AI賦能空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)資源管理 2024

1空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)（SAGSIN）通過融合地面、空中、衛(wèi)星和海洋通信系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)全時(shí)全域全空通信和網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性和復(fù)雜性等挑戰(zhàn)，如資源分配不均、跨域協(xié)同困難及環(huán)境適應(yīng)性差。引入AI技術(shù)對SAGSIN資源管理具有重要意義。在SAGSIN資源管理中，AI的應(yīng)用主要體現(xiàn)在智能資源分配與調(diào)度、跨域協(xié)同優(yōu)化以及環(huán)境感知與自適應(yīng)調(diào)整三個(gè)方面。未來，AI與SAGSIN的融合將朝著更高級(jí)的智能決策系統(tǒng)和更廣泛的跨域融合應(yīng)用方向發(fā)展，服務(wù)空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)（Space-Air-Ground-SeaIntegratedNetwork,SAGSIN）是一種將地面、空中、衛(wèi)星和海洋通信2系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，涵蓋衛(wèi)星、無人機(jī)、地面基站和水下傳感器等多種通信節(jié)點(diǎn)，旨在實(shí)現(xiàn)全時(shí)全域全成，包括天基網(wǎng)絡(luò)（衛(wèi)星）、空基網(wǎng)絡(luò)（無人機(jī)、飛機(jī)等）、地基網(wǎng)絡(luò)（基站、數(shù)據(jù)中心等）和?；W(wǎng)絡(luò)（水下傳感器、浮標(biāo)等）。這些節(jié)點(diǎn)通過不同的通信技術(shù)相互連3源、計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和傳輸鏈路資源。頻譜資源是通信的基礎(chǔ)，計(jì)算資源用于處理和分析數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)資源用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份，傳輸鏈路資源則確保數(shù)據(jù)在不同節(jié)點(diǎn)之4源動(dòng)態(tài)性、異構(gòu)性和復(fù)雜性等問題。這些挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在資源分配不均、跨域協(xié)同困難以及環(huán)境適應(yīng)性差等方面。例如，不同類型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（如衛(wèi)星、無人機(jī)和地面基站）之間存在顯著的技術(shù)差異，導(dǎo)致資源分配和管理更加復(fù)雜[3]。首先是資源分配不均，不同類型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間存在顯著的技術(shù)差異，導(dǎo)致資源分配不均。其次是跨域協(xié)同困難，即不同域之間的協(xié)同工作復(fù)雜，需要高效的協(xié)調(diào)機(jī)制。最后是環(huán)境適應(yīng)性差，復(fù)雜的環(huán)境條件（如天氣變化引入人工智能（AI）技術(shù)對于SAGSIN資源管理具有過智能算法優(yōu)化資源分配策略，提高系統(tǒng)的整體性能[4]。其次，AI技術(shù)能夠增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的智能決策能力，通過深度學(xué)習(xí)5和強(qiáng)化學(xué)習(xí)等方法，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的快速響應(yīng)和高效管理[3,4]。此外，AI技術(shù)有助于促進(jìn)跨域融合創(chuàng)新，通過SAGSIN通過合理有效地引入AI，以最大限度地利用現(xiàn)將AI技術(shù)貫穿整個(gè)網(wǎng)絡(luò)平面，實(shí)現(xiàn)一體化網(wǎng)絡(luò)智能化和服資源分配，以提高系統(tǒng)的自適應(yīng)能力、魯棒性和資源利用率[1]。將遺傳算法用于優(yōu)化資源分配，通過模擬自然選擇和繁殖過程，找到最優(yōu)的資源配置方案[7]。深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)（DRL）算法可通過定義優(yōu)化問題（包括約束條件和目標(biāo)函數(shù)），最大化系統(tǒng)的下行鏈路吞吐量，顯著提升資源利共享協(xié)議和動(dòng)態(tài)分配方案來緩解頻譜可用性不足的問題，從而最大限度地提高頻譜在不同網(wǎng)絡(luò)中的效用。例如，在6人口稠密的城區(qū)，多個(gè)運(yùn)營商共享相同頻譜帶的情況下，生成式AI能夠幫助實(shí)現(xiàn)更高效的頻譜利用[8]。此外，DRL還可以用于異構(gòu)頻譜共享模型，通過評估大規(guī)模MIMO認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和干擾QoS，實(shí)現(xiàn)高效的頻譜共SAGSIN全域覆蓋不僅提高了通信的連續(xù)性和可靠性，[10,11]SAGSIN通過引入聯(lián)邦學(xué)習(xí)框架，實(shí)現(xiàn)了分布式域間求解架構(gòu)與集中式域內(nèi)優(yōu)化算法?；诖思軜?gòu)，利用DRL框架完成資源塊內(nèi)的功率資源分配優(yōu)化，按用戶需求合理分配通信資源，達(dá)到充分利用網(wǎng)絡(luò)資源、均衡網(wǎng)絡(luò)性能與能量消SAGSIN資源管理中的跨域協(xié)同問題主要涉及如何在不同空間維度（如空中、地面、海上和天基）進(jìn)行有效的資AI賦能SAGSIN資源管理中的跨域協(xié)同是一個(gè)多學(xué)科交7叉的領(lǐng)域，涉及無人系統(tǒng)技術(shù)、邊緣計(jì)算、深度學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等多個(gè)方面。通過這些技術(shù)的融合與創(chuàng)新，可實(shí)現(xiàn)更高效、更智能的網(wǎng)絡(luò)資源管理和跨域協(xié)同。文獻(xiàn)[13]對智能無人集群系統(tǒng)在?？?、空地以及海陸/海陸空等典型無人場景下的跨域協(xié)同技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)梳理和深入分析，厘清了我國在該領(lǐng)域的現(xiàn)狀和需求，為未來的發(fā)展趨勢提供了指導(dǎo)。隨著空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與發(fā)展，衛(wèi)星與無人機(jī)作為天基邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，輔助地面設(shè)備完成各項(xiàng)任務(wù)，成為6G網(wǎng)絡(luò)中的重要應(yīng)用場景[14]。這些研究處于起步階段，但已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的潛力。文獻(xiàn)[4]構(gòu)建了一體化AI賦能架構(gòu)，提出了大規(guī)模混合多址接入及彈性資源適配策略，未來的研究方向包括網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)立體化、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同傳輸一體化網(wǎng)絡(luò)資源管理、未來空天地接入技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)同SAGSIN拓?fù)渥兓?，信息交互頻繁，需要通過數(shù)字智能化手段，建立自適應(yīng)控制系統(tǒng)。AI技術(shù)在信息感知和自8術(shù)可以被用于對無線信道、用戶和網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)狀況進(jìn)行全面感知，并根據(jù)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)特征和用戶業(yè)務(wù)需求配置網(wǎng)絡(luò)資源，從而建立差異化的網(wǎng)絡(luò)模型并優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能[15]。此外，AI增強(qiáng)學(xué)習(xí)算法也被應(yīng)用于智能頻譜彈性感知技術(shù)中，以提高頻譜感知的效率和準(zhǔn)確性[16]。自適應(yīng)AI系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)反饋并動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)，針對不斷變化的環(huán)境做出響應(yīng)，通過不斷添加訓(xùn)練數(shù)據(jù)形成訓(xùn)練模型，并提供個(gè)性化功能定制。這種自適應(yīng)能力使得AI賦能的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)，可以通過智能感知模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境變化，靈活調(diào)整其行總之，AI賦能的SAGIN通過集成多種感知技術(shù)和自適應(yīng)算法，能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境變化的快速響應(yīng)和調(diào)整。這不僅96G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，空天地海全場景一體覆蓋將開啟萬物智聯(lián)、數(shù)字孿生的信息技術(shù)新時(shí)代，這將對網(wǎng)絡(luò)安全提出更高的要求?？仗斓匾惑w化網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部自干擾和外部惡意干擾會(huì)阻擋和破壞通信鏈路，進(jìn)而影響聯(lián)合指揮與控制[20]，數(shù)據(jù)隱 私保護(hù)是一個(gè)重要問題，尤其是在涉及大量敏感數(shù)據(jù)傳輸和處理的情況下[21]。其次，算法的可解釋性也是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)閺?fù)雜的AI模型往往難以理解和驗(yàn)證其決策過程[4]。計(jì) 算復(fù)雜度也是一個(gè)關(guān)鍵問題，現(xiàn)有資源管理算法通常需要此外，標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程對AI賦能SAGSIN至關(guān)重要，因?yàn)樗梢源_保不同系統(tǒng)和設(shè)備之間的兼容性和互操作性[22]。當(dāng)前，標(biāo)準(zhǔn)化工作仍在進(jìn)行中，也已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，例[Y.3200]和架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)[Y.3201]，以滿足空天地一體化網(wǎng)絡(luò)多接入融合的需求[23]。面向5G-A/6G的空天地一體化承載技并針對衛(wèi)星通信的特殊場景在物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)體系化技術(shù)突破[24]。此外，中國移動(dòng)也在推進(jìn)天地一體化標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展進(jìn)程，特別是在“手機(jī)直連衛(wèi)星”場景下進(jìn)行架構(gòu)、空口、頻率、多軌四大融合等核心關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)AI與SAGSIN融合發(fā)展的未來趨勢包括更高級(jí)的智能決策系統(tǒng)和更廣泛的跨域融合應(yīng)用。例如，基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與優(yōu)化框架可以進(jìn)行高效快速的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和分析[1]。未來空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)將深度融合各層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合AI、大數(shù)據(jù)、先進(jìn)制造等技術(shù)，朝著智[1]沈?qū)W民,承楠,周海波,等.空天地一體化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：探索與展望[J].物聯(lián)網(wǎng)學(xué)報(bào),2020,4(03)綜述[J].電信科學(xué),2023,39(02):10述[J].電子與信息學(xué)報(bào),2024,46(05):1613-1631.[4]劉雪芳,毛偉灝,楊清海.基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)資源分配算法[J].電子與信息學(xué)報(bào),2024,46(07):2831-28[5]宮永康.空天地一體化網(wǎng)絡(luò)資源智能管理機(jī)制[D].北京郵電大學(xué),2023.DOI:10.26969/ki.gb[6]鄧平科,張同須,施南翔,等.星算網(wǎng)絡(luò)——空天地一體化算力融合網(wǎng)絡(luò)新發(fā)展[J].電信科學(xué),2022,38(0[7]謝兆賢,孔德泓,楊晴晴,等.全域可調(diào)節(jié)式非支配遺傳算法在邊緣計(jì)算的資源調(diào)度研究[J/OL].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,1-10[2024-09-27]./[8]中國科學(xué)院知識(shí)服務(wù)平臺(tái).新一代信息技術(shù).生WirelessNetworks:A和關(guān)鍵技術(shù)[J].信息通信技術(shù)與政策,2022,(09):18-26.[11]刁兆坤,楊麗,王振章.6G空天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其構(gòu)建[J].[13]江碧濤,溫廣輝,周佳玲,等.智能無人集群系統(tǒng)跨域協(xié)同技術(shù)研算資源融合管理方法[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2023,46(04):690-710.ReinforcementLearningCommunications[J].IEEEWirelessCommunications,202053.DOI:10.1109/MWC.001.[18]王鵬崢,李楊,張寧.環(huán)境感知信息輔助的認(rèn)知雷達(dá)波形/j.issn.1003-0530.2021.02.004.擾技術(shù)[J].指揮與控制學(xué)報(bào),2020,6(03):185-191.[22]張曉凱,郭道省,張邦寧.空天地[23]王剛，涂小勇.星載核心網(wǎng)：實(shí)現(xiàn)空天地一體的天基網(wǎng)絡(luò)的/china/ab/