5g网络切片 【科研两三招】空天地（ space-air

前言

无线通信资源是非常有限的，这也是它如此珍贵的原因。传统的通信手段依赖于地面基础设施建设以实现通信覆盖。然而，地面基础设施的部署具有不灵活、高成本、覆盖距离短等问题。

随着新兴业务和多类型用户的不断增加，人们把目光投向了具有低成本、高灵活性的无人机、悬浮气球等空中平台（天）以及具有广覆盖特点的卫星通信（空）。然而，使用现有的分立建设的通信系统将带来通信成本增加、切换时延增大、资源利用率低等问题。

为了进一步提高无线资源利用率、增强各类通信服务体验，空天地融合网络（Space-Air-Ground Integrated Networks, SAGIN）技术应运而生。为了实现多维有限资源与多样化业务需求的匹配，网络切片（networking slicing）技术通过将资源动态重组以满足不同业务在传输时延、吞吐量以及计算时延等方面的需求，成为了未来无线通信网络的关键技术之一。

这篇文章的初衷也是自己想对网络切片技术有进一步的了解，因此通过调研空天地融合网络中的网络切片技术，来看看其未来的发展、面临的挑战以及开放研究问题。顺便也复习一下之前梳理的文献调研方法。

接下来将首先介绍自己的文献检索过程，然后梳理文献内容并提出一些自己的想法~

1. 文献检索

通过在web of science（简称WOS）中进行主题检索“space-air-ground”以及“network slicing”，可以得到以下出版物结果：

出版物(1975年~2022年)施引文献(去除自引)被引频次(去除自引)

12

487

511

根据WOS的引文分析报告，可以得到图1中的数据统计：

图1 按年份的被引频次和出版物分布

同时，可以看到这12篇文章中有2篇高被引论文，分别发表于2017年和2021年，如图2所示。根据文章的题目和发表信息，可以看到这两篇文章分别为综述文章和magazine文章。

图2 两篇高被引文献

将引文信息全部导出后利用HistCite分析，利用Graph Marker工具可以得到如图3所示的引用关系图。图3中每个圆圈中的序号代表文献的编号，输出的箭头表示该文献引用的其他文献，输入的箭头表示其他文献对该文献的引用情况。

在每个年份找出一篇被引最多的文献，用绿色圆圈标记。最上面的黄色圆圈标记的是一篇2021年的文献，可能因为年份关键词没关联上，画图时跳到了最上面。

图3 引用关系图

同时，我们回到HistCite的主页面，将所有文献按照LCS排序，得到图4。从图4中可以发现，我们在图3中用绿色圆圈圈出来的这5篇文献都是排名靠前的文献（图3圆圈中数字即对应图4第二列中文献作者前的蓝色数字）。

图4 文献按照LCS排序

值得注意的是，除了前5篇文献，排名第6的文献16的LCS值也为4，再仔细看下图3，发现文献16处确实有4条线！这个过程也说明了图3是图4的可视化。因此在进行文献筛选时，我们选择Graph Maker和LCS排序的任意一种方式即可。

基于以上分析，我们把首先要看的文献范围缩小到LCS排名前6名的文献上，详细文献信息请见参考文献。

此外，根据所有文献中关键词的出现频次，我们也可以做一些云图开开心~~

图5 按关键词出现频次绘制的云图

当然，除了这几篇在行业内引用比较高的文献，我们也需要了解一些前沿进展，所以也需要根据日期排序，筛选近几年的文献浏览和阅读。

接下来将总结我的文献阅读收获~

2. 文献阅读

空、天、地三个通信平台具有不同的特点。图6对比了空天地不同平台在实体、高度、移动性、调度周期、优势和局限性等方面的不同。

图6 不同平台的比较

SAGIN则是指将太空、空中和地面融合的异构网络5g网络切片，因此能够最大化利用各个平台的优势。一个典型的SAGIN如图7所示。太空、空中和地面三个部分可以独立工作或相互支撑。通过三个网段的集成以构建分层的宽带无线网络。

SAGIN技术能够解决未来移动通信网络存在的很多问题，比如远程和大规模覆盖、巨增长的移动数据量、数据流量不均衡等，引起了学术界和工业界的广泛关注。然而，由于SAGIN中节点的多类型、业务的多样性、资源的多维度等异构特点，对传统的（基于物理实体的）无线资源管理方法提出了新的挑战。

图7 空天地融合网络架构

为了保护卫星、空中和地面通信中的传统业务，同时提高资源利用率，可以通过网络切片（network slicing）技术对每个平台的资源进行分片，实现不同业务间的资源隔离（service isolation）。与传统的资源分配方法不同，为处理资源可用性的动态特点，可以将物理资源抽象为逻辑资源，将服务部署在一系列虚拟资源的集合上，而不是特定的物理资源。通过虚拟资源和物理资源的动态映射，实现资源与业务的动态适配。

由于网络切片将整个网络资源分区为不同的服务，因此这些服务切片以孤立的方式进行操作，且不会互相干扰。例如，卫星网络中的不同资源集被分配给地球观测、导航和天气监测等业务，然后其剩余资源被纳入空天地资源池为无人机、车辆等提供服务。

为了实现网络切片，离不开软件定义网络（Software Defined Network, SDN）和网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization, NFV）这两种技术。借助SDN和NFV技术，从传统网络中分离硬件和软件。将硬件服务器统一部署，然后由不同网络功能承担软件服务，从而灵活支持多种业务需求。

在网络切片的实现上，NFV是对SDN的补充。SDN建立控制平面功能，使网络切片成为可能，而NFV通过实现VNFs提供服务，管理网络切片的生命周期，编排切片资源。借助SDN和NFV，网络切片使多个隔离独立的虚拟(逻辑)单元（也就是切片）可以共同位于相同的物理网络设施上。

SDN、NFV以及网络切片的相互配合能够改善通信业务传输的可靠性，并增强无处不在的高效连接。在基于网络切片的网络架构中，网络规划和资源调度的交互如图8所示。

图8 网络规划和资源调度交互

网络切片的优点主要包括三方面：第一，通过支持虚拟网络的多路复用，多个虚拟网络营商能够共享物理网络基础设施，从而减少网络部署和运行的成本；第二，网络切片提供了为不同服务类型创建定制切片的服务，以保证每项业务的服务等级协议 (Service Level Agreement, SLA)；第三，网络切片可以按需创建和修改或者根据需要取消，增加了网络管理上的灵活适应性。

在3GPP的技术报告中，规定分离5G无线接入网络的网络功能以及核心网络，如接入和移动性管理功能（Access and Mobility Management Function, AMF）、网络切片选择功能等支持网络切片，并引入新的接口以促进g-NodeB间的资源共享。可以预见的是，网络切片是5G网络架构的一项重要创新，有望在5G及未来无线网络中得到继承。

（1）面临挑战

由于SAGIN网络具有的基础设施异构性和业务需求差异化的特点，网络切片正面临以下挑战：

（2）正在/需要解决的问题

可以看到，在无线网络中，节点位置是动态移动的，节点需求也是动态变化的，因此，为解决稳定性能需求和动态网络的适配挑战，实现动态的、可预测的算法以更新网络切片以满足业务QoS需求是十分重要的，这也是当前大部分工作的研究方向之一。

与此同时，相较于传统的针对单一通信资源的资源管理，SAGIN的资源异构性使得其需要分配的资源变得更加多维。通常情况下，大家考虑的资源包括通信（radio/communications）、缓存（caching）和计算（computing）。值得注意的是，在无线通信网络中，计算和缓存都离不开通信传输，因此已有大量工作针对计算卸载和缓存部署等问题做了研究，也就是通信-计算和通信-缓存。在空天地及通信-计算-缓存融合的网络中进行动态网络分片，如图9所示，无疑将增加问题求解复杂度。因此针对多维资源融合的网络切片问题，设计低复杂度算法解决多维资源分配问题以提高资源利用率也是需要解决的问题。

图9 面向5G三大业务场景的网络切片

此外，动态网络切片需要基于无线通信网络中的重要网络状态信息，例如资源池信息、节点密度和移动性、数据流量、业务需求等，进行网络级决策以更新用户访问控制策略，重新配置整体资源以创建不同服务的切片，因此对算法的灵活性、适应性和智能化提出了更高需求。为了使网络切片在未来6G网络中更加通用和智能，利用人工智能算法设计创新的资源切片优化方案以满足更严格的业务需求仍待进一步研究。

（3）开放问题/潜在研究方向：

图10 空天地融合的车载通信网络3. 小结

从本质上来说，网络切片是一种无线资源管理方法。与传统无线资源管理方法的区别在于，网络切片是基于逻辑的概念对资源进行重组和分配。随着新兴业务的不断涌现，网络切片技术将资源灵活动态分配，是一种提高多维资源利用率、保证多类型业务通信需求的有效手段。

当前针对空天地网络中的网络切片技术的研究非常多，特别是面向车辆网场景、云边端计算场景，考虑通信、计算和缓存资源优化等等。利用人工智能实现智能化网络切片仍然是未来的热点话题。值得注意的是，智能网络切片的落地和应用需要运营商、设备商、供应商等多方配合，不仅需要有成熟的技术方案，更需要有完善的平台和支持。

（编辑：92站长网）

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