基于空天地一体化的海洋算力网络研究与实践

翟 锐 李壮志 王建伟 潘 峰

中国联合网络通信有限公司山东省分公司 济南 250002

引言

数字经济是把握新一轮科技革命和产业变革新机遇的战略选择，在数字经济背景下，算力成为全新生产力，以通信网络设施与异构计算设施融合发展为基石，将计算、传输和存储等多种资源进行统一编排管控，实现网络、算力、数据、服务多维融合的算网融合新生态也随之应运而生[1]。大联接、高算力、强安全是当前数字经济条件下服务升级和应用创新点主要要求，数字化社会亟需打造“联接+感知+计算+智能”的深度融合的智能算网提供服务支撑。

长期以来推动信息通信产业发展的摩尔定律遇到瓶颈，网络架构创新成为未来6G时代发展的关键，面向6G时代社会全域泛在连接和智能普惠的终极愿景，基于空基、天基、地基和海基融合感知、泛在互联的通感算一体的算网融合发展成为工业界和学术界的共识[2]。

1 海洋算力网络发展现状

算力网络作为云网融合后的下一代运营服务模式，得到了国家战略层面的大力支持并在数字化转型时代取得了高速的发展[3]。2020年4月，国家发改委确定了大力发展新型基础设施的国家战略，将卫星互联网、5G、物联网和工业互联网等一起纳入了“新基建”范畴，与此同时中国通信标准化协会通过了算力网络行业标准立项，初步建立了算力路由[4]、算力交易等行业标准体系。同年9月，国内未来IP网络研究组织网络5.0产业联盟成立了算力网络特设工作组，启动算力网络学习、场景和技术的研究工作。

2021年5月，国家发改委联合多部门印发《全国一体化数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》，明确算力基础设施持续优化的总体布局战略，推进建设全国一体化算力网络国家枢纽节点、省内数据中心和边缘数据中心梯次算力网络体系。2022年1月，国务院印发《“十四五”数字经济发展规划》通知，明确提出要大力推进云网协同和算网融合发展、有序推进数字基础设施智能升级。

2022年4月，习近平总书记强调建设海洋强国是实现中华民族伟大复兴的重大战略任务。海洋强国战略需要推动海洋科技实现高水平自立自强，加强原创性、引领性科技攻关。《山东省十四五海洋经济发展规划》里指出要构建现代海洋产业体系、建设海洋科技创新高地、建设世界一流海洋港口、维护绿色可持续的海洋生态环境。山东省海洋功能区共划分3个重点开发区域，重点开发区域功能定位是山东半岛蓝色经济区建设的主战场，“一带一路”建设的重要节点，新亚欧大陆桥经济带崛起的引航区，支撑我国海洋经济增长的重要增长极，促进区域协调发展的重要支撑点。

海洋算力网络作为构建现代海洋产业体系的重要一环，推动海洋产业和数字经济融合发展。然而海洋网络覆盖基础设施缺失，海洋算力匮乏，为了支撑数字经济的发展，实现全面泛在感知互联，需要将卫星网络作为地面网络的有效补充、延伸和拓展，打造天地一体化信息网络和空天信息实时智能服务。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035远景目标纲要》明确提出要建设“高速泛在、天地一体”的信息基础设施，要求打造全球覆盖、高效运行的通导遥空间基础设施体系，在通信网络和算力等技术的赋能下对差异化应用服务自适应匹配，实现信息通信基础设施资源的高效利用。

2 海洋算力网络关键技术研究

2.1 基于确定性时延的海洋运力网

海洋运力网作为新型数字信息基础设施的底层架构，为算力资源的高效利用和算力服务按需提供进行支撑，是畅通数字经济发展信息“大动脉”的关键技术。基于F5.5G的全光品质运力网络瞄准大带宽、超低时延、超高可靠性构建确定性运力。图1展示了山东联通打造的海洋运力网架构图，针对传统承载网结构复杂、适应性差、智能化程度低等问题，打造从带宽驱动的通道式网络向体验驱动、业务驱动的算力网络。

图1 智慧光立方海洋运力网架构图

海洋运力网采用面向连接的全光网络，基于分组增强型光传送网(PeOTN)技术，支持多层间的层间适配和映射复用，实现对分组、OTN、SDH、波长等各类业务的统一灵活传送功能。

海洋运力网包括全光锚点、全光终端、全光网关、全光调度、全光地图等部分。通过海洋运力网将网络从过去的“尽力而为”的不确定性发展转而向确定性时延的算网深度融合方向演进[5]。

1)全光锚点：毫秒级入算，百米联企，万兆互联。一方面，全光锚点通过OTN网络向上联接到算力节点，实现超低时延的毫秒级入算；另一方面，全光锚点向下增强覆盖，将企业覆盖范围拉近到100米，并提供多业务综合接入；再者，全光锚点以端到端的光业务单元(OSU)硬管道能力，带宽从2M到100G无损可调，为海量用户的入云入算提供支撑[6]。OSU技术定义灵活弹性新容器(OSUflex)，以2Mb/s为步长，摆脱ODU0的颗粒度限制，可以实现带宽无损调整。同时OSU技术提供Nx2Mb/s灵活带宽管道，单波100Gb/s可提供1 000条业务连接，单根光纤支持48万个硬切片，可以实现泛在的10Gb/s万兆互联。

2)全光终端：让算力触手可及。面向大型企业、中小企业、小微企业和家庭用户，通过OTN下沉到OLT站点，提供OTN点对点、OTN点对多点、FTTR等不同全光终端，实现独享管道品质体验、业务快速开通天级TTM等网络场景创新能力。

3)全光调度：“400G+OXC”超高速全光互联，算力一跳直达。通过400G和Super C技术，打造了用户到算力节点以及算力节点之间的超高速互联。以OXC、OTN全光调度，实现用户接入到城市算力中心的毫秒级连接，建设一张超大带宽、四通八达的光互联网络。

4)全光网关：业务映射，灵活联算。作为全光品质运力网络和算力之间的“关口”，全光网关关联算力集群中的不同算力资源，配合全光锚点创建端到端的OSU管道，通过算网大脑，实现用户到云、算力节点端到端的灵活联接。

5)运力地图：多因子选路，最优解入算。如图2所示，将带宽、时延、可靠性、能耗、利用率等运力资源全面数字化，并通过多因子均衡算法，运力地图一方面帮助运营商实现对网络进行全面规划、运维和管理，另一方面也将根据用户配置偏好和业务SLA要求，比如最低时延、最大利用率、最高可靠性等，为用户匹配最合适的算力节点，并在用户和云、算力之间推荐最优的运力路径[6]。从而推动算力供需关系的平衡，实现算力的全局化最优调度。

图2 全光品质运力地图

2.2 基于“5G+北斗”的泛在接入算力网

海洋算力网络在现有的网络即服务的基础上要升级打造算力即服务的统一化应用平台，促进云边端的泛在算力资源能够以服务的形式被用户随时随地地获取和使用，而基于空天地一体化的泛在接入算力网是算力服务的抓手。图3展示了泛在算力网络的演进路径：第一阶段针对分散建设的多种自由云资源池，通过拉通多个资源池并进行跨域调度，支撑东数西算，拓展云边协同新业务市场；第二阶段通过对接或纳管超算、智算、政府等第三方资源池，补齐差异化算力。第三阶段充分吸纳闲散边缘算力和空天广覆盖算力，实现5G+北斗的泛在算力接入。

空天地一体化算力网融合了地面移动通信网络、高轨的GEO和中低轨NGSO卫星通信网络、高空浮空器和无人机空基网络[7]，构成了高、中、低和地面网络的分层网络结构，如图4所示。天基网络基于北斗通信卫星立体覆盖能力，引入地面网络的NFV/SDN技术、边缘计算和云边协同技术，搭建统一接口、自主路由、无缝组网的星云算力节点[8]。地面网络负责大部分算力供给，具备高带宽低延时和高可靠性等优势，能够处理面向超大流量和海量数据的复杂计算。通过天基网络和地面网络的分布式协同可以实现将网络服务和算力资源扩展到网络边缘，形成通感算一体化的天地协同的算力网络体系。

图4 空天地一体化算力网系统结构

基于“5G+北斗”融合的新型基础设施建设，有助于实现无线通信网络的全球覆盖，帮助用户随时随地访问数据中心的澎湃算例，拓宽运营商服务和应用范围，打造创新性场景应用。泛在接入算力网突出灵活、智能、高效、快速响应部署、高可靠的组网特性，侧重关注全网的整合能力，加强企业局域网与各种云的跨域互通能力，提升沟通效率，激活“一核引领、三极支撑、两带提升、全省协同”经济带企业创新和盈利能力。

2.3 基于算网编排引擎的多模态网络

海洋算力网络需要基于“空—天—地—海—底”观测系统，构建面向海洋的遥感图像、时空序列数值、仿真数据、文献资料以及监控音视频等大规模多模态数据网络，结合海洋领域差异化场景需求，提供海洋多模态智能计算服务。图5展示了海洋多模态智能计算典型应用场景。

图5 海洋多模态智能计算典型应用场景

为了提高云、边、端三级算力的协同工作效率，海洋算力网络服务编排和资源调度系统架构如图6所示。在云网边一体化的趋势下，业务的分布式部署促使云内、云间和入云网络的网络能力进行整合[9-10]。基于SDN的算力调度架构，海洋算力网络通过控制器向数据转发面发送转发策略和路由表等网络信息，快速接入异构算力资源，实现算力节点的调度和容器承载。依托SDN/NVF技术可以将此类能力以服务形式封装，底层光网等基础设施对云计算保持充分的感知性，令算力的调度可以根据网络的性能与业务的类型得到更好的保障，云网融合能够为各级算力的调度管理提供更为便捷的方式。从平台订制、业务编排、指令下发等全生命周期实现端到端快速开通部署，给客户确定性的分钟级专网打通方案。

图6 算力网络智能编排引擎

3 海洋经略专网实践

山东联通积极贯彻党中央十八大提出的海洋强国战略，坚持陆海统筹，向海图强，深入实施海洋强省建设行动。传统通信网络无法支撑沿海科技的高质量发展，海洋经略数字方案的全面升级成为沿海地区网络建设的重大课题。为了支持海洋产业应用对于网络带宽、时延和算力的需求，基于空天地海一体化算力网络技术建设部署全面感知、泛在互联、普适计算和融合应用到海洋经略专网[11]。

图7展示了山东联通海洋算力网络整体架构。整体方案使用OXC、ASON、OSU和云预联结等技术融合部署，省际骨干网与本地核心共点采用一体化建设，通过省本一体方式完善城域PeOTN覆盖，构建全光立体骨干网。支持EoO、EoS、OSU入云，中小颗粒业务采用EoS/OSU入云，大颗粒业务采用EoO入云。支持业务自动化发放以及SLA可视。一体化网络全部纳入集中智能管控，全程全光全网ROADM智能一体，路由更加丰富，可以实现资源互补和多路径保护。

图7 山东联通算力网络整体架构

山东联通依托空天地一体化的海洋算力网络打造黄/渤海一体化海洋经略专网，基于5G+北斗多源融合感知技术构建高速泛在的算网底座，基于5G/F5G固移超宽带融合接入技术实现前向链路信息和光模块状态的灵活回传，并在云端对设备运行和环境数据进行大数据分析。在海上风电场等场景中，实现风机自动化控制、多维数据泛在感知、分级平台互联互通和智慧化运营管理决策，如图8所示。

图8 海洋算力网络创新场景应用

图9展示了黄/渤海一体化海洋经略专网在新型现代化智慧渔港创新场景下的实践部署案例。通过“5 G+北斗”的泛在互联能力实现远海区域的澎湃算力接入，通过确定性5G/F5G全光运力网实现超算中心算力的低时延高可靠的零感传输。与第三方业务管理平台结合形成布局合理、结构优化、功能互补、设施完备、服务完善、可持续发展的渔港综合监管体系，为实现“科技兴海”“科技兴渔”奠定基础。

图9 黄/渤海一体化海洋经略专网的创新场景实践

4 总结与展望

在数字经济时代，算力发展和网络演进相辅相成。基于空天地海一体化的算力网络通过云、网、边、端一体化的可编程服务体系，实现了业务模式和服务能力的提升；基于服务编排和算力资源调度的算网大脑，实现了算力资源池的跨域服用和算力服务的触手可及；空天地一体化的多层次算力体系，实现了算力即服务的自组织、自适应和泛在感知。

随着各行各业数字化转型的发展，未来的算力网络技术必然向着不受空间限制、更大容量、更高质量的方向发展。本文通过打造空天地海一体化的泛在互联的算力网络实现了算力资源的泛在分布、一点触达和智能调度。未来可以通过与边缘计算和AI等技术的融合，扩展算力网络边缘算力的服务能力，提升网络边缘侧设备计算能力的瓶颈。为了积极践行网络强国战略，算力网络的演进和建设仍然任重而道远。