浅谈LEO星座星间链路

原文链接:2018全球航天年中报告(二)浅谈LEO星座星间链路-LASA鹏

        2018上半年,Iridium NEXT发射了15颗卫星(分为2组发射,即41-50编组和51-55编组),该系统因具备星间链路等因素,在LEO星座中格外惹人关注。目前在研的SpaceX公司的StarLink星座预计设置星间链路,且为激光链路;而在建的OneWeb系统却不设置LEO星座内的星间链路。各大LEO星座的设计理念不尽相同,那么星间链路到底有何优劣呢?

        星间链路凭借其通信和测控等技术优势,比较适合不便全球布站的LEO星座,而且星间链路的抗毁性强,可以不依赖地面独立组网通信,扩大了通信系统的覆盖范围,还能在一定程度上解决地面蜂窝网的漫游问题。

        据LASA鹏的不完全统计,目前正在设计的几个LEO星座都计划采用星间链路,既然这么热闹,那就不妨泼些冷水,先来谈谈星间链路的bugs:

        1、“僧多粥少,粳米难吃”。星间链路可用的微波频率资源固定且有限,难以满足若干个大规模星座的宽带星间链路使用,这好比“僧多粥少”;而激光链路虽然带宽较宽,但其受空间光照等因素影响较大,链路可用度较低,这就是“粳米难吃”。

        2、“小庙装不下大佛,尤其是金装的大佛”。星间链路的天线或激光终端需要较为复杂的捕捉、跟踪、瞄准伺服机构和控制器,因此在低轨较小卫星平台上较难以同时安装多副星间链路天线或终端,用句俗语就是“小庙装不下大佛”。如果说常规天线是大佛,那么相控阵天线就算得上是“金装的大佛”。虽然可以选择相控阵天线,但问题在于这类天线的昂贵费用和使用寿命等因素,限制了大规模构建星座的实际使用价值。

        3、“再靠近一点点,你就跟我走”。星间链路工作时,可会与同一个星座中的其他链路或者与其他星座的星间链路产生干扰,导致各方的通信链路受到影响,LASA鹏甚至看到过尺寸较小波束极宽的所谓星间链路天线,这种宽波束的干扰就正如那句歌词所唱的,只要星间链路一干扰,别的信号跟着跑。

        4、“敢问路在何方,贫僧怎会知道”。对于规模较大的星座,星间链路的路由选择注定将是一个极其复杂的问题,加之LEO卫星的相对位置时刻在变化,因此需要时刻更新路由表,由星上完成该工作则极大地增大了卫星的复杂程度和研制难度,同时降低了卫星对技术升级更新的适应性。LASA鹏认为,这是目前LEO星座星间链路最核心的bug!

        5、“西天取经路迢迢,全靠白马蹄朝西”。针对LEO卫星的特色,星间链路需要考虑类似移动性管理问题,每颗卫星的星间链路如何及时切换到恰当的、临近的卫星波束,从而建立通信通道,这不仅是路由选择的问题,还需要天线和捕跟等相关机构密切配合。

        6、“条条大路通罗马,但是不一定能取悦凯撒”。既然通过星间链路可以在大气层外编制一张通信网络,那么通信数据的来龙去脉该如何监管,如何确保数据精准到达目的地而不被“窃取”,如何精确掌握业务信息的传输途径,这是一个需要高度重视的问题,对于这种条条大路通罗马,凯撒大帝肯定不能被取悦!

        7、“这里的山路十八弯,这里的延时不简单”。接下来该聊一聊延时问题,如果我们单独来比较一条LEO和GEO的延时,不用算也知道肯定是LEO的延时小,而LEO星座是以数量取胜,那么问题这就来了,数据在LEO星座的星间链路里穿来穿去,最终到达地面的都不知是被转过几手的东西了,这个时候还能确定的宣称LEO星座的延时小么?还不如就近落地,直接应用来的快吧。

        8、“如何逆光也清晰,怎奈太空没VIVO”。星间链路天线的指向可能变化较大,这就导致背景噪声温度的动态变化,且变化幅度可能较大,这样就会影响星间链路的正常通信,天线指向控制不当或者门限设置不当的话,要么通信阻断,要么引起自激。

       

        那么是不是说星间链路就不可取呢?当然不是。正如开篇所述的星间链路优势,只要合理设计和使用,可以充分发挥星间链路的潜力。

        1、限定使用的星间链路方式。这种模式不追求星座间可以随意建立星间链路,只与临近的卫星建立星间链路,使用转动受限的可动波束,甚至使用固定波束来建立星间链路,通过限定使用星间链路实现整个星座的最优设计,例如铱星星座。

        2、LEO/GEO中继型星间链路方式。这种模式是由LEO卫星通过星间链路与GEO卫星建立中继关系,实现LEO卫星在地面站视场外的通信服务,例如Inmarsat全球星座网络设计,LASA鹏认为OneWeb可以采用这种方法拓展业务,是不是应该向OneWeb收取咨询费呢?

        3、其实,LASA鹏目前最好奇的是StarLink的星间链路如何设计,4425颗卫星会在83个轨道平面上运行,这样规模的星间链路设计估计会让人耳目一新吧!LASA鹏只能想起一句名言:“人间正道,至简为尊”。

 

构建一个支持上处理和链路(ISL)的LEO网络协议仿真平台,首先需要理解LEO通信系统的基本原理和特性。在OPNET中,可以通过定义自定义节点模型来模拟LEO的行为,包括上处理和链路的交互。以下是构建该平台的详细步骤和注意事项: 参考资源链接:[OPNET环境下LEO网络协议仿真平台构建](https://wenku.youkuaiyun.com/doc/645bb28595996c03ac2ee2d5?spm=1055.2569.3001.10343) 1. 设计通用卫节点模型:在OPNET中创建卫节点,该节点应包含网络层协议的设计,同时考虑到上处理和链路的特性。节点模型中应包含物理层、数据链路层和网络层,而去除不必要的ATM层可以简化模型并减少系统开销。 2. 实现链路的仿真:定义ISL的逻辑和物理连接特性,包括链路的带宽、延迟和误码率等。在仿真中模拟卫的直接通信,以及卫轨道动态变化对链路质量的影响。 3. 设计上处理机制:上处理涉及数据包在卫上的路由和转发决策。在仿真模型中,需要准确地反映上处理逻辑和相关的数据处理能力。 4. 构建网络拓扑:基于LEO的轨道特点构建动态网络拓扑,考虑到卫节点的移动性和地面网关的切换管理。可以利用OPNET的事件调度器和脚本语言来模拟地面网关和卫节点的动态交互。 5. 实现切换管理:设计切换管理模块来处理卫网络的频繁切换,确保通信的连续性。模块应监测信号强度和天线角度,自动选择最佳的通信路径。 6. 测试和验证:利用OPNET的仿真引擎运行模型,收集和分析仿真结果,包括网络延迟、吞吐量和误码率等关键性能指标。确保模型能准确反映LEO网络的实际情况。 为了深入了解这些概念和实现步骤,建议参考《OPNET环境下LEO网络协议仿真平台构建》一文。文章详细探讨了如何在OPNET环境下构建LEO网络协议仿真平台,并提供了关于网络协议架构、链路支持、IP over Satellite协议优势等方面的深入分析。这份资源不仅有助于构建仿真平台,还能加深对LEO网络协议仿真的理解,为后续的研究和开发提供坚实的基础。 参考资源链接:[OPNET环境下LEO网络协议仿真平台构建](https://wenku.youkuaiyun.com/doc/645bb28595996c03ac2ee2d5?spm=1055.2569.3001.10343)
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