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AI技术在卫星通信_互联网领域的应用综述_刘雅琼.pdf

上传人:哎呦****中 文档编号:2236760 上传时间:2023-05-03 格式:PDF 页数:15 大小:1.36MB
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1、 专题:6G 空间互联网 AI 技术在卫星通信/互联网领域的应用综述 刘雅琼1,2,3,吕哲1,2,3,赵亚飞3,寿国础1,2,3(1.先进信息网络北京实验室,北京 100876;2.网络体系构建与融合北京市重点实验室,北京 100876;3.北京邮电大学信息与通信工程学院,北京 100876)摘 要:卫星互联网的诞生带来新的发展机遇,同时也具备诸多挑战。主要调研了在空天地一体化的背景下,人工智能(AI)技术作为重要的辅助工具在卫星通信/卫星互联网领域的应用,涉及通信抗干扰、通信路由、星地网络系统架构、星座运营与管理等场景,其中涉及的 AI 算法包括传统机器学习、深度学习、强化学习等;最后,针

2、对 AI 技术在卫星通信/互联网领域的发展趋势,提出了未来的研究方向,为我国卫星领域的智能化发展提供了思路和技术方案。关键词:卫星通信;空天地一体化;卫星互联网;AI 算法;机器学习 中图分类号:TN927 文献标志码:A doi:10.11959/j.issn.1000-0801.2023030 A survey on AI techniques applied in the satellite communication/satellite Internet field LIU Yaqiong1,2,3,LYU Zhe1,2,3,ZHAO Yafei3,SHOU Guochu1,2,3 1

3、.Beijing Laboratory of Advanced Information Networks,Beijing 100876,China 2.Beijing Key Laboratory of Network System Architecture and Convergence,Beijing 100876,China 3.School of Information and Communication Engineering,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China Abstrac

4、t:The birth of satellite Internet brings new development opportunities,but also many challenges.How artifi-cial intelligence,as an important auxiliary tool,was widely used in the field of satellite communication/satellite In-ternet in the context of the development of space-air-ground integration,wa

5、s investigated,which involved communi-cation anti-jamming,communication routing,satellite-terrestrial network system architecture,constellation operation and management and other scenarios.The AI algorithms included traditional machine learning,deep learning,rein-forcement learning and so on.Finally

6、,by taking the development trend of the AI applied in the satellite field into con-sideration,several future research directions were put forward,which provided new ideas and technical solutions for the intelligent development of satellite field in our country.Key words:satellite communication,space

7、-air-ground integration,satellite Internet,AI algorithm,machine learning 收稿日期:2023-0117;修回日期:2023-02-04 通信作者:吕哲, 基金项目:北京市科技计划项目(No.Z221100007722012)Foundation Item:Beijing Municipal Science and Technology Project(No.Z221100007722012)11 电信科学 2023 年第 2 期 0 引言 随着科学技术的发展和生活水平的提高,人们对通信的需求已不仅仅满足于地面通信,这使得卫

8、星通信得到了迅猛发展。卫星通信是无线通信领域的一项新型技术,是微波通信的一种。卫星作为中继站发射和接收无线电波,实现在两个或多个地面站之间的通信。近年来,卫星通信在导航、定位、探测等领域发挥了巨大作用,其以覆盖范围广、通信容量高、信息传输速率快、信号传输质量高的显著优势得到了广泛应用1。卫星通信系统的主要组成部分是卫星及地面控制设备和用户终端,卫星通信组成架构如图 1 所示。卫星端是通信中继站,用以接收地面设备发送的信号波并放大,再转发给另一台地面设备,现阶段主要是利用同步轨道卫星对地球进行全方位覆盖;地面控制设备包括信关站、网络控制中心和卫星控制中心,可对空中卫星系统进行跟踪、监测等,以控制

9、通信系统的正常运营;用户端主要包括各类用户终端,如机载终端、船载终端、车载终端及固定站等2。图 1 卫星通信组成架构 近年来兴起的卫星互联网是卫星通信技术的发展产物,即在太空使用低轨高通量卫星以实现高带宽低时延宽带覆盖3,这些卫星组成的星座便可作为空中基站来达到与地面移动通信类似的效果。随着卫星载荷技术的不断创新,卫星网络将具有更低时延、更大带宽4。卫星互联网主要以低轨卫星为主进行搭建,低轨卫星一般指高度在 5001 500 km,质量在 1001 000 kg 的现代卫星5,其制造和发射成本低,落地信号强,运行速度快,并且可以做到信号全覆盖。卫星互联网不仅可以提供宽带通信方面的服务,还可以实

10、现更精准的定位和导航功能;通过与 5G、物联网、大数据、人工智能(artificial intelligence,AI)等高端技术的结合,卫星互联网将在更丰富的应用场景中发挥作用。随着低轨卫星互联网在商业和军事方面的规模应用,宽带卫星互联网逐步成熟并成为当前行业关注热点。由于地球低轨道空间资源有限,各国竞争焦点在于低轨卫星星座的建设以及卫星与5G 等地面移动通信系统的融合6。我国在 2020 年4 月首次将卫星互联网纳入通信网络基础设施范畴,加速推动了卫星互联网产业的发展。2021 年国家“十四五”规划发布,明确了卫星互联网的重要地位;“十四五”信息通信行业发展规划“十四五”数字经济发展规划和

11、“十四五”国家应急体系规划均明确指出要加快布局卫星通信网络,推动卫星互联网建设,并鼓励卫星通信应用创新。由我国自主研制的北斗卫星导航系统建设受到政府的高度重视。“天智一号”就是 AI与地球空间信息科学在我国首次实现融合的产物,它是全球首颗实际开展工程研制并发射的软件定义卫星,其主要载荷包括云计算平台、一台超分相机和 4 部大视场相机。而其中的云计算平台,是“天智一号”能够“智能”的关键7。近年来,由美国太空探索技术公司(SpaceX)提出的“星链”计划已发射低轨卫星近 3 000 颗,除了在民用领域发挥作用,也涉足了军事领域;SpaceX随即在 2022 年 12 月发布了该计划的军用版“星盾

12、”卫星互联网星座项目,初步侧重于对地观测、卫星通信和托管载荷 3 个方面。除此之外,俄罗斯也在发展卫星互联网产业,其格洛纳斯系 专题:6G 空间互联网 12 统是全球第二个建成并使用的卫星导航系统;近年来,格洛纳斯系统与我国北斗系统的合作不断加强,为俄罗斯的全球导航领域提供了有力支持8。欧洲航天局的发现项目(ESA Discovery)正在资助 12 个项目,这些项目将探索应用 AI 技术和先进计算范式的最新发展潜力,使卫星更具反应性、敏捷性和自主性9。此外,还有日本 NTT 计划、欧洲的 RACE 计划等。为了实现星地互联的全方位深度融合,卫星互联网与地面通信系统相结合的空天地一体化网络(s

13、pace-air-ground integrated network,SAGIN)应运而生。顾名思义,空天地一体化网络由天基、空基、地基 3 部分网络组成,空天地一体化网络架构12如 图 2 所 示。天 基 网 络 由 地 球 静 止 轨 道(geostationary earth orbit,GEO)卫星、中地球轨道(medium earth orbit,MEO)卫星、低地球轨道(low earth orbit,LEO,简称低轨)卫星以及地面的信关站组成。卫星之间链接成星座构成天基网络。空基网络主要由无人机(unmanned aerial ve-hicle,UAV)、直升机、飞艇等多种空中基

14、点和高空通信平台构成。地基网络由地面通信系统组成,包括移动通信基站、机动或固定信关站和核心网。地基网络的核心网将蜂窝网络和天基网络进行了融合10。信关站之间通过铺设或者租赁网络资源形成一张连通的地面网络11。卫星互联网,尤其是低轨卫星,随着低轨巨型星座建设和星间链路的部署,为分布式计算提供了可能。卫星组网搭建通信、导航、计算等多类载荷,实现分布式计算平台;同时结合地面信关站的部署,可实现空天地一体化的分布式计算平台,为星算网络提供支持,也是分布式计算的作用延续。传统卫星的星上算力资源有限,难以支撑复杂算法的应用;随着计算器件的发展,星载算力得以不断提高,呈逐年递增趋势。近日,我国的“天智二号”

15、D 星于太原成功发射,星载算力高达 40 TOPS(tera operations per second,每秒钟万亿次操作),超越了之前“星溪”系列产品的 20 TOPS 算力,极大地推动了智能星算的发展,这有赖于 AI 芯片的支持。图 2 空天地一体化网络架构12 随着超五代移动通信系统(B5G)和 6G 时代的到来,依托于 AI、大数据、云计算、多接入边缘计算(multi-access edge computing,MEC)等技术,卫星互联网正逐步迈向智能化网络。AI 技术包括机器学习(machine learning,ML)、深度学习(deep learning,DL)和强化学习(rei

16、nforcement learning,RL)等。传统的 ML 算法包括线性回归、K 近邻、支持向量机(support vector machine,SVM)、决策树、随机森林等;DL 算法主要指各类神经网络,如卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)、循环神经网络(recurrent neural network,RNN)、多层感知机等可搭建的多层神经网络;RL多指半监督学习范式、马尔可夫决策过程等。与此同时,卫星应用趋于复杂。传统卫星一般是单一任务,只需要进行简单的指令和数据管理,并没有在星上处理数据的能力,而现在的太空任务更为复杂,如对地遥感观测、火星的视觉导航等,涉及图像、视频、多源信息融合等处理,需要大量的计算资源,这也促进了 AI 技术在卫星中的应用。13 电信科学 2023 年第 2 期 在卫星通信系统和星地互联不断发展的形势下,采用 AI 技术可以应对不断增加的系统复杂度,实现网络功能的地面节点及卫星节点之间的虚拟化配置,在组织与管理上实现空天地一体化智能运维13。AI 技术应用到卫星领域中,主要为卫星通信技术提供辅助,进而为卫星

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