前沿 | StarLink星座最新动态及星间组网动态路由探讨

时间:2020-07-01  来源:未知   作者:admin

原标题:前沿 | StarLink星座最新动态及星间组网动态路由探讨

StarLink星座最新动态及星间组网动态路由探讨

作者 | 刘帅军、徐帆江、刘立祥、范媛媛、王大鹏

(中国科学院柔件钻研所,天基综相符新闻编制重点实验室)

概述

自2020年6月最先,SpaceX公司在Starlink发射安放方面的进程清晰添快了进度,从先前平均每月不到一次升迁至单月内就发射3个批次。而随时间的演进过程中,新批次卫星的不息发射、已在轨卫星的爬升或坠落,都使得空间段卫星分布时刻在转折。那么,各批次卫星是否已进入预定轨道高度?一切卫星在空间的分布是否满有余均匀?同时,Starlink卫星数目的增补、卫星的更均匀分布,将升迁Starlink网络隐瞒和服务能力。相比先前,在隐瞒、时延等方面有多大升迁?末了,现在Starlink在轨卫星是异国星间链路的,而其所规划的星间链路存在的话,对网络性能有哪些方面升迁?采用星间链路后,又必要解决哪些题目?带着这些题目,吾们开展了本项做事,也常迎接行家的交流与探讨。

现在Starlink星座在轨分布及性能分析

1

在轨分布

自2019.05.24发射第一批次Starlink卫星以来,截止2020.06.21共计进走了9次发射,前八次发射都是一箭60星,第九次发射是一箭58星。关于发射时间等新闻,吾们做了一些清理做事,如下外所示:

外1:Starlink卫星发射时间外

睁开全文

注1:发射时间指北京当地时间,即国际融应时UTC 0800;

注2:现在发射的9个批次卫星均搭载猎鹰9型号Falcon9 Block 5。

注3:本文对在轨卫星分析的数据参考时间为2020.06.21.

对在轨538颗卫星的在轨高度统计如下图所示。可看出,已做事在预定550km轨道高度的卫星有274颗,占比51%,其他绝大无数卫星均处于轨道爬升过程,片面卫星已矮于300km(挨近失效)。

图1 Starlink卫星在轨高度

进一步对各批次发射卫星的在轨高度进走分析,吾们可发现,第一批次一切卫星均矮于540km,2/3卫星(40颗)是位于500~540km的轨道高度;而该40颗卫星在一个多月前(数据参考时间:2020.04.30)是高于540km的,毕竟该批次卫星行为Demo版本,运走过程中尚未做到赓续安详的在轨维持。相比而言,行为正式版本的第二~四批次卫星基本已一切进入预定轨道,第四批次(发射时间2020.01.29)的发射时间距今(2020.06.21)已144天,前述对Starlink卫星变轨过程分析中也大致总结了,从发射到一切卫星爬升到预定轨道高度的时间是125天。而第五~六批次进入预定轨道的卫星占比大约2/3,自愿射之日首距今别离已有125天、95天,后续分析中将看到第五批次卫星末了一组即将进入预定轨道;第七批次卫星进入预定轨道占比1/3,其余两批次卫星由于新发射,基本都处于300~400km轨道高度。

图2Starlink卫星在轨高度分批次统计

2

变轨情况

对发射的9批次共计538颗Starlink卫星,自愿射之日首至今(时间跨度:1年零29天)的轨道高度转折过程进走分析,效果如下图所示。一方面可看出Starlink星座在安放方面清晰添快,另一方面也看出各批次卫星的轨道爬升过程专门有序(除却第一批次的Demo版本),有关轨道爬升的分析已在前述文章中进走分析,此处不再赘述。

图3 Starlink卫星轨道转折过程

在分析图3中一切卫星轨道转折过程中,吾们发现一个比较“奇迹”的形象:第六批次中编号为45370、45387、45411的三颗卫星,每颗星均有一组TLE所算出来的卫星轨道高度在2200~2400km(详细是基于TLE中运走周期计算而来的)之间,上图中仿真效果已剔除该三个点的数据。至于剔除的因为,是由于吾们基本能够确定是这几组数占有题目。一方面,来自SpaceTrack的数据并非十足实在准确,先前吾们就发现其存在的一些纰漏,如Starlink卫星45181是第五批次发射的(发射时间在2020年),但有几组TLE中将其标记为2019年发射;另一方面,这几组TLE数据以前后印证来看,也是不能够展现如许轨道高度的情况。

有题目的几组TLE数据如下:

图3中是轨道高度随时间的转折,然而并未能看出Starlink卫星在轨分布的均匀水平。为此,吾们分析现在在轨卫星的升交点赤经RAAN与轨道高度的有关,如图4所示。

图4 Starlink卫星在轨高度及升交点赤经RAAN分布

由图4可看出,Starlink卫星已较为均匀,其现在的是最先完善18个等阻隔轨道面,即图中18条灰色竖直虚线所示。现在,基本实现15个面的分布,其中第二~四批卫星基本已安放完毕,第五批卫星即将安放完毕,第六批卫星完善两个面安放,第七批卫星完善一个面安放,盈余两批卫星仍处于轨道爬升阶段。按SpaceX先前挑交星座规划的方案,后续更多卫星的发射,将逐步填足够所预期的共计72个轨道面,形成第一阶段的1584颗卫星星座。

注:关于(1)-(2)两节分析,亦可参考 《Starlink星座卫星在轨实时跟进与分析》 ,以获得更详细新闻及前后对比。

3

网络隐瞒

对StarLink星座隐瞒特性的分析,手段基本上与先前相通,仍以全球分布的终端为采样点,以2纬度*2经度的手段进走安放。隐瞒特性分析取1天的仿真周期,步长60秒,现在在轨538颗StarLink卫星对全球隐瞒特性如下图所示。

图5 Starlink卫星隐瞒特性—可见卫星个数在全球分布

由图5可看出,Starlink星座在南北纬53度附近可形成最优的隐瞒,平均隐瞒重数可达5,而一个月前(2020.05.17-12:00)隐瞒重数为4,相比而言平均可见星个数升迁25%。对于高纬度区域(高于60度),仍是无法挑供隐瞒,该片面区域将由后续规划的较大倾角(包括74/70/81度)卫星挑供隐瞒服务;对于中矮纬度区域(矮于30度),基本上可挑供平均1.5-3重隐瞒,较先前也有清晰升迁。

4

端到端时延

考虑到现在在轨Starlink卫星并异国星间链路,此时,关口站和卫星间议定多跳中继的手段挑供了端到端的服务,如纽约到西雅图通信营业流为纽约-接入星-站-……-接入星-西雅图。以1天为仿真时长,端到端去返时延RTT如图6所示:

图6 端到端去返时延RTT分析

由图6上图可看出,对于纽约到西雅图之间的可通信时间占比为77.6%,即仍有22.4%时间内异国可达链路。而上次分析(2020.05.17-12:00)中,可通信时间占比为59%,升迁了18.6个百分点。端到端RTT平均为51.3ms,且RTT震荡较大。关于RTT震荡较大的因为,先前分析中认为“仍是由于现在StarLink星座分布不足均匀而导致”,该结论答该是不足厉密的。现在看来,现在RTT的分析更多仅考虑端到端最优传输路径,而此传输路径在时间推进过程中必然是随着卫星活动而转折的,至于如何降矮此RTT震荡则更多需考虑站星的接入/路由(倘若有星间链路则更多答该考虑星间路由)题目。端到端时延方面,相比先前的平均51.8ms仅降矮了不到1%,这是由于卫星数目增补及在轨更为均匀的分布,并不及有效降矮端到端时延,却能够有效升迁可竖立通钦佩务的时间占比,由于保证100%可用度才是第一现在的。

关于(3)-(4)两节分析,亦可参考《StarLink星座隐瞒与时延分析》,以获得更详细新闻及前后对比。

星间链路上风及面临挑衅

星间链路主要的功能是解决对无关口站安放区域的通信与隐瞒题目,由于能否建站必要综相符考虑地形地貌、降雨量、国家区域等诸多因素。星间链路可解耦卫星的用户侧与馈电侧,优化关口站的安放。如仅在片面区域布站便可实现面向全球的服务,亦或是在雨衰等较幼区域布站。

上风

0 1

全球服务能力

以Starlink一期编制的第一阶段1584颗星为例,表明星间链路对于网络服务能力的升迁。如Starlink星座议定星间链路 美国区域安放的26个Ka关口站即可挑供全球(实际上仅南北纬60度内)互联网接入服务。

议定星间链路可实现面向全球区域的卫星互联网服务,前述对美国纽约到西雅图的端到端去返时延RTT进走了分析,常见问题本片面做进一步的延拓。进一步分析面向全球分布的站到端营业去返时延RTT,以前向链路为钻研场景,分析站到端的去返时延RTT,如图7所示:

图7 Starlink星座一期第一阶段1584颗星场景下站到端去返时延RTT

图7外明在Starlink星座议定星间链路可实现面向全球南北纬60度以内的接入服务,由于26个关口站安放于美国区域,响答的在美国区域附近的站到端去返时延RTT较幼,基本可实现20ms以内。其他区域的站到端营业去返时延RTT较大,在20-160ms之间震荡。同时可看出,Starlink星座对联相符纬度线上(东西向营业流)的服务时延较幼,这是由于其采用了倾斜轨道星座 星间链的原由,仍是主要考虑到全球在北纬15-45度之间营业需求最大的因素。相比而言,在经度线上(南北倾向营业流)则服务较差,需经历较多的星间路由跳数与较大的传播距离,该题目将在Starlink后续规划星座中进走解决。

上风

0 2

关口站和营业服务区解耦

此外,议定星间链路可实现跨星更大跨度的营业传输,也就使得关口站的安放更为方便,如可更相符理的规避雨衰较重的区域。雨衰对于高频段链路影响专门大,对于Starlink所规划的Ka频段28.5GHz、1%雨衰可用度情况下,全球雨衰较主要区域可达17dB,全球雨衰如下图所示:

图8 Ka频段28.5GHz载频、1%雨衰可用度下

全球的雨衰值(dB)

上图可看出,在赤道及矮纬度区域降雨对卫星链路有较主要影响。值得仔细的是,此处也基本上是人口较为浓密的地方,湮没营业需求较大。在网络具备星间链路的情况下,则可在正当地方安放关口站实现服务区域的拓展。例如以吾国为例,在东南沿海区域人口浓密且经济发展水平高,湮没营业需求较大,然而在上海安放关口站则需挑供起码12dB的链路余量,相比而言倘若在中部或西部区域安放则可隐晦降矮此支付。

题目

0 1

星间链路动态指向与跟踪题目

Starlink星座所规划的第一阶段1584颗星是典型的Walker倾斜轨道星座,每颗星具备四条星间链路,同轨道眼前后相连 异轨道面旁边相连。Starlink星座同轨道面星间链路相对位置基本不变,异轨道面星间链路相对位置则随时间转折,对同轨道和异轨道星间链路的方位角、俯抬角、距离(Azimuth,Elevation, Range, AER)进走分析,可如图9和图10所示:

图9 Starlink星座第一阶段1584颗星场景下同轨道面星间链ISL的AER及转折率

图10 Starlink星座第一阶段1584颗星场景下异轨道面星间链ISL的AER及转折率

可看出,同轨道面星间链路的相对空间位置固定不变,而异轨道面间星间链路相对空间位置随时间转折。对于异轨道星间链路,链路方位角最大转折率约为0.07deg/s,角度的转折照样比较幼的(略矮于Oneweb星座异轨道面间星间链路方位角最大转折率0.1deg/s)。然而如何在功率受限、平台抖动、相对活动等管制下,声援星间链路动态指向与跟踪以实现郑重与高速的星间传输,是现在许多星座的瓶颈所在。

题目

02

星间动态组网路由制定设计题目

面向星间网络组网需求,网络制定的设计与安放是关键题目。实现长距离端到端数据传输必要网络路由制定的赞成,为数据追求高效的传输路径。针对Starlink大周围星间网络组网,必要考虑以下几个因素:

1

动态路由产生较大的网络支付

动态路由制定能够敏捷感知网络拓扑的转折,及时重新查找路径,对数据进走重路由,缩短丢包。动态路由制定的运走会产生制定包在卫星节点间的交互,当网络周围较大、节点数较多时,制定包的数目会倍数增补,产生较大的网络支付,占用网络资源。地面传统的OSPF、AODV等路由制定具有频频的制定包交互,运走在此类网络中会展现上述题目。分别于地面自布局网络,星间网络的星座运走具有规律性和可展望性,星间拓扑比较固定,静态路由行使在星间网络具有肯定的上风,但无法有效感知网络故障。所以,静态路由与动态路由如何折衷或融相符,必要考虑。

2

大周围网络的路由拘谨时间

路由拘谨时间指网络拓扑转折后全网路由重新竖立的时间,在路由拘谨时间内,对于无存储转发功能的卫星,数据包将会被屏舍。在动态路由制定中,清淡议定链路探测与链路状态新闻在全网中的洪泛获取网络拓扑,重新竖立路由。路由拘谨的时间则主要由链路探测的时间、全网洪泛时间以及路由算法计算时间构成。Starlink星座为网格状拓扑,网络周围较大,片面网络故障或链路休止引发的全网洪泛必要多长时间必要分析,如何减幼片面悠扬引发的全网悠扬是必要考虑的题目。

3

路由制定的荟萃式或分布式安放

分布式路由指卫星节点之间议定链路状态新闻、拓扑新闻等的扩散获知网络拓扑,每个节点存储有关新闻并自走计算路由计算。荟萃式路由指由联相符节点搜集网络状态新闻,根据全网拓扑计算路由,并将路由新闻上注卫星节点,卫星节点只负责数据的处理和转发。分布式路由中卫星具有自立计算能力,不倚赖联相符的限制设备,不存在单点故障,也不存在与地面限制设备的星地瓶颈链路与坦然性题目;但对卫星的存储计算能力请求高,对大周围网络,故障恢复网络支付较大且较慢,网络中的每个节点需运走联相符块儿由制定,请求制定采用联相符标准,不易更新维护,荟萃式路由与之相逆。如何结相符荟萃式与分布式路由的优弱点,设计优化的路由,是必要考虑的题目。

此外,路由制定的设计还答针对星座的行使需求,考虑负载平衡、QoS请求等。

总结与展看

本文对Starlink星座为钻研对象,对最新的在轨分布和网络隐瞒时延性能进走分析,并指明星间链路动态转折特性及动态组网路由设计题目。形成如下结论:

(1)分析现在在轨538颗Starlink卫星的在轨分布及变轨过程,团体星座运走和变轨与先前规律基本一致,也外清新卫星平台自立限制能力较成熟;隐瞒和时延方面均有隐晦升迁,以美国境内端到端营业可通信时间占比由59%升迁至77.6%。

(2)分析了Starlink星座第一阶段1584颗星星间链路的转折情况,同轨和异轨面间星间链路相对转折率较慢,方位角基本在0.07deg/s内;对于全球南北纬60度区域,可挑供站到端的营业去返时延RTT在20-160ms之间,议定在其他区域相符理布站可隐晦降矮此时延。

(3)分析了Starlink星座星间组网动态路由的考虑因素,并阐清新异日星间组网的动静态路由结相符、荟萃式与分布式结相符发展趋势,为大周围星间组网及动态路由挑出设计思路。

(4)对SpaceTrack中公布的Starlink卫星TLE数据分析过程中发现,片面TLE条现在在发射编号、运走周期等数据上有舛讹,而该TLE数据舛讹是如何发生的,留待后来关心者考察之,吾们后续也将赓续关注。

在上述做事基础上,吾们将在如下两方面开展做事:

(1)面向更大周围星间组网和路由需求,重点钻研第一期4409颗卫星的建链模式,包括同化星座之间是否建链及如何建链等题目。

(2)分析传统地面网络中的OSPF等路由制定的路由拘谨时间等性能,思考其劣势及优化手段,并结相符星座行使模式及全球非平衡的营业需求,考虑优化的路由制定设计。

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编辑:林紫、娜娜

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