教人做衣服得网站有哪些,基于html5开发的网站开发,网站设计师工资怎样,苏州做网版的公司StarLink星座最新动态及星间组网动态路由探讨
2020-06-24 11:50 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 #xff08;中国科学院软件研究所#xff0c;天基综合信息系统重点实验室#xff09;
一 概述
自2020年6月开…StarLink星座最新动态及星间组网动态路由探讨
2020-06-24 11:50 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。而随时间的演进过程中新批次卫星的不断发射、已在轨卫星的爬升或坠落都使得空间段卫星分布时刻在变化。那么各批次卫星是否已进入预定轨道高度所有卫星在空间的分布是否已足够均匀同时Starlink卫星数量的增加、卫星的更均匀分布将提升Starlink网络覆盖和服务能力。相比先前在覆盖、时延等方面有多大提升最后当前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本项工作也常欢迎大家的交流与探讨。
二 当前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共计进行了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。关于发射时间等信息我们做了一些整理工作如下表所示 表1Starlink卫星发射时间表 注 注1发射时间指北京当地时间即国际协调时UTC0800 注2当前发射的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。可看出已工作在预定550km轨道高度的卫星有274颗占比51%其他绝大多数卫星均处于轨道爬升过程部分卫星已低于300km接近失效。 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行分析我们可发现第一批次所有卫星均低于540km2/3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的毕竟该批次卫星作为Demo版本运行过程中尚未做到持续稳定的在轨维持。相比而言作为正式版本的第二-四批次卫星基本已全部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所有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自发射之日起距今分别已有125天、95天后续分析中将看到第五批次卫星最后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卫星自发射之日起至今时间跨度1年零29天的轨道高度变化过程进行分析结果如下图所示。一方面可看出Starlink星座在部署方面明显加快另一方面也看出各批次卫星的轨道爬升过程非常有序除却第一批次的Demo版本相关轨道爬升的分析已在前述文章中进行分析此处不再赘述。 图3 Starlink卫星轨道变化过程 在分析图3中所有卫星轨道变化过程中我们发现一个比较“奇怪”的现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具体是基于TLE中运行周期计算而来的之间上图中仿真结果已剔除该三个点的数据。至于剔除的原因是因为我们基本可以确定是这几组数据有问题。一方面来自SpaceTrack的数据并非完全准确无误先前我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数据从前后印证来看也是不可能出现这样轨道高度的情况。 注 有问题的几组TLE数据如下
图3中是轨道高度随时间的变化然而并未能看出Starlink卫星在轨分布的均匀程度。为此我们分析当前在轨卫星的升交点赤经RAAN与轨道高度的关系如图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卫星已较为均匀其目标是首先完成18个等间隔轨道面即图中18条灰色竖直虚线所示。当前基本实现15个面的分布其中第二~四批卫星基本已部署完毕第五批卫星即将部署完毕第六批卫星完成两个面部署第七批卫星完成一个面部署剩余两批卫星仍处于轨道爬升阶段。按SpaceX先前提交星座规划的方案后续更多卫星的发射将逐步填充满所预期的共计72个轨道面形成第一阶段的1584颗卫星星座。 注 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》 以获得更详细信息及前后对比。
3 网络覆盖
对StarLink星座覆盖特性的分析方法基本上与先前相同仍以全球分布的终端为采样点以2纬度*2经度的方式进行部署。覆盖特性分析取1天的仿真周期步长60秒当前在轨538颗StarLink卫星对全球覆盖特性如下图所示。 图5 Starlink卫星覆盖特性—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覆盖平均覆盖重数可达5而一个月前2020.05.17-12:00覆盖重数为4相比而言平均可见星个数提升25%。对于高纬度区域高于60度仍是无法提供覆盖该部分区域将由后续规划的较大倾角包括74/70/81度卫星提供覆盖服务对于中低纬度区域低于30度基本上可提供平均1.5-3重覆盖较先前也有明显提升。
4 端到端时延
考虑到当前在轨Starlink卫星并没有星间链路此时关口站和卫星间通过多跳中继的方式提供了端到端的服务如纽约到西雅图通信业务流为纽约-接入星-站-……-接入星-西雅图。以1天为仿真时长端到端往返时延RTT如图6所示 图6 端到端往返时延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%时间内没有可达链路。而上次分析2020.05.17-12:00中可通信时间占比为59%提升了18.6个百分点。端到端RTT平均为51.3ms且RTT波动较大。关于RTT波动较大的原因先前分析中认为“仍是由于当前StarLink星座分布不够均匀而导致”该结论应该是不够严谨的。现在看来当前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运动而变化的至于如何降低此RTT波动则更多需考虑站星的接入/路由如果有星间链路则更多应该考虑星间路由问题。端到端时延方面相比先前的平均51.8ms仅降低了不到1%这是由于卫星数量增加及在轨更为均匀的分布并不能有效降低端到端时延却可以有效提升可建立通信服务的时间占比因为保证100%可用度才是第一目标。 注 关于3-4两节分析亦可参考《StarLink星座覆盖与时延分析》以获得更详细信息及前后对比。
三 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
01 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前述对美国纽约到西雅图的端到端往返时延RTT进行了分析本部分做进一步的延拓。进一步分析面向全球分布的站到端业务往返时延RTT以前向链路为研究场景分析站到端的往返时延RTT如图7所示 图7 Starlink星座一期第一阶段1584颗星场景下站到端往返时延RTT 图7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的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。 优势
02 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。
2 问题
01 星间链路动态指向与跟踪问题
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及变化率 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及变化率 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。 问题
02 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计算路由计算。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。
四 总结与展望
本文对Starlink星座为研究对象对最新的在轨分布和网络覆盖时延性能进行分析并指明星间链路动态变化特性及动态组网路由设计问题。形成如下结论
1分析当前在轨538颗Starlink卫星的在轨分布及变轨过程整体星座运行和变轨与先前规律基本一致也表明了卫星平台自主控制能力较成熟覆盖和时延方面均有显著提升以美国境内端到端业务可通信时间占比由59%提升至77.6%。2分析了Starlink星座第一阶段1584颗星星间链路的变化情况同轨和异轨面间星间链路相对变化率较慢方位角基本在0.07deg/s内对于全球南北纬60度区域可提供站到端的业务往返时延RTT在20-160ms之间通过在其他区域合理布站可显著降低此时延。3分析了Starlink星座星间组网动态路由的考虑因素并阐明了未来星间组网的动静态路由结合、集中式与分布式结合发展趋势为大规模星间组网及动态路由提出设计思路。4对SpaceTrack中公布的Starlink卫星TLE数据分析过程中发现部分TLE条目在发射编号、运行周期等数据上有错误而该TLE数据错误是如何发生的留待后来关心者考察之我们后续也将持续关注。
在上述工作基础上我们将在如下两方面开展工作
1面向更大规模星间组网和路由需求重点研究第一期4409颗卫星的建链模式包括混合星座之间是否建链及如何建链等问题。2分析传统地面网络中的OSPF等路由协议的路由收敛时间等性能思考其劣势及优化方法并结合星座应用模式及全球非均衡的业务需求考虑优化的路由协议设计。
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