，都是作為接入節(jié)點；高空平臺的基礎設施包括各種無人機或氣球作為接入節(jié)點，回程鏈接可以通過直接傳輸或與其他飛機的多跳連接建立以接入到地面；衛(wèi)星的基礎設施由位于不同軌道的衛(wèi)星組成，如低地球軌道和地球靜止軌道作為接入節(jié)點，通過連接到地球站實現(xiàn)回程鏈接。所有接入節(jié)點都能提供通信和感知功能，相應的基礎設施上部署了邊緣計算服務器，以提供低延遲的計算服務。利用通感算融合網(wǎng)絡中的感知系統(tǒng)，結合遙感衛(wèi)星、地面?zhèn)鞲衅?，將整個空天地一體化網(wǎng)絡孿生到數(shù)字世界。

３． ３ 網(wǎng)絡功能

３． ３． １ 網(wǎng)絡運維管控

以衛(wèi)星網(wǎng)絡為例，衛(wèi)星網(wǎng)絡由于距離地面極遠，管理困難，因此具備代表性。數(shù)字孿生技術在衛(wèi)星網(wǎng)絡的運維管理中發(fā)揮著多方面作用。首先，它通過結合實時衛(wèi)星監(jiān)控數(shù)據(jù)和虛擬模型，提供了一個全面的網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)控視圖，這包括對衛(wèi)星網(wǎng)絡的物理屬性如節(jié)點、星座和空間環(huán)境，以及網(wǎng)絡層面的流量、拓撲結構和安全性的可視化管理。其次，數(shù)字孿生支持網(wǎng)絡運維管控，利用與實際衛(wèi)星網(wǎng)絡同步的虛擬模型來分析性能，并運用軟件定義網(wǎng)絡和網(wǎng)絡功能虛擬化等技術對網(wǎng)絡行為和資源進行精確控制，以提升運維效率并快速響應，包括衛(wèi)星網(wǎng)絡的安全防護、配置更新和緊急部署等。此外，數(shù)字孿生技術通過實時仿真，對網(wǎng)絡行為和潛在故障進行預測和預警，從而增強了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和可靠性。最后，它在網(wǎng)絡設計的仿真方面也起到了關鍵作用，通過模擬衛(wèi)星軌道、星座布局、網(wǎng)絡拓撲、路由和協(xié)議設計，結合持續(xù)更新的模型和數(shù)據(jù)，確保了仿真的準確性，不僅驗證了設計方案的可行性，還對設計進行了優(yōu)化，提升了整體網(wǎng)絡設計的質量和效率。

３． ３． ２ 信道建模

空天地一體化中的無線信道作為一種電磁現(xiàn)象，具有不可見、不可觸和難以直接感知的特性，使得對其進行精確分析和控制變得復雜。因此，采用數(shù)字孿生技術來構建這些無線信道的虛擬模型顯得尤為關鍵，這些模型對于實現(xiàn)６Ｇ 空天地一體化通信信道的可視化、系統(tǒng)設計優(yōu)化以及測試、驗證、運維管理等至關重要。

數(shù)字孿生信道的研究目的在于加快６Ｇ 空天地一體化通信系統(tǒng)的研發(fā)步伐，提高研發(fā)效率和成本效益，確保從概念驗證到生產(chǎn)全過程的高效性和經(jīng)濟性。通過這種技術，可以更全面地監(jiān)控６Ｇ 空天地一體化通信的生命周期，及時避免潛在損失，并將通信性能的實時數(shù)據(jù)精確地反饋至設計階段，從而實現(xiàn)對６Ｇ 空天地一體化通信系統(tǒng)的持續(xù)優(yōu)化和改進。

３． ３． ３ 增強定位和全息展示

傳統(tǒng)的雷達系統(tǒng)在地形限制下，往往難以實現(xiàn)對城市低空區(qū)域的全面監(jiān)控。而集成通信、感知和計算的先進技術，如大規(guī)模天線陣列，能夠為這些區(qū)域提供網(wǎng)絡服務，利用基站的網(wǎng)絡化特性，為低空領域帶來穩(wěn)定、連續(xù)且高速的通信連接，從而推動低空經(jīng)濟的發(fā)展。

低空經(jīng)濟的增長面臨著無人機的識別、定位、導航和監(jiān)控等技術挑戰(zhàn)?！巴ㄐ鸥兄憧匾惑w化”技術為此提供了有效的解決方案：利用通信基站的內(nèi)在感知能力，能夠識別和定位無人機及未授權的入侵者；網(wǎng)絡的寬帶寬和低延遲特性，能夠支持無人機大規(guī)模應用時所需的大量數(shù)據(jù)傳輸，以及與控制中心的實時通信；此外，基站所提供的計算能力，為路徑規(guī)劃和避障等高級應用提供了必要的算力支持。

依靠數(shù)字孿生的模型構架能力，可以將定位導航環(huán)境依靠全息技術展示出來，以可視化的方式展現(xiàn)物理環(huán)境，從而更好地對無人機等工具進行管理，促進網(wǎng)絡有效運行。

４ 挑戰(zhàn)與展望

（１）網(wǎng)絡架構與協(xié)議

盡管空間－空中－地面集成網(wǎng)絡融合了通信、感知與計算功能，展現(xiàn)出巨大潛力，但在其廣泛應用之前，仍面臨多項研究難題需要克服。

硬件架構調(diào)整：目前市場上的商業(yè)硬件架構傾向于將地面網(wǎng)絡和衛(wèi)星網(wǎng)絡的功能和信號處理方式區(qū)分開來。為了達成多網(wǎng)絡的融合，必須對硬件架構進行定制化的調(diào)整和優(yōu)化，例如對無線接入網(wǎng)網(wǎng)關進行必要的升級。

網(wǎng)絡協(xié)議統(tǒng)一：現(xiàn)行的網(wǎng)絡協(xié)議在不同網(wǎng)絡系統(tǒng)間存在差異。例如，衛(wèi)星網(wǎng)絡由于固有的高延遲特性，相較于其他網(wǎng)絡，在處理混合自動重復請求時更為復雜。為了實現(xiàn)用戶設備在不同網(wǎng)絡間的無縫切換，亟需對現(xiàn)有網(wǎng)絡協(xié)議進行重新設計和整合。

（２）通感算融合均衡

理論框架的整合：如何有效地將信息論、估計理論與計算理論融合，形成一個統(tǒng)一的、能夠全面表征通感算融合效果的理論框架，是當前研究的首要難題。這要求研究者不僅理解各自領域的基礎理論，還要探索它們之間的內(nèi)在聯(lián)系和相互作用機制。

性能指標的合理表征：如何設計一套合適的性能指標，以準確反映通感算融合網(wǎng)絡在通信容量、感知精度、計算效率等方面的綜合性能，是另一個重要挑戰(zhàn)。這些指標需要能夠平衡各方面的需求，確保網(wǎng)絡在不同應用場景下都能達到最優(yōu)的綜合表現(xiàn)。

資源分配與優(yōu)化：在通感算融合網(wǎng)絡中，如何實現(xiàn)通信、感知、計算資源的合理分配和優(yōu)化利用，以滿足不同業(yè)務對資源的需求，也是亟待解決的問題。這要求網(wǎng)絡具備高度的靈活性和智能性，能夠根據(jù)業(yè)務的變化動態(tài)調(diào)整資源分配策略。

信道建模與信號處理：通信信道與感知信道的建模理論存在差異，如何在通感算融合網(wǎng)絡中建立統(tǒng)一的信道模型，并設計高效的信號處理算法，以提高通信和感知的性能，是另一個技術難點。特別是在中低頻非視距環(huán)境中，如何建模合理的回波信道、感知出不規(guī)則形態(tài)目標等，都需要深入研究和探索。

多頻段協(xié)同與多節(jié)點協(xié)作：６Ｇ 網(wǎng)絡將是一個低、中、高多頻段協(xié)同的全頻譜系統(tǒng)，同時需要多節(jié)點協(xié)作來提升邊緣用戶的速率和感知精度。如何在多頻段和多節(jié)點間實現(xiàn)高效的協(xié)同和協(xié)作，以滿足不同業(yè)務對通信、感知和計算能力的需求，也是通感算融合網(wǎng)絡需要解決的關鍵問題。

（３）孿生數(shù)據(jù)和質量

數(shù)據(jù)融合與質量問題是數(shù)字孿生面臨的核心挑戰(zhàn)之一。高價值、高質量數(shù)據(jù)的獲取和融合極為困難，這直接影響到數(shù)字孿生模型的準確性和可靠性。數(shù)據(jù)往往存在缺失、不一致、重復等問題，需要采用先進的數(shù)據(jù)處理技術和算法來提高數(shù)據(jù)質量，確保模型能夠精確反映物理實體的行為。

５ 結束語

本文深入分析了６Ｇ 通感算融合與數(shù)字孿生技術在空天地一體化網(wǎng)絡中的應用前景與挑戰(zhàn)。通過構建數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)了對物理實體的精確模擬與優(yōu)化，為６Ｇ 網(wǎng)絡的設計、測試、驗證和運維管理提供了強有力的工具。同時指出了在網(wǎng)絡架構、協(xié)議統(tǒng)一、通感算融合均衡、信道建模與信號處理等方面的關鍵問題，并對未來研究方向提出了展望。盡管存在挑戰(zhàn)，但通感算融合與數(shù)字孿生技術的結合為６Ｇ網(wǎng)絡的發(fā)展提供了新的可能性，有望實現(xiàn)更高效、智能的網(wǎng)絡服務，推動社會向全面智能化轉型。

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作者簡介：

王 輝 男，（２００１—），碩士研究生。主要研究方向：信道建模、通感一體化、天地一體化網(wǎng)絡。

孟士堯 男，（１９９７—），博士研究生。主要研究方向：信道建模、通感一體化、天地一體化網(wǎng)絡。

賈 敏 女，（１９８２—），博士，教授，博士生導師。主要研究方向：天地一體化認知通信、組網(wǎng)與接入技術。入選國家重大人才工程。

基金項目：國家自然科學基金（６２２３１０１２）