面向海洋的网络切片技术在O-RAN（开放无线接入网络）融合的空中-地面网络中的应用

海事通信系统需应对广阔海域覆盖难、传统基站部署受限及设备异构性挑战。本文提出基于AI的网络切片框架，融合非系留/系留无人机与海洋浮标，构建空海一体化通信网络，通过DRL算法动态优化切片资源分配，分别满足应急通信的低时延高可靠性和海事娱乐的高数据率需求，实验验证了方案有效性。

　　

摘要：

由于海洋区域广阔、在海上部署传统基站的难度以及专用设备的异构性，将可靠的海上通信系统与陆地网络集成在一起具有挑战性。在本文中，我们提出了一种基于人工智能的网络切片框架，用于开放无线接入网络（O-RAN）集成的空地海上网络，该框架结合了无绳和有绳无人机（UAV）以及海洋浮标。该网络在满足多样化海上用户需求的同时，提供了无处不在的连接性。具体而言，我们利用网络切片来满足两个不同的切片需求：一个是要求高数据传输速率的海上信息娱乐切片，另一个是需要高可靠性和低延迟的海上紧急通信切片。此外，我们采用虚拟化原理来实现虚拟化网络功能（VNF）的灵活部署方式，这些功能可以动态地在虚拟化网络节点之间进行扩展和/或迁移。然后，我们设计了一个基于深度强化学习（DRL）的网络切片框架，该框架考虑了海洋环境的特性，并提出了两种算法，即优势演员-评论家（A2C）和近端策略优化（PPO）。我们的研究结果强调了将空地网络与网络切片集成在一起的重要性，这有助于提高海上通信的能效，同时满足多样化的服务质量（QoS）要求。

引言

在过去几十年中，海上活动已经超越了传统的渔业和海上运输，涵盖了海洋探索和气候变化研究等领域。这创造了全球海洋市场，2022年的市场规模达到了44.207亿美元，并预计到2033年将超过100亿美元[1]。这些活动需要改进的海上通信系统，以提供无处不在的连接性并满足乘客、渔民以及远程船只上设备的各种需求。更为关键的是，船舶和水下救援行动需要更可靠的通信。事实上，统计数据显示，2012年至2017年间，全球每100艘海上船舶平均发生了17起事故[2]。然而，建立这样的系统仍然是一个挑战，需要进一步的研究。这是由于用户密度低、需要覆盖的海洋面积广阔以及在海上部署典型基站（BS）的难度[3]。传统的海上通信技术依赖于岸基基站，提供基本服务，如短信和语音通话。此外，还使用了基于卫星的解决方案来扩展海洋覆盖范围[4]。然而，这些解决方案存在较大的传播距离和有限的机载资源，导致显著的延迟和有限的数据传输速率。此外，还需要国际法规来管理不同的需求并分配许可证，这可能会延迟部署并引发政治问题[3]。此外，特别是在渔业村庄和小岛上的海上用户无法负担使用基于卫星的系统，因为这些系统的成本高昂，且大型天线无法安装在渔船和小船上。因此，研究人员正在努力开发全面的6G通信系统，以扩展和补充陆地网络。具体来说，集成空地网络已成为一种有前景的解决方案，可以增强陆地网络的覆盖范围和服务范围。实际上，无人机（UAV）可以通过充当中继单元来连接海上船舶和陆地基站，从而扩展近海覆盖范围。由于其成本效益高、部署简单灵活，无人机非常适合确保近海区域的无缝连接性。包括有绳和无绳无人机在内的这些空中平台已被用于[5]、[6]、[7]、[8]等研究中，以扩展陆地网络的覆盖范围并提高海上连接性。尽管如此，这样的集成网络通常具有异构性，并依赖于专用设备，这限制了它们对不同服务质量（QoS）需求的灵活性和适应性，而这是支持多样化海上用例所必需的。例如，海上乘客信息娱乐用户需要高数据传输速率的连接性，而海上紧急通信则需要低延迟。