Starlink星座星間組網動態路由探討

+劉帥軍 徐帆江 劉立祥 范媛媛 王大鵬（中國科學院軟件研究所，天基綜合信息系統重點實驗室）

一、概述

自2020年6月開始，SpaceX公司在Starlink發射部署方面的進程明顯加快了進度，從先前平均每月不到一次提升至單月內就發射3個批次。當前Starlink在軌衛星是沒有星間鏈路的，而其所規劃的星間鏈路存在的話，對網絡性能有哪些方面提升？采用星間鏈路后，又需要解決哪些問題？帶著這些問題，我們開展了相關研究。

二、星間鏈路優勢及面臨挑戰

星間鏈路主要的功能是解決對無關口站部署區域的通信與覆蓋問題，因為能否建站需要綜合考慮地形地貌、降雨量、國家區域等諸多因素。星間鏈路可解耦衛星的用戶側與饋電側，優化關口站的部署。如僅在部分區域布站便可實現面向全球的服務，亦或是在雨衰等較小區域布站。

1.優勢1：全球服務能力

以Starlink一期系統的第一階段1584顆星為例，說明星間鏈路對于網絡服務能力的提升。如Starlink星座通過星間鏈路+美國區域部署的26個Ka關口站即可提供全球（實際上僅南北緯60度內）互聯網接入服務。

通過星間鏈路可實現面向全球區域的衛星互聯網服務，我們以前向鏈路為研究場景，分析站到端的往返時延RTT，如圖1所示。

圖1 Starlink星座一期第一階段1584顆星場景下站到端往返時延RTT

圖1表明在Starlink星座通過星間鏈路可實現面向全球南北緯60度以內的接入服務，由于26個關口站部署于美國區域，相應地在美國區域附近的站到端往返時延RTT較小，基本可實現20ms以內。其他區域的站到端業務往返時延RTT較大，在20-160ms之間波動。同時可看出，Starlink星座對同一緯度線上（東西向業務流）的服務時延較小，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度之間業務需求最大的因素。相比而言，在經度線上（南北方向業務流）則服務較差，需經歷較多的星間路由跳數與較大的傳播距離，該問題將在Starlink后續規劃星座中進行解決。

2.優勢2：關口站和業務服務區解耦

此外，通過星間鏈路可實現跨星更大跨度的業務傳輸，也就使得關口站的部署更為方便，如可更合理的規避雨衰較重的區域。雨衰對于高頻段鏈路影響非常大，對于Starlink所規劃的Ka頻段28.5GHz、1%雨衰可用度情況下，全球雨衰較嚴重區域可達17 dB，全球雨衰如圖2所示：

從圖2可看出，在赤道及低緯度區域降雨對衛星鏈路有較嚴重影響。值得注意的是，此處也基本上是人口較為密集的地方，潛在業務需求較大。在網絡具備星間鏈路的情況下，則可在合適地方部署關口站實現服務區域的拓展。例如以我國為例，在東南沿海區域人口密集且經濟發展程度高，潛在業務需求較大，然而在上海部署關口站則需提供至少12dB的鏈路余量，相比而言如果在中部或西部區域部署則可顯著降低此開銷。

3.問題1：星間鏈路動態指向與跟蹤問題

Starlink星座規劃的第一階段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位置基本不變，異軌道面星間鏈路相對位置則隨時間變化，對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空間位置固定不變，而異軌道面間星間鏈路相對空間位置隨時間變化。對于異軌道星間鏈路，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、平臺抖動、相對運動等約束下，支持星間鏈路動態指向與跟蹤以實現可靠與高速的星間傳輸，是當前很多星座的瓶頸所在。

圖3 Starlink星座第一階段1584顆星場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顆星場景下異軌道面星間鏈ISL的AER及變化率

4.問題2：星間動態組網路由協議設計問題

面向星間網絡組網需求，網絡協議的設計與部署是關鍵問題。實現長距離端到端數據傳輸需要網絡路由協議的支撐，為數據尋找高效的傳輸路徑。針對Starlink大規模星間網絡組網，需要考慮以下幾個因素：

（1）動態路由產生較大的網絡開銷

動態路由協議能夠迅速感知網絡拓撲的變化，及時重新查找路徑，對數據進行重路由，減少丟包。動態路由協議的運行會產生協議包在衛星節點間的交互，當網絡規模較大、節點數較多時，協議包的數量會倍數增加，產生較大的網絡開銷，占用網絡資源。地面傳統的OSPF、AODV等路由協議具有頻繁的協議包交互，運行在此類網絡中會出現上述問題。不同于地面自組織網絡，星間網絡的星座運行具有規律性和可預測性，星間拓撲比較固定，靜態路由運用在星間網絡具有一定的優勢，但無法有效感知網絡故障。因此，靜態路由與動態路由如何折中或融合，需要考慮。

（2）大規模網絡的路由收斂時間

路由收斂時間指網絡拓撲變化后全網路由重新建立的時間，在路由收斂時間內，對于無存儲轉發功能的衛星，數據包將會被丟棄。在動態路由協議中，通常通過鏈路探測與鏈路狀態信息在全網中的洪泛獲取網絡拓撲，重新建立路由。路由收斂的時間則主要由鏈路探測的時間、全網洪泛時間以及路由算法計算時間組成。Starlink星座為網格狀拓撲，網絡規模較大，局部網絡故障或鏈路中斷引發的全網洪泛需要多長時間需要分析，如何減小局部動蕩引發的全網動蕩是需要考慮的問題。

（3）路由協議的集中式或分布式部署

分布式路由指衛星節點之間通過鏈路狀態信息、拓撲消息等的擴散獲知網絡拓撲，每個節點存儲相關信息并自行進行路由計算。集中式路由指由統一節點收集網絡狀態信息，根據全網拓撲計算路由，并將路由信息上注衛星節點，衛星節點只負責數據的處理和轉發。分布式路由中衛星具有自主計算能力，不依賴統一的控制設備，不存在單點故障，也不存在與地面控制設備的星地瓶頸鏈路與安全性問題；但對衛星的存儲計算能力要求高，對大規模網絡，故障恢復網絡開銷較大且較慢，網絡中的每個節點需運行統一路由協議，要求協議采用統一標準，不易更新維護，集中式路由與之相反。如何結合集中式與分布式路由的優缺點，設計優化的路由，是需要考慮的問題。

此外，路由協議的設計還應針對星座的應用需求，考慮負載均衡、QoS要求等。

三、總結與展望

本文以Starlink星座為研究對象，分析了Starlink星座星間組網動態路由的考慮因素，并闡明了未來星間組網的動靜態路由結合、集中式與分布式結合發展趨勢，為大規模星間組網及動態路由提出設計思路。

在上述工作基礎上，我們將在如下兩方面開展工作：

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

（2）分析傳統地面網絡中的OSPF等路由協議的路由收斂時間等性能，思考其劣勢及優化方法，并結合星座應用模式及全球非均衡的業務需求，考慮優化的路由協議設計。