Los últimos desarrollos de la constelación StarLink y el enrutamiento dinámico de redes entre satélites
2020-06-24 11:50 Los
últimos desarrollos de la constelación StarLink y el enrutamiento dinámico de redes entre satélites
Autores | Liu Shuaijun, Xu Fanjiang, Liu Lixiang, Fan Yuanyuan, Wang Dapeng
(Instituto de Software, Academia China de Ciencias, Laboratorio clave del sistema de información integrado basado en el espacio)
I. Panorama general
A partir de junio de 2020, el proceso de implementación del lanzamiento de Starlink de SpaceX se ha acelerado significativamente, de menos de una vez al mes en promedio a tres lanzamientos en un solo mes. En el transcurso de la evolución del tiempo, el lanzamiento continuo de nuevos lotes de satélites, la subida o caída de satélites que ya están en órbita, hacen que la distribución de los satélites en el segmento espacial cambie constantemente. Entonces, ¿cada lote de satélites ha alcanzado la altura orbital predeterminada? ¿Es la distribución de todos los satélites en el espacio suficientemente uniforme? Al mismo tiempo, el aumento en el número de satélites Starlink y la distribución más uniforme de los satélites mejorarán la cobertura de la red Starlink y las capacidades de servicio. En comparación con lo anterior, ¿cuánta mejora se ha realizado en términos de cobertura y latencia? Por último, actualmente los satélites Starlink en órbita no tienen enlaces entre satélites y, si existen los enlaces entre satélites planificados, ¿cuáles son las mejoras en el rendimiento de la red? Después de adoptar el enlace entre satélites, ¿qué problemas deben resolverse? Con estas preguntas en mente, hemos llevado a cabo este trabajo y, a menudo, agradecemos sus intercambios y discusiones.
2. Análisis de rendimiento y distribución en órbita de la constelación Starlink actual
1 Distribución en órbita
Desde el lanzamiento del primer lote de satélites Starlink el 24 de mayo de 2019, hasta el 21 de junio de 2020, se han realizado un total de 9 lanzamientos. Los primeros ocho lanzamientos fueron de 60 estrellas por una flecha y el noveno lanzamiento fue de 58 estrellas por flecha. Hora de lanzamiento y otra información, hicimos algunos trabajos de acabado, que se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 1: Programa de lanzamiento del satélite Starlink 
Nota
Nota 1: La hora de emisión se refiere a la hora local de Beijing, es decir, cuando la coordinación internacional UTC + 0800;
Nota 2: La lanzamiento actual Los nueve lotes de satélites están equipados con Falcon 9 Block 5.
Nota 3: El tiempo de referencia de datos para el análisis de satélites en órbita en este artículo es 2020.06.21.
Las estadísticas de altura en órbita de 538 satélites en órbita se muestran en la siguiente figura. Se puede ver que hay 274 satélites operando a la altitud orbital predeterminada de 550 km, lo que representa el 51%. La mayoría de los demás satélites están en proceso de ascenso orbital y algunos satélites están por debajo de los 300 km (cerca de fallar).
Figura 1 La altura del satélite Starlink en órbita
Un análisis más detallado de la altura en órbita de cada lote de satélites de lanzamiento, podemos encontrar que todos los satélites en el primer lote están por debajo de 540 km, 2/3 satélites (40 satélites) están ubicados a la altura orbital de 500-540 km; y el 40 satélites se encuentran a una altura orbital de 500-540 km. El satélite estaba a más de 540 km hace más de un mes (tiempo de referencia de datos: 2020.04.30). Después de todo, este lote de satélites se ha utilizado como una versión de demostración, y aún no ha logrado un mantenimiento continuo y estable en órbita durante el funcionamiento. En comparación, el segundo al cuarto lote de satélites como la versión oficial básicamente han entrado en la órbita programada. El tiempo de lanzamiento del cuarto lote (tiempo de lanzamiento del 2020.01.29) ha sido de 144 días a partir de hoy (2020.06.21). El análisis del proceso de cambio de órbita del satélite Starlink también resumió aproximadamente que el tiempo desde el lanzamiento hasta la altura de la órbita predeterminada para todos los satélites es de 125 días. Los lotes quinto a sexto de satélites que entraron en la órbita predeterminada representaron aproximadamente 2/3. Han pasado 125 días y 95 días respectivamente desde la fecha de lanzamiento. El análisis de seguimiento verá que el último grupo del quinto lote de satélites entrará en la órbita programada, el séptimo lote de satélites que entraron en la órbita programada representó 1/3, y los dos lotes restantes de satélites estaban básicamente a la altura orbital de 300 ~ 400 km debido a nuevos lanzamientos.
Figura 2 Estadísticas de la altura en órbita del satélite Starlink en lotes
2 Cambio de pista
Los 9 lotes de 538 satélites Starlink lanzados en total han sido analizados para el proceso de cambio de altura orbital desde la fecha de lanzamiento (lapso de tiempo: 1 año y 29 días), y los resultados se muestran en la siguiente figura. Por un lado, se puede observar que el despliegue de la constelación Starlink se ha acelerado significativamente. Por otro lado, se puede observar que el proceso de ascenso orbital de cada lote de satélites es muy ordenado (excepto el primer lote de satélites). Versión de demostración). El análisis de la escalada orbital relevante se ha descrito en el artículo anterior. El análisis se realiza en, por lo que no lo repetiré aquí.
Figura 3 Proceso de cambio de órbita de satélite Starlink.
En el análisis de todos los cambios de órbita de satélite en la Figura 3, encontramos un fenómeno bastante "extraño": el sexto lote de tres satélites numerados 45370, 45387, 45411, cada estrella Hay un conjunto de Alturas de la órbita de los satélites calculadas por TLE entre 2200 ~ 2400 km (calculadas específicamente en base al período de operación en TLE) Los resultados de la simulación en la figura anterior han excluido los datos de estos tres puntos. En cuanto al motivo de la eliminación, es porque básicamente podemos determinar que hay un problema con estos conjuntos de datos. Por un lado, los datos de SpaceTrack no son del todo precisos. Anteriormente hemos descubierto algunas fallas en él. Por ejemplo, el satélite Starlink 45181 se lanzó en el quinto lote (la hora de lanzamiento es en 2020), pero está marcado en varios grupos de TLE. Se lanza en 2019; por otro lado, estos conjuntos de datos de TLE se confirman desde el frente y la espalda, y es imposible tener tal altura orbital.
Nota Los
conjuntos problemáticos de datos TLE son los siguientes:
La Figura 3 muestra el cambio en la altura orbital a lo largo del tiempo, pero no es posible ver la uniformidad de los satélites Starlink en órbita. Para ello, analizamos la relación entre el nodo ascendente en ascensión recta RAAN del satélite en órbita actualmente y la altura orbital, como se muestra en la Figura 4.
Figura 4 Distribución de RAAN de altura en órbita del satélite Starlink y ascensión recta del nodo ascendente
Como se puede ver en la Figura 4, el satélite Starlink ha sido relativamente uniforme, y su objetivo es completar primero 18 planos orbitales igualmente espaciados, que se muestra en 18 líneas de puntos verticales grises en la figura. En la actualidad, se realiza básicamente la distribución de 15 aviones, de los cuales básicamente se han desplegado del segundo al cuarto lote de satélites, el quinto lote de satélites se desplegará próximamente, el sexto lote de satélites se desplegará en dos superficies, y el El séptimo lote de satélites se desplegará en una superficie. Los dos lotes de satélites todavía se encuentran en la fase de ascenso orbital. Según el plan de constelaciones presentado anteriormente por SpaceX, los lanzamientos posteriores de más satélites llenarán gradualmente el total esperado de 72 superficies orbitales, formando la primera fase de la constelación de satélites 1584.
Nota
: Con respecto al análisis de las dos secciones (1) - (2), también puede consultar "Seguimiento y análisis en tiempo real de los satélites de la constelación Starlink en órbita" para obtener información más detallada y una comparación antes y después.
3 Cobertura de red
El método de análisis de las características de cobertura de la constelación StarLink es básicamente el mismo que el anterior, se sigue utilizando el terminal global como punto de muestreo y el despliegue se realiza en forma de 2 latitud * 2 longitud. El análisis de las características de cobertura toma un ciclo de simulación de 1 día con una duración de paso de 60 segundos Las características de cobertura global de los 538 satélites StarLink actualmente en órbita se muestran en la siguiente figura.
Figura 5 Características de la cobertura del satélite Starlink: la cantidad de satélites visibles en el mundo
se puede ver en la Figura 5, la constelación Starlink puede formar la mejor cobertura cerca de 53 grados de latitud norte y sur, la multiplicidad de cobertura promedio puede llegar a 5, y hace un mes (2020.05 .17-12: 00) La multiplicidad de cobertura es 4, lo que significa que el número promedio de estrellas visibles ha aumentado en un 25%. Para áreas de alta latitud (por encima de 60 grados), todavía no puede proporcionar cobertura. Esta parte del área estará cubierta por satélites con ángulos de inclinación más grandes (incluidos 74/70/81 grados) en la planificación posterior; para medias y bajas áreas de latitud (por debajo de 30 grados), básicamente puede proporcionar una cobertura múltiple promedio de 1.5-3, lo que también es una mejora significativa con respecto a la anterior.
4 Retardo de extremo a extremo
Teniendo en cuenta que los satélites Starlink actualmente en órbita no tienen enlaces entre satélites, en este momento, la estación de puerta de enlace y los satélites proporcionan servicios de extremo a extremo a través de relés de varios saltos. Por ejemplo, el servicio de comunicaciones fluye de Nueva York a Seattle es Nueva York-Access Star- Station -...- Access Star-Seattle. Tomando 1 día como tiempo de simulación, el RTT de retardo de ida y vuelta de extremo a extremo se muestra en la Figura 6:
Figura 6 El análisis RTT de retardo de ida y vuelta de extremo a extremo
se puede ver en la figura superior de la Figura 6, para el tiempo de comunicación entre Nueva York y Seattle, el ratio es del 77,6%, es decir, todavía no hay enlace alcanzable en el 22,4% del tiempo. En el último análisis (17.05.2020-12: 00), el tiempo de comunicación disponible representó el 59%, un aumento de 18,6 puntos porcentuales. El RTT de un extremo a otro tiene un promedio de 51,3 ms y el RTT fluctúa mucho. En cuanto a la razón de las grandes fluctuaciones en RTT, el análisis anterior creía que "la actual constelación de StarLink aún no está distribuida de manera uniforme", conclusión que no debería ser lo suficientemente rigurosa. Ahora parece que el análisis actual de RTT solo considera la ruta de transmisión óptima de extremo a extremo, y esta ruta de transmisión cambiará inevitablemente con el movimiento del satélite durante el avance del tiempo. En cuanto a cómo reducir esta fluctuación de RTT, más consideración Acceso / enrutamiento por satélite de la estación (si hay un enlace entre satélites, se debe considerar más el enrutamiento entre satélites). En términos de retraso de extremo a extremo, en comparación con el promedio anterior de 51,8 ms, solo se reduce en menos del 1%. Esto se debe al aumento en el número de satélites y a la distribución más uniforme en órbita, que no puede reducir efectivamente el retraso de un extremo a otro, pero puede ser efectivo Incrementar el porcentaje de tiempo que se pueden establecer los servicios de comunicación, porque garantizar el 100% de disponibilidad es el primer objetivo.
Nota
Con respecto al análisis de las dos secciones (3) - (4), también puede consultar "Cobertura de la constelación de StarLink y análisis de demora" para obtener información más detallada y una comparación antes y después.
Ventajas y desafíos de los enlaces entre Samsung
La función principal del enlace entre satélites es resolver los problemas de comunicación y cobertura del área de despliegue de la estación portuaria no relacionada, porque el establecimiento de la estación requiere una consideración integral de muchos factores como la topografía, las precipitaciones, el área nacional y pronto. El enlace entre satélites puede desacoplar el lado del usuario y el lado del alimentador del satélite para optimizar el despliegue de las estaciones de puerta de enlace. Por ejemplo, el despliegue de estaciones solo en algunas áreas puede realizar servicios orientados a nivel mundial, o el despliegue de estaciones en áreas más pequeñas, como la atenuación por lluvia.
1 ventaja
01 Capacidad de servicio global
Tome las 1584 estrellas en la primera fase del sistema Starlink Phase I como ejemplo para ilustrar la mejora de las capacidades de servicio de red del enlace entre satélites. Por ejemplo, la constelación Starlink puede proporcionar servicios de acceso a Internet globales (de hecho, solo dentro de los 60 grados de latitud norte y sur) a través del enlace entre satélites + 26 estaciones de puerta de enlace Ka desplegadas en los Estados Unidos.
A través del enlace entre satélites, se puede realizar el servicio de Internet por satélite frente al área mundial. Se ha realizado el análisis antes mencionado del RTT de ida y vuelta de extremo a extremo desde Nueva York a Seattle en los Estados Unidos, y esta parte se ampliará aún más. Analice más a fondo el RTT de retardo de ida y vuelta del servicio de estación a extremo para la distribución global. El enlace directo es el escenario de investigación, y se analiza el RTT de retardo de ida y vuelta de la estación a un extremo, como se muestra en la Figura 7:
Figura 7 : 1584 estrellas en la primera fase de la constelación de Starlink fase 1. RTT de retardo de ida y vuelta de estación a extremo
en el escenario. La Figura 7 muestra que la constelación de Starlink puede lograr servicios de acceso global dentro de 60 grados de latitud norte y sur a través de inter -enlaces satelitales. Dado que en los Estados Unidos se implementan 26 pasarelas, las correspondientes están cerca de los Estados Unidos. El retardo RTT de ida y vuelta de estación a extremo es relativamente pequeño, lo que básicamente se puede lograr en 20ms. El RTT de retardo de ida y vuelta del servicio de estación a extremo en otras áreas es relativamente grande, fluctuando entre 20 y 160 ms. Al mismo tiempo, se puede observar que el retardo de servicio de la constelación Starlink en la misma línea de latitud (tráfico este-oeste) es relativamente pequeño, debido al uso de la constelación de órbita inclinada + cadena entre satélites. El mayor factor de demanda empresarial entre los 45 grados. En comparación, el servicio en la línea de longitud (el flujo del servicio en la dirección norte-sur) es deficiente y necesita experimentar más saltos de enrutamiento entre satélites y una mayor distancia de propagación. Este problema se resolverá en la constelación de planificación posterior de Starlink.
Ventaja
02 Desacoplamiento de estaciones de pasarela y áreas de servicio empresarial
Además, el enlace entre satélites puede lograr un mayor intervalo de transmisión de servicio a través de satélites, lo que hace que el despliegue de estaciones de puerta de enlace sea más conveniente, como evitar áreas con mayor atenuación por lluvia de manera más razonable. La atenuación por lluvia tiene un gran impacto en los enlaces de banda alta. Para la banda Ka planificada por Starlink a 28,5 GHz y 1% de disponibilidad de atenuación por lluvia, el área de atenuación por lluvia global puede alcanzar 17 dB con atenuación por lluvia severa. La atenuación por lluvia global se muestra en la figura siguiente:
Figura 8 El
valor global de atenuación por lluvia (dB) bajo la frecuencia portadora de la banda Ka de 28,5 GHz y la disponibilidad de atenuación por lluvia del 1%
se pueden ver en la figura anterior, la lluvia en el ecuador y las regiones de baja latitud tiene un grave impacto en el enlace por satélite. Cabe señalar que este lugar también es básicamente un lugar densamente poblado, con mayores necesidades comerciales potenciales. Cuando la red tiene enlaces entre satélites, las puertas de enlace se pueden implementar en lugares adecuados para expandir el área de servicio. Por ejemplo, tome mi país como ejemplo. En la zona costera sureste, donde la población es densa y el desarrollo económico es alto, las necesidades comerciales potenciales son grandes. Sin embargo, el despliegue de estaciones de entrada en Shanghai requiere un margen de enlace de al menos por lo menos 12 dB. Por el contrario, si se encuentra en las regiones central u occidental, la implementación regional puede reducir significativamente esta sobrecarga.
2 preguntas
01 Orientación dinámica y seguimiento de enlaces entre satélites
Las 1584 estrellas planeadas para la primera fase de la constelación Starlink son las típicas constelaciones de órbita oblicua de Walker.Cada estrella tiene cuatro enlaces entre satélites, conectados al frente y atrás de la misma órbita + izquierda y derecha en diferentes órbitas. La posición relativa de los enlaces entre satélites en la misma órbita de la constelación Starlink es básicamente la misma, mientras que la posición relativa de los enlaces entre satélites en las diferentes órbitas cambia con el tiempo. El acimut, la elevación y la distancia de la enlaces de satélite en la misma órbita y diferentes órbitas (Azimut, Elevación, Alcance, AER) para el análisis, como se muestra en la Figura 9 y la Figura 10:
Figura 9 La AER y la tasa de cambio de la cadena entre satélites ISL en el mismo orbital avión en la primera fase de la constelación Starlink con 1584 estrellas
. Figura 10 la primera fase de la constelación Starlink la AER y la velocidad de cambio de la relación ISL entre satélites en la diferente superficie orbital bajo el escenario de 1584 estrellas
se pueden ver que la posición espacial relativa del enlace entre satélites en la misma superficie orbital es fija, mientras que la posición espacial relativa del enlace entre satélites entre las diferentes superficies orbitales varía con el tiempo Variedad. Para enlaces entre satélites en diferentes órbitas, la tasa máxima de cambio de azimut del enlace es de aproximadamente 0,07 grados / s, y el cambio de ángulo sigue siendo relativamente pequeño (ligeramente inferior a la tasa de cambio máxima de 0,1 grados para el enlace entre satélites en Oneweb constelación. / s). Sin embargo, la forma de soportar el apuntado dinámico y el seguimiento de enlaces entre satélites para lograr una transmisión entre satélites confiable y de alta velocidad bajo restricciones como la limitación de potencia, la fluctuación de la plataforma y el movimiento relativo es el cuello de botella de muchas constelaciones actuales.
problema
02 Problemas de diseño del protocolo de enrutamiento para redes dinámicas entre satélites
Frente a los requisitos de redes de redes entre satélites, el diseño y la implementación de protocolos de red son cuestiones clave. La realización de la transmisión de datos de extremo a extremo a larga distancia requiere el soporte de protocolos de enrutamiento de red para encontrar rutas de transmisión de datos eficientes. Para la red de redes entre satélites a gran escala de Starlink, se deben considerar los siguientes factores:
- 1 El enrutamiento dinámico genera una gran sobrecarga de red.
Los protocolos de enrutamiento dinámico pueden percibir rápidamente cambios en la topología de la red, volver a buscar rutas a tiempo, redireccionar datos y reducir la pérdida de paquetes. El funcionamiento del protocolo de enrutamiento dinámico producirá la interacción de paquetes de protocolo entre nodos satelitales. Cuando la escala de la red es grande y el número de nodos es grande, el número de paquetes de protocolo se multiplicará, lo que dará como resultado una gran sobrecarga de la red y la ocupación de recursos de la red. Los protocolos de enrutamiento tradicionales como OSPF y AODV en el terreno tienen frecuentes interacciones de paquetes de protocolo, y los problemas mencionados anteriormente ocurrirán cuando se ejecuten en tales redes. A diferencia de la red terrestre autoorganizada, el funcionamiento de la constelación de la red entre satélites es regular y predecible, y la topología entre satélites es relativamente fija. El enrutamiento estático tiene ciertas ventajas en la red entre satélites, pero no puede detectar con eficacia fallas de la red. Por lo tanto, se debe considerar cómo comprometer o fusionar el enrutamiento estático y el enrutamiento dinámico. - 2 Tiempo de convergencia de rutas de redes a gran escala El tiempo de convergencia de rutas se
refiere al momento en que se restablece toda la ruta de la red después de que cambia la topología de la red. Durante el tiempo de convergencia de rutas, para los satélites sin funciones de almacenamiento y reenvío, los paquetes de datos serán descartado. En un protocolo de enrutamiento dinámico, la topología de la red generalmente se obtiene mediante la detección de enlaces y la inundación de la información del estado del enlace en toda la red, y se restablece el enrutamiento. El tiempo de convergencia de la ruta se compone principalmente del tiempo de detección del enlace, el tiempo completo de inundación de la red y el tiempo de cálculo del algoritmo de enrutamiento. La constelación Starlink es una topología de cuadrícula con una gran escala de red. Es necesario analizar cuánto tiempo tarda toda la red en inundarse debido a fallas de la red local o interrupciones de enlaces, y cómo reducir la turbulencia de toda la red causada por la turbulencia local. es un problema que debe tenerse en cuenta. - 3 Implementación centralizada o distribuida de protocolos de enrutamiento El enrutamiento
distribuido se refiere a la difusión de información sobre el estado del enlace, mensajes de topología, etc. entre nodos satelitales para conocer la topología de la red, y cada nodo almacena información relevante y calcula los cálculos de enrutamiento por sí mismo. El enrutamiento centralizado significa que un nodo unificado recopila información sobre el estado de la red, calcula el enrutamiento en función de toda la topología de la red y carga la información de enrutamiento a los nodos satelitales, que solo son responsables del procesamiento y reenvío de datos. Los satélites en enrutamiento distribuido tienen capacidades de cómputo autónomo, no dependen de equipos de control unificados, no hay un solo punto de falla y no hay enlaces de cuello de botella satélite-tierra con equipos de control terrestre y problemas de seguridad; sin embargo, requiere un alto almacenamiento y capacidades informáticas para satélites. Para redes a gran escala, los costos de la red de recuperación de fallas son relativamente altos y lentos. Cada nodo de la red debe ejecutar un protocolo de enrutamiento unificado, que requiere que el protocolo adopte un estándar unificado, que no es fácil de actualizar y mantener El enrutamiento centralizado es lo opuesto. Cómo combinar las ventajas y desventajas del enrutamiento centralizado y distribuido y el diseño del enrutamiento optimizado es un problema que debe tenerse en cuenta.
Además, el diseño del protocolo de enrutamiento también debe estar dirigido a los requisitos de aplicación de la constelación, considerando el equilibrio de carga y los requisitos de QoS.
Cuatro resumen y perspectiva
Este artículo toma la constelación Starlink como objeto de investigación, analiza la distribución en órbita más reciente y el rendimiento de retardo de cobertura de red, y se refiere a las características de cambio dinámico de los enlaces entre estrellas y los problemas de diseño de enrutamiento de red dinámica. Se forman las siguientes conclusiones:
- (1) Analice la distribución en órbita y el proceso de cambio de órbita de los 538 satélites Starlink actualmente en órbita. La operación general de la constelación y el cambio de órbita son básicamente las mismas que las reglas anteriores, lo que también muestra que las capacidades de control autónomo de la plataforma satelital son relativamente maduro; la cobertura y el retraso de tiempo son ambas una mejora significativa La proporción de tiempo disponible para los servicios de extremo a extremo en los Estados Unidos ha aumentado del 59% al 77,6%.
- (2) Analizó los cambios de los enlaces entre las 1584 estrellas en la primera fase de la constelación Starlink. La tasa de cambio relativa de los enlaces entre la misma órbita y diferentes planos de órbita es relativamente lenta, y el ángulo de acimut está básicamente dentro de 0.07deg. / s; para el sur global En el área de latitud norte de 60 grados, el retardo RTT de ida y vuelta del servicio de estación a extremo está entre 20-160 ms, y el retardo puede reducirse significativamente mediante el despliegue racional de estaciones en otras áreas.
- (3) Analizó los factores de consideración del enrutamiento dinámico en la red entre satélites de la constelación Starlink y aclaró la tendencia de desarrollo del enrutamiento dinámico y estático, integración centralizada y distribuida en la futura red entre satélites, que es una red entre satélites a gran escala. y enrutamiento dinámico Proponer ideas de diseño.
- (4) Durante el análisis de los datos de TLE del satélite Starlink publicados en SpaceTrack, se descubrió que algunas entradas de TLE tenían errores en el número de lanzamiento, el período de funcionamiento y otros datos. La forma en que ocurrió el error de datos de TLE se deja a las partes interesadas para investigar Más tarde Seguiremos prestando atención.
Sobre la base del trabajo anterior, realizaremos trabajos en los dos aspectos siguientes:
- (1) Enfrentando requisitos de enrutamiento y redes entre satélites a mayor escala, concéntrese en el estudio del modo de construcción de enlaces por satélite 4409 en la primera fase, incluida la posibilidad de construir un enlace entre constelaciones mixtas y cómo construir un enlace.
- (2) Analice el tiempo de convergencia de enrutamiento y otro rendimiento de los protocolos de enrutamiento como OSPF en la red terrestre tradicional, considere sus desventajas y métodos de optimización, y combine el modo de aplicación de la constelación y los requisitos comerciales desequilibrados globales, y considere el diseño del protocolo de enrutamiento optimizado. .
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