Starlink星座星间组网动态路由探讨

2020-03-24刘帅军徐帆江刘立祥范媛媛王大鹏中国科学院软件研究所天基综合信息系统重点实验室

卫星与网络 2020年11期

+刘帅军徐帆江刘立祥范媛媛王大鹏（中国科学院软件研究所，天基综合信息系统重点实验室）

一、概述

自2020年6月开始，SpaceX公司在Starlink发射部署方面的进程明显加快了进度，从先前平均每月不到一次提升至单月内就发射3个批次。当前Starlink在轨卫星是没有星间链路的，而其所规划的星间链路存在的话，对网络性能有哪些方面提升？采用星间链路后，又需要解决哪些问题？带着这些问题，我们开展了相关研究。

二、星间链路优势及面临挑战

星间链路主要的功能是解决对无关口站部署区域的通信与覆盖问题，因为能否建站需要综合考虑地形地貌、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，优化关口站的部署。如仅在部分区域布站便可实现面向全球的服务，亦或是在雨衰等较小区域布站。

1.优势1：全球服务能力

以Starlink一期系统的第一阶段1584颗星为例，说明星间链路对于网络服务能力的提升。如Starlink星座通过星间链路+美国区域部署的26个Ka关口站即可提供全球（实际上仅南北纬60度内）互联网接入服务。

通过星间链路可实现面向全球区域的卫星互联网服务，我们以前向链路为研究场景，分析站到端的往返时延RTT，如图1所示。

图1 Starlink星座一期第一阶段1584颗星场景下站到端往返时延RTT

图1表明在Starlink星座通过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个关口站部署于美国区域，相应地在美国区域附近的站到端往返时延RTT较小，基本可实现20ms以内。其他区域的站到端业务往返时延RTT较大，在20-160ms之间波动。同时可看出，Starlink星座对同一纬度线上（东西向业务流）的服务时延较小，这是由于其采用了倾斜轨道星座+星间链的缘故，仍是主要考虑到全球在北纬15～45度之间业务需求最大的因素。相比而言，在经度线上（南北方向业务流）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，该问题将在Starlink后续规划星座中进行解决。

2.优势2：关口站和业务服务区解耦

此外，通过星间链路可实现跨星更大跨度的业务传输，也就使得关口站的部署更为方便，如可更合理的规避雨衰较重的区域。雨衰对于高频段链路影响非常大，对于Starlink所规划的Ka频段28.5GHz、1%雨衰可用度情况下，全球雨衰较严重区域可达17 dB，全球雨衰如图2所示：

从图2可看出，在赤道及低纬度区域降雨对卫星链路有较严重影响。值得注意的是，此处也基本上是人口较为密集的地方，潜在业务需求较大。在网络具备星间链路的情况下，则可在合适地方部署关口站实现服务区域的拓展。例如以我国为例，在东南沿海区域人口密集且经济发展程度高，潜在业务需求较大，然而在上海部署关口站则需提供至少12dB的链路余量，相比而言如果在中部或西部区域部署则可显著降低此开销。

3.问题1：星间链路动态指向与跟踪问题

Starlink星座规划的第一阶段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，同轨道面前后相连+异轨道面左右相连。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变化，对同轨道和异轨道星间链路的方位角、俯仰角、距离（Azimuth, Elevation,Range, AER）进行分析，如图3和图4所示。

可以看出，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变化。对于异轨道星间链路，链路方位角最大变化率约为0.07deg/s，角度的变化还是比较小的（略低于OneWeb星座异轨道面间星间链路方位角最大变化率0.1deg/s）。然而如何在功率受限、平台抖动、相对运动等约束下，支持星间链路动态指向与跟踪以实现可靠与高速的星间传输，是当前很多星座的瓶颈所在。

图3 Starlink星座第一阶段1584颗星场景下同轨道面星间链ISL的AER及变化率

图4 Starlink星座第一阶段1584颗星场景下异轨道面星间链ISL的AER及变化率

4.问题2：星间动态组网路由协议设计问题

面向星间网络组网需求，网络协议的设计与部署是关键问题。实现长距离端到端数据传输需要网络路由协议的支撑，为数据寻找高效的传输路径。针对Starlink大规模星间网络组网，需要考虑以下几个因素：

（1）动态路由产生较大的网络开销

动态路由协议能够迅速感知网络拓扑的变化，及时重新查找路径，对数据进行重路由，减少丢包。动态路由协议的运行会产生协议包在卫星节点间的交互，当网络规模较大、节点数较多时，协议包的数量会倍数增加，产生较大的网络开销，占用网络资源。地面传统的OSPF、AODV等路由协议具有频繁的协议包交互，运行在此类网络中会出现上述问题。不同于地面自组织网络，星间网络的星座运行具有规律性和可预测性，星间拓扑比较固定，静态路由运用在星间网络具有一定的优势，但无法有效感知网络故障。因此，静态路由与动态路由如何折中或融合，需要考虑。

（2）大规模网络的路由收敛时间

路由收敛时间指网络拓扑变化后全网路由重新建立的时间，在路由收敛时间内，对于无存储转发功能的卫星，数据包将会被丢弃。在动态路由协议中，通常通过链路探测与链路状态信息在全网中的洪泛获取网络拓扑，重新建立路由。路由收敛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组成。Starlink星座为网格状拓扑，网络规模较大，局部网络故障或链路中断引发的全网洪泛需要多长时间需要分析，如何减小局部动荡引发的全网动荡是需要考虑的问题。

（3）路由协议的集中式或分布式部署

分布式路由指卫星节点之间通过链路状态信息、拓扑消息等的扩散获知网络拓扑，每个节点存储相关信息并自行进行路由计算。集中式路由指由统一节点收集网络状态信息，根据全网拓扑计算路由，并将路由信息上注卫星节点，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主计算能力，不依赖统一的控制设备，不存在单点故障，也不存在与地面控制设备的星地瓶颈链路与安全性问题；但对卫星的存储计算能力要求高，对大规模网络，故障恢复网络开销较大且较慢，网络中的每个节点需运行统一路由协议，要求协议采用统一标准，不易更新维护，集中式路由与之相反。如何结合集中式与分布式路由的优缺点，设计优化的路由，是需要考虑的问题。

此外，路由协议的设计还应针对星座的应用需求，考虑负载均衡、QoS要求等。