Starlink星座星間組網(wǎng)動(dòng)態(tài)路由探討

+劉帥軍 徐帆江 劉立祥 范媛媛 王大鵬（中國(guó)科學(xué)院軟件研究所，天基綜合信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

一、概述

自2020年6月開(kāi)始，SpaceX公司在Starlink發(fā)射部署方面的進(jìn)程明顯加快了進(jìn)度，從先前平均每月不到一次提升至單月內(nèi)就發(fā)射3個(gè)批次。當(dāng)前Starlink在軌衛(wèi)星是沒(méi)有星間鏈路的，而其所規(guī)劃的星間鏈路存在的話，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有哪些方面提升？采用星間鏈路后，又需要解決哪些問(wèn)題？帶著這些問(wèn)題，我們開(kāi)展了相關(guān)研究。

二、星間鏈路優(yōu)勢(shì)及面臨挑戰(zhàn)

星間鏈路主要的功能是解決對(duì)無(wú)關(guān)口站部署區(qū)域的通信與覆蓋問(wèn)題，因?yàn)槟芊窠ㄕ拘枰C合考慮地形地貌、降雨量、國(guó)家區(qū)域等諸多因素。星間鏈路可解耦衛(wèi)星的用戶側(cè)與饋電側(cè)，優(yōu)化關(guān)口站的部署。如僅在部分區(qū)域布站便可實(shí)現(xiàn)面向全球的服務(wù)，亦或是在雨衰等較小區(qū)域布站。

1.優(yōu)勢(shì)1：全球服務(wù)能力

以Starlink一期系統(tǒng)的第一階段1584顆星為例，說(shuō)明星間鏈路對(duì)于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的提升。如Starlink星座通過(guò)星間鏈路+美國(guó)區(qū)域部署的26個(gè)Ka關(guān)口站即可提供全球（實(shí)際上僅南北緯60度內(nèi)）互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。

通過(guò)星間鏈路可實(shí)現(xiàn)面向全球區(qū)域的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，我們以前向鏈路為研究場(chǎng)景，分析站到端的往返時(shí)延RTT，如圖1所示。

圖1 Starlink星座一期第一階段1584顆星場(chǎng)景下站到端往返時(shí)延RTT

圖1表明在Starlink星座通過(guò)星間鏈路可實(shí)現(xiàn)面向全球南北緯60度以內(nèi)的接入服務(wù)，由于26個(gè)關(guān)口站部署于美國(guó)區(qū)域，相應(yīng)地在美國(guó)區(qū)域附近的站到端往返時(shí)延RTT較小，基本可實(shí)現(xiàn)20ms以內(nèi)。其他區(qū)域的站到端業(yè)務(wù)往返時(shí)延RTT較大，在20-160ms之間波動(dòng)。同時(shí)可看出，Starlink星座對(duì)同一緯度線上（東西向業(yè)務(wù)流）的服務(wù)時(shí)延較小，這是由于其采用了傾斜軌道星座+星間鏈的緣故，仍是主要考慮到全球在北緯15～45度之間業(yè)務(wù)需求最大的因素。相比而言，在經(jīng)度線上（南北方向業(yè)務(wù)流）則服務(wù)較差，需經(jīng)歷較多的星間路由跳數(shù)與較大的傳播距離，該問(wèn)題將在Starlink后續(xù)規(guī)劃星座中進(jìn)行解決。

2.優(yōu)勢(shì)2：關(guān)口站和業(yè)務(wù)服務(wù)區(qū)解耦

此外，通過(guò)星間鏈路可實(shí)現(xiàn)跨星更大跨度的業(yè)務(wù)傳輸，也就使得關(guān)口站的部署更為方便，如可更合理的規(guī)避雨衰較重的區(qū)域。雨衰對(duì)于高頻段鏈路影響非常大，對(duì)于Starlink所規(guī)劃的Ka頻段28.5GHz、1%雨衰可用度情況下，全球雨衰較嚴(yán)重區(qū)域可達(dá)17 dB，全球雨衰如圖2所示：

從圖2可看出，在赤道及低緯度區(qū)域降雨對(duì)衛(wèi)星鏈路有較嚴(yán)重影響。值得注意的是，此處也基本上是人口較為密集的地方，潛在業(yè)務(wù)需求較大。在網(wǎng)絡(luò)具備星間鏈路的情況下，則可在合適地方部署關(guān)口站實(shí)現(xiàn)服務(wù)區(qū)域的拓展。例如以我國(guó)為例，在東南沿海區(qū)域人口密集且經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度高，潛在業(yè)務(wù)需求較大，然而在上海部署關(guān)口站則需提供至少12dB的鏈路余量，相比而言如果在中部或西部區(qū)域部署則可顯著降低此開(kāi)銷。

3.問(wèn)題1：星間鏈路動(dòng)態(tài)指向與跟蹤問(wèn)題

Starlink星座規(guī)劃的第一階段1584顆星是典型的Walker傾斜軌道星座，每顆星具備四條星間鏈路，同軌道面前后相連+異軌道面左右相連。Starlink星座同軌道面星間鏈路相對(duì)位置基本不變，異軌道面星間鏈路相對(duì)位置則隨時(shí)間變化，對(duì)同軌道和異軌道星間鏈路的方位角、俯仰角、距離（Azimuth, Elevation,Range, AER）進(jìn)行分析，如圖3和圖4所示。

可以看出，同軌道面星間鏈路的相對(duì)空間位置固定不變，而異軌道面間星間鏈路相對(duì)空間位置隨時(shí)間變化。對(duì)于異軌道星間鏈路，鏈路方位角最大變化率約為0.07deg/s，角度的變化還是比較小的（略低于OneWeb星座異軌道面間星間鏈路方位角最大變化率0.1deg/s）。然而如何在功率受限、平臺(tái)抖動(dòng)、相對(duì)運(yùn)動(dòng)等約束下，支持星間鏈路動(dòng)態(tài)指向與跟蹤以實(shí)現(xiàn)可靠與高速的星間傳輸，是當(dāng)前很多星座的瓶頸所在。

圖3 Starlink星座第一階段1584顆星場(chǎng)景下同軌道面星間鏈ISL的AER及變化率

圖4 Starlink星座第一階段1584顆星場(chǎng)景下異軌道面星間鏈ISL的AER及變化率

4.問(wèn)題2：星間動(dòng)態(tài)組網(wǎng)路由協(xié)議設(shè)計(jì)問(wèn)題

面向星間網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)需求，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)與部署是關(guān)鍵問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離端到端數(shù)據(jù)傳輸需要網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的支撐，為數(shù)據(jù)尋找高效的傳輸路徑。針對(duì)Starlink大規(guī)模星間網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，需要考慮以下幾個(gè)因素：

（1）動(dòng)態(tài)路由產(chǎn)生較大的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷

動(dòng)態(tài)路由協(xié)議能夠迅速感知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓皶r(shí)重新查找路徑，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重路由，減少丟包。動(dòng)態(tài)路由協(xié)議的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生協(xié)議包在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間的交互，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大、節(jié)點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，協(xié)議包的數(shù)量會(huì)倍數(shù)增加，產(chǎn)生較大的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷，占用網(wǎng)絡(luò)資源。地面?zhèn)鹘y(tǒng)的OSPF、AODV等路由協(xié)議具有頻繁的協(xié)議包交互，運(yùn)行在此類網(wǎng)絡(luò)中會(huì)出現(xiàn)上述問(wèn)題。不同于地面自組織網(wǎng)絡(luò)，星間網(wǎng)絡(luò)的星座運(yùn)行具有規(guī)律性和可預(yù)測(cè)性，星間拓?fù)浔容^固定，靜態(tài)路由運(yùn)用在星間網(wǎng)絡(luò)具有一定的優(yōu)勢(shì)，但無(wú)法有效感知網(wǎng)絡(luò)故障。因此，靜態(tài)路由與動(dòng)態(tài)路由如何折中或融合，需要考慮。

（2）大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的路由收斂時(shí)間

路由收斂時(shí)間指網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓笕W(wǎng)路由重新建立的時(shí)間，在路由收斂時(shí)間內(nèi)，對(duì)于無(wú)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)功能的衛(wèi)星，數(shù)據(jù)包將會(huì)被丟棄。在動(dòng)態(tài)路由協(xié)議中，通常通過(guò)鏈路探測(cè)與鏈路狀態(tài)信息在全網(wǎng)中的洪泛獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌匦陆⒙酚伞Ｂ酚墒諗康臅r(shí)間則主要由鏈路探測(cè)的時(shí)間、全網(wǎng)洪泛時(shí)間以及路由算法計(jì)算時(shí)間組成。Starlink星座為網(wǎng)格狀拓?fù)洌W(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，局部網(wǎng)絡(luò)故障或鏈路中斷引發(fā)的全網(wǎng)洪泛需要多長(zhǎng)時(shí)間需要分析，如何減小局部動(dòng)蕩引發(fā)的全網(wǎng)動(dòng)蕩是需要考慮的問(wèn)題。

（3）路由協(xié)議的集中式或分布式部署

分布式路由指衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)鏈路狀態(tài)信息、拓?fù)湎⒌鹊臄U(kuò)散獲知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌總€(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)相關(guān)信息并自行進(jìn)行路由計(jì)算。集中式路由指由統(tǒng)一節(jié)點(diǎn)收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，根據(jù)全網(wǎng)拓?fù)溆?jì)算路由，并將路由信息上注衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)發(fā)。分布式路由中衛(wèi)星具有自主計(jì)算能力，不依賴統(tǒng)一的控制設(shè)備，不存在單點(diǎn)故障，也不存在與地面控制設(shè)備的星地瓶頸鏈路與安全性問(wèn)題；但對(duì)衛(wèi)星的存儲(chǔ)計(jì)算能力要求高，對(duì)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，故障恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷較大且較慢，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)需運(yùn)行統(tǒng)一路由協(xié)議，要求協(xié)議采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不易更新維護(hù)，集中式路由與之相反。如何結(jié)合集中式與分布式路由的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)優(yōu)化的路由，是需要考慮的問(wèn)題。

此外，路由協(xié)議的設(shè)計(jì)還應(yīng)針對(duì)星座的應(yīng)用需求，考慮負(fù)載均衡、QoS要求等。

三、總結(jié)與展望

本文以Starlink星座為研究對(duì)象，分析了Starlink星座星間組網(wǎng)動(dòng)態(tài)路由的考慮因素，并闡明了未來(lái)星間組網(wǎng)的動(dòng)靜態(tài)路由結(jié)合、集中式與分布式結(jié)合發(fā)展趨勢(shì)，為大規(guī)模星間組網(wǎng)及動(dòng)態(tài)路由提出設(shè)計(jì)思路。

在上述工作基礎(chǔ)上，我們將在如下兩方面開(kāi)展工作：

（1）面向更大規(guī)模星間組網(wǎng)和路由需求，重點(diǎn)研究第一期4409顆衛(wèi)星的建鏈模式，包括混合星座之間是否建鏈及如何建鏈等問(wèn)題。

（2）分析傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)中的OSPF等路由協(xié)議的路由收斂時(shí)間等性能，思考其劣勢(shì)及優(yōu)化方法，并結(jié)合星座應(yīng)用模式及全球非均衡的業(yè)務(wù)需求，考慮優(yōu)化的路由協(xié)議設(shè)計(jì)。