孫耀華 馮昕澳 彭木根

北京郵電大學網絡與交換技術全國重點實驗室，北京 100876

摘 要

得益于衛星制造與火箭發射技術的進步，巨型低軌星座組網已成為未來衛星互聯網的重要發展方向。與傳統低軌星座相比，多軌道混合組網，不同高度衛星分層聯合形成的多軌、異構混合巨型星座具有節點數量更多、拓撲動態性更強等新特征。面向此類特點，首先從星座設計、協議融合、拓撲表征、路由算法、網絡仿真等5個方面總結巨型低軌星座組網面臨的挑戰，然后從網絡架構、協議設計、網絡編址、星間建鏈、故障恢復等方面介紹巨型星座組網關鍵技術，并對其發展方向進行展望，以期對我國衛星互聯網建設提供參考。

關鍵詞：低軌衛星網絡；巨型星座組網；衛星路由

DOI: 10.11959/j.issn.2096-8930.2024039

引用格式：

孫耀華,馮昕澳,彭木根.低軌巨型星座組網：挑戰與關鍵技術[J].天地一體化信息網絡,2024,05(04):57-74. SUN Y H,FENG X A,PENG M G.Mega LEO Satellite Constellations Networking: Challenges and Key Technologies[J].Space-Integrated-Ground Information Networks,2024,05(04):57-74.

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引言

國際電信聯盟（ITU）在《IMT 面向 2030 及未來發展的框架和總體目標建議書》中明確指出“泛在連接”是6G的主要應用場景之一。為實現“泛在連接”中“任何人，任何時間，任何地點”都可以通信的移動通信目標，擁有覆蓋范圍廣、抗毀能力強、不受地理環境制約等優勢的衛星通信系統成為6G建設中的關鍵一環。衛星通信系統可由多種衛星構成，根據軌道高度不同，可將其進一步分為地球靜止軌道（Geostationary Earth Orbit，GEO）衛星，中軌（Medium Earth Orbit，MEO）衛星和低軌（Low Earth Orbit，LEO）衛星。GEO和MEO衛星較高的軌道高度導致其對地傳播時延在30~120 ms，無法滿足當前地面用戶低時延的通信需求。相比GEO和MEO衛星，LEO衛星憑借對地傳播時延小、信號衰減少、單點故障易解決等優勢成為產學界的研究熱點。LEO衛星軌道高度較低（500~1 500 km），導致單星覆蓋區域半徑僅為幾百千米，因此需要通過大規模部署才能實現全球覆蓋并滿足用戶的QoS需求，早期LEO衛星高昂的研制和發射成本成為阻礙其大規模部署的重要因素。

近年來，隨著工業生產和通信技術的不斷進步，低軌星座網絡得以再次興起。先進的集成電路技術和批量化、模塊化的衛星制造技術使衛星制造成本顯著降低，SpaceX公司已將單顆衛星的制造成本從銥星二代的3 067萬美元/顆降低至50萬美元/顆，同時Starlink衛星容量為OneWeb的23.3倍，但成本僅為其一半，具有顯著的成本效益。“一箭多星”技術大大提高了衛星發射效率，2021年1月，SpaceX公司使用“獵鷹9”號火箭實現一箭143星，創造全球單次衛星發射數量新紀錄。2024年6月27日，SpaceX公司的B1062.22一級火箭完成第22次回收，打破了火箭復用最高紀錄，進一步縮小了衛星的發射成本。在采用最新技術和星艦可重復發射22次的前提下，Starlink衛星的發射成本已降至300美元/千克，該成本約為當前國內民營航天發射單價（2萬人民幣/千克）的1/10~1/9水平。馬斯克曾表示當火箭重復利用10次以上時，單次發射的凈利潤可達5 000萬美元。此外，波束成形以及光學星間鏈路等技術使得衛星擁有了更高的傳輸速率、更靈活的覆蓋能力和更大的系統容量（單星容量數十Gbit/s，系統容量達Tbit/s量級。據Space Capital機構預測，2026年全球衛星通信行業理論容量預計可達218 Tbit/s，其中91%來自LEO衛星）。同時，隨著星間激光通信技術的成熟，星間鏈路帶寬在2030年預計可達100 Gbit/s以上，衛星間可實現大帶寬直接組網，不但解決了海外信關站部站難問題，還避免了星地多跳數據轉發，可大幅減小端到端通信時延。因此，傳統低軌星座網絡部署成本高、傳輸速率慢、業務范圍窄的問題得以解決，巨型低軌星座低成本、高帶寬、低時延的全球互聯服務優勢愈發凸顯，其蘊含的商業價值不容小覷。為搶占國際戰略制高點，在技術、需求的雙重驅動下，國內外爭相開展大規模低軌星座部署計劃。截至2024年6月30日，SpaceX公司已發射6 698顆星鏈衛星，其中約6 220顆在軌正常運行，占全球活躍低軌衛星總量的64%。同時，其計劃2024年完成約12 000顆星鏈衛星的部署，并在2027年將該數值進一步增加至42 000顆，從而完成無死角全球覆蓋。2020年4月我國將衛星互聯網納入新型基礎設施建設范圍，2022年《“十四五”數字經濟發展規劃》中明確指出要“建設天地一體的數字信息基礎設施，加快布局衛星通信網絡，推動衛星互聯網建設”。中國衛星網絡集團有限公司已向國際電信聯盟提交GW-A59和GW-2寬帶互聯網星座計劃，預計建設一個由12 992顆衛星組成的大規模低軌星座系統。上海市政府于2023年12月30日開始推動G60星座建設，預計2027年形成完整產業鏈，并最終建設具有12 000顆衛星的低軌星座，滿足全球寬帶網絡傳輸需求。此外，2024年5月4日，上海藍箭鴻擎科技有限公司向ITU申報了“鴻鵠3號”星座計劃，包含共計10 000顆衛星，分布在160個軌道面上，該星座成為我國第3個擁有過萬衛星數量的低軌衛星星座。當前，全球衛星數量正處在爆發式增長階段，低軌衛星互聯網將正式邁入大規模、巨型化時代。

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巨型低軌星座組網挑戰

巨型低軌星座通常由數千顆衛星組成，這些衛星部署在不同類型、不同高度的軌道面內，且具備星上處理能力并搭載收發機載荷。在星座中，衛星可通過星間鏈路進行組網，最終形成跨軌、異構的混合巨型星座，可在全域全立體空間提供“泛在連接”。與傳統低軌星座相比，巨型低軌星座的星座規模急劇上升，使其具有了構型更復雜、節點數量更多、拓撲動態性更強的新特征，為巨型低軌星座組網帶來了全新挑戰。

星座設計約束多

星座構型設計是部署低軌星座網絡的前提和關鍵。在進行構型設計時，通常會根據覆蓋率或用戶QoS需求，采用幾何解析法或優化設計法得到軌道高度、衛星數量、軌道個數等，從而完成星座設計。與傳統低軌星座不同，巨型星座龐大的衛星節點數量與復雜的連接關系為網絡建模帶來困難，同時巨型星座中存在大量異構衛星，其在覆蓋能力、星載資源等方面具有顯著差異，成為了星座設計時必須考慮的實際約束。因此，在多個約束條件下，如何設計滿足需求的衛星星座，同時盡量減少衛星部署成本和構型設計開銷成為巨型星座組網中的一大挑戰。

網絡協議融合難

網絡協議是衛星網絡實現端到端數據傳輸的上層保障，然而在較大時延、較高誤碼率的衛星通信場景下，地面成熟的TCP/IP協議體系在傳輸效率方面將大打折扣。面向衛星通信特殊的傳播環境，雖然已有空間通信協議規范（Space Communication Protocol Standards，SCPS）、容遲網絡（Delay Tolerant Network，DTN）等星間通信協議被提出，但受到傳輸環境、星上載荷能力等多種因素制約，其發展仍遠遠落后于地面網絡。通常，巨型星座網絡中會存在多種頻段的星間鏈路，同時多系統互相級聯的異構組網模式也將進一步加劇多種網絡協議共存問題，因此面向未來天地一體化發展趨勢，如何實現星間、星地網絡協議融合，使不同衛星運營商間可以互聯互通也是一大挑戰。

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星座拓撲強動態

利用星上搭載的收發機載荷，衛星間可建立一條或多條星間鏈路，完成天基網絡構建。在傳統單層低軌星座中，通常采用 “一星四鏈”結構實現星間組網，最終整個星座會形成規則曼哈頓網絡，這種網絡具有鏈路穩定、組網簡單等性能優勢。在巨型星座下，基于“一星四鏈”結構的星座拓撲會使網絡平均端到端轉發跳數明顯增加，大幅惡化網絡傳輸效率。同時除同層衛星內建立的星間鏈路，不同軌道高度的衛星間也能建立層間鏈路，滿足巨型星座跨軌組網需求。不同高度的衛星間存在較為明顯的相對運動，使層間鏈路頻繁通斷，導致網絡拓撲具有較強動態特性，因此，如何在保障傳輸效率的前提下設計星間建鏈方案，盡量減小鏈路通斷頻率從而降低網絡拓撲管理開銷成為巨型星座組網中的一大挑戰。

路由算法開銷大

路由算法是保障衛星節點互聯互通以及高效數據傳輸的技術基礎，地面網絡中成熟的OSPF、RIP等路由協議都是面向相對穩定的地面拓撲進行設計的，低軌衛星網絡拓撲和業務負載的高動態特性將導致這類路由策略面臨無窮收斂問題，嚴重損耗昂貴的星間鏈路帶寬資源。此外，在巨型星座下，適用于傳統低軌星座的路由方法面臨泛洪開銷大、存儲資源消耗多、算法復雜度高等一系列問題。因此，面向巨型低軌星座超高節點數量及強動態網絡拓撲，如何設計低開銷、低復雜度、穩定易收斂的輕量化路由算法，在保障用戶差異化業務需求的同時，盡可能實現網絡負載均衡，成為了巨型低軌星座組網中的重要挑戰。

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網絡仿真效率低

隨著低軌衛星的加速部署，對星座網絡進行實驗驗證與性能評估變得迫在眉睫，這是保障網絡能力滿足預期指標的重要手段。如果在真實網絡中進行實驗驗證，需要將實驗軟件預先裝載在衛星上，再將實驗星發射至太空中。面向當前不斷升級、快速迭代，技術體制多樣多變的衛星網絡，這種方法存在周期長、成本高、實驗環境不能靈活配置等問題。與之相對的，通過網絡仿真對星座性能進行先期驗證，不但可大幅降低實驗成本，還能靈活開展擴展實驗，充分探索網絡性能邊界，降低未來部署風險。巨型星座龐大的網絡規模、動態多變的衛星節點以及多維異構的網絡資源，將導致極高的仿真開銷與極大的仿真時長。因此，面向未來巨型低軌星座，如何開發真實高效低開銷、靈活易用可擴展的巨型星座網絡仿真平臺，實現“星未上天而網絡能力先知”，是未來巨型星座組網中的一大挑戰。

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巨型低軌星座組網關鍵技術

2.1 天地一體化柔性組網架構

傳統衛星通信網絡和地面移動通信網絡各自獨立組網，二者通過衛星互聯網互聯節點實現業務互通，該架構存在網絡功能配置慢、資源獨立管控、流量調度不靈活等缺點，難以滿足未來6G復雜多樣的業務需求。近年來，隨著軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）和網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）技術在地面網絡的廣泛應用，利用此類技術設計天地一體化柔性可重構網絡已成為研究熱點。SDN技術將所有的控制邏輯放到SDN控制器中，實現網絡控制平面與數據轉發平面分離，為解決衛星互聯網節點在設備、協議上的異質性提供了有效途徑。NFV技術將網絡功能與硬件設備解耦，使網絡功能以軟件形式運行在通用設備上。根據用戶業務需求、網絡資源情況、節點處理能力等，網絡編排系統可對節點進行功能定制，實現網絡功能按需重構。因此，利用SDN和NFV技術，打造基于服務架構的天地一體化柔性網絡，實現網絡功能快速按需部署，系統資源統一編排調度，滿足用戶多樣化服務需求，是未來6G衛星互聯網的重要發展趨勢，本文提出的天地一體化柔性組網架構如圖1所示。

圖1 天地一體化柔性組網架構示意

該架構利用SDN和NFV技術，由中高軌衛星、低軌衛星及地面段構成。地面段主要包括用戶節點、地面SDN控制器、任務管理中心、網絡操作控制中心、地面移動通信網絡以及互聯網。其中，任務管理中心和網絡操作控制中心屬于資源管理平面，任務管理中心可向網絡操作控制中心提出任務需求，網絡操作控制中心根據當前網絡狀態以及資源情況，對網絡節點進行功能重構與柔性編排，并將配置信息發送給地面SDN控制器。由于星地鏈路的傳播時延遠小于高軌衛星與低軌衛星間的傳播時延，因此當星地鏈路可用時，地面SDN控制器對低軌星座起控制作用，其負責將網絡操作控制中心下發的配置信息、路由表等轉發至低軌衛星SDN控制器，再由低軌衛星SDN控制器下發給其余LEO衛星，從而實現網絡柔性編排。

當星地鏈路不可用時，可利用中高軌衛星代替地面SDN控制器，對低軌衛星進行編排控制。具體的，低軌衛星SDN控制器可將收集的網絡狀態信息通過層間鏈路上傳至中高軌衛星，中高軌衛星利用輕量化云平臺進行策略計算，之后將計算得到的網絡配置下發至低軌衛星SDN控制器，完成對低軌星座的頂層管理。與僅在地面部署SDN控制器的方案相比，該方案額外利用了中高軌衛星對低軌星座進行雙端管控，大幅增強了極端條件下網絡的魯棒性與靈活度。

此外，為充分保障端到端數據傳輸效率，衛星節點可根據網絡負載情況進行星間彈性建鏈，然而此方法會導致網絡拓撲產生劇烈變化，若將拓撲更新信息全部上注至地面或中高軌SDN控制器進行集中管理，會浪費寶貴的星地/層間鏈路帶寬資源。因此，可對低軌星座進行分域管理，在每個域內選取一顆LEO衛星作為域內SDN控制器，負責收集域內網絡狀態信息。當路由更新或節點功能重構在局部發生時，可由域內SDN控制器生成相關決策，實現服務快速響應與就近轉發，從而減少網絡中的頻繁信令交互。此外，所有域內SDN控制器可組成SDN控制平面，周期性地交互各域信息，協助中高軌、地面控制器完成跨域管理，進一步提升衛星互聯網的在軌自治能力。

2.2 巨型低軌星座構型設計方法

星座構型設計是建設低軌星座系統的基礎和關鍵，其優劣對網絡魯棒性、有效性以及后期的運營維護難度都有著決定性作用。在進行星座構型設計時，主要可采用幾何解析法或優化設計法，其中幾何解析法以空間幾何、軌道動力學為基礎，通過研究星間拓撲幾何關系來確定軌道參數，具有形式簡潔、可解釋性強的優點。參考文獻[36]主要考慮軌道高度、衛星數量、覆蓋倍數等約束條件，基于覆蓋帶法，設計了一種滿足全球4重覆蓋的LEO衛星星座。在考慮攝動影響條件下，參考文獻[37]給出回歸軌道和共星下點軌跡軌道的設計方法，通過將二者結合，最終提出了所有衛星共星下點軌跡，且軌跡固定不變的星座構型設計方法。類似的，SpaceX公司以不同層星座具有相同的回歸周期為依據，完成了多層星座同步運動的構型設計，同時該構型也能保證同層內的所有衛星具有相同的星下點軌跡。SpaceX公司透露，將在第2期Starlink星座中采用這種設計方案。為復現Starlink的星座構型，參考文獻[38]在考慮攝動影響條件下，提出了類星鏈衛星星座軌道設計方法，并通過仿真驗證了此設計方案的正確性。此外，當前還有研究人員提出使用隨機幾何建模巨型星座，進而完成星座性能的分析與構型設計。圖2（a）是基于軌道參數的星座建模方案，該模型能對星座進行精準刻畫，但基于此進行星座性能分析或相關計算時，卻面臨較高的計算復雜度。與之相對的，基于二項分布（Binomial Point Process，BPP）的建模方案將衛星建模為在球面上均勻分布的點，之后可利用隨機幾何對星座性能進行理論分析，具有良好的可解釋性，如圖2（b）所示。進一步考慮實際衛星分布具有高緯度密集、低維度稀疏的不均勻特性，有學者提出采用齊次二項分布對低軌星座進行建模，如圖2（c）所示。同時參考文獻[41]利用沃瑟斯坦距離證明隨星座規模增大，基于非齊次BPP建模的衛星分布將逐漸接近真實情況，因此可利用該方法對巨型星座性能進行分析，從而充分降低計算開銷與時間復雜度。

圖2 衛星星座示意

與幾何解析法不同，優化設計法利用遺傳算法、差分進化算法等優化方法，搜索任務驅動下的目標函數在可行域內的最優解，該方法在解析關系式難建立的復雜問題求解時具有性能優勢，但不具備可解釋性。參考文獻[42]以星座覆蓋性能為優化指標，建立了多重約束下的星座優化問題，通過線性自適應進化算法求解該問題，得到了最優星座設計。參考文獻[43]以覆蓋率、星間鏈路范圍、仰角為優化目標，將衛星總數、軌道高度、軌道傾角等作為成本，設計最大效費比問題并采用遺傳算法解決該問題。與參考文獻[43]類似，參考文獻[44]通過遺傳禁忌智能算法求解最大化效費比問題，從而得到低軌星座最優軌道參數。

隨著星座規模不斷擴大，未來巨型低軌星座將呈現跨軌混合組網特性，不同衛星在覆蓋范圍、通信帶寬等方面將具有異構特性，導致優化設計法在此場景中面臨搜索空間大、算法難收斂等挑戰。與之相對的，幾何解析法具有低開銷、易收斂的性能優勢，更適用于巨型星座構型設計；但幾何解析法通常將衛星抽象為具有相同屬性的點，無法對不同衛星在服務能力上的異構性進行精細化建模，從而不能對星座服務能力進行充分利用。因此，未來可考慮先利用幾何解析法對軌道高度、軌道傾角等基礎參數進行確立，之后再考慮各衛星節點的差異化服務能力，利用優化設計法對構型進行局部優化，最終在設計開銷與星座效能保障兩方面實現權衡。

2.3 天地一體化的通信協議設計

考慮地面信關站難以實現全球部署，因此利用星間鏈路進行星間組網，從而充分發揮低軌衛星數據傳輸能力已成為業界共識。在此背景下，設計適用于衛星網絡的星間通信協議已成為巨型星座建設的關鍵一環。當前主流的星間通信協議可分為3種，分別是由空間數據系統咨詢委員會提出的空間通信協議規范、容遲網絡協議和改進的TCP/IP協議，各協議的協議棧架構如圖3所示。其中，SCPS協議在TCP/IP模型的基礎上進行改進，形成了一套適用于深空通信的全新協議體系。受限于高昂的開發和維護成本，目前SCPS協議族中除了支持增強代理方式的SCPS-TP協議仍在一些商用設備中使用，其他協議已全部停止維護。DTN協議是由NASA主導研究的，為克服星際通信中長時延、間歇性連接、高誤碼率等挑戰而設計的星間通信協議。其最重要的特點是在應用層和傳輸層間引入了束層協議，束層協議通過對數據包進行存儲轉發克服網絡間歇性連接問題。同時，DTN還在束層下引入了匯聚層協議（Convergence Layer Protocol，CLP），基于該協議，束層協議可執行在各種傳輸層協議之上。當前，在NASA推動下，DTN協議正在加速發展并逐步投入使用，但該協議的相關技術尚未完全成熟，且未經大規模網絡應用驗證。同時，存儲轉發機制以犧牲傳輸時延為代價保障通信的可靠性，更適合需要充分利用傳輸機會的深空稀疏組網環境，且束層的引入額外增加了協議開銷，不利于負載受限的低軌衛星。因此，面向飛速發展的巨型低軌星座網絡，將地面網絡成熟的TCP/IP協議體系向上延伸，形成基于TCP/IP的衛星互聯網是更為可行的發展方向。

圖3 OSI模型和SCPS、TCP/IP、DTN協議的協議棧架構示意

早在1990年，國際互聯網工程任務組（IETF）就已開展面向空間網絡的TCP/IP協議棧研究，當基于TCP/IP協議構建天地一體化的通信網絡時，地面網絡的通信協議及通信設備不必進行大規模調整，主要需根據星間傳輸特點對天基通信協議進行增強設計。首先，傳輸層的TCP協議在星間通信場景下主要面臨以下挑戰：第一，星間端到端往返時延可能在500 ms以上，由于TCP是基于反饋的應答協議，因此長反饋時延將導致其難以實現擁塞避免，有損網絡傳輸性能；第二，受太陽輻射、高能粒子、長星間鏈路距離以及光束追蹤誤差的影響，星間鏈路存在高誤碼率及易中斷等特點。由于TCP協議會將所有丟包歸因于網絡擁塞，因此在高誤碼率的空間通信環境中，其會頻繁縮減發送窗口，導致網絡吞吐量顯著下降，因此如何優化傳統TCP協議的運行參數與控制機制，使其具有高效擁塞避免與重傳能力，同時減少應答報文產生的數量，是一個重要研究方向。在網絡層協議方面，考慮未來巨型星座將包含上萬個衛星節點，因此可基于IPv6協議在網絡層實現天地一體化。在數據鏈路層和物理層協議方面，考慮星間激光通信具有高傳輸速率及大容量承載能力，同時地面光傳輸網絡（Optical Transport Network，OTN）已具備成熟產業鏈和規模經濟優勢，因此通過對地面OTN協議進行剪裁優化，形成基于星間激光通信的天基承載協議是一個可行方向[16]。最終，協議棧上層采用TCP/IP協議，下層利用剪裁后的星載OTN協議，即可完成擴展性強、帶寬大、靈活可用的天地一體化的全光通信網協議棧構建。

2.4 巨型低軌星座

天地一體化的編址方法

利用編址技術可為網絡中所有節點分配邏輯地址，從而可對任意節點進行尋址，并基于此實現路由轉發。在地面網絡中，網絡編址通常是基于地理位置進行的，若將此方案直接應用于衛星網絡，衛星的高速移動將導致其與不同地面自治系統互聯，從而產生頻繁的IP地址變化。這不僅會產生大量的信令通告，消耗網絡帶寬資源，還會嚴重惡化路由收斂速度。因此，有學者提出可基于相對參考系進行編址，將IP地址與預設區域綁定，當衛星運動到某區域時則具有該區域的IP地址，實現編址尋址與衛星移動性相解耦。如可將地表按經緯度劃分為多個區域，每個區域基于地理位置信息進行IP地址編址，最終形成一個虛擬靜態網絡，網絡尋址可基于此虛擬拓撲完成。在分配IP地址時，地面用戶可根據自身地理位置獲取接入IP地址，衛星則在進入不同區域時對自身IP進行更新。由于該方案中的子網劃分與IP地址分配都是按地理位置進行的，因此即使地面用戶的接入衛星發生變化，其也無須更新自己的IP地址。該方案的缺點在于衛星變化IP地址后需對自身的路由表進行更新，給控制平面帶來了較大的不穩定性。為解決衛星路由表頻繁調整問題，參考文獻[53]提出了基于衛星邏輯位置的編址方案。該方案根據衛星編號或衛星所處軌道及其在軌道內的位置，為衛星設置恒定不變的IP地址。當地面用戶改變接入衛星時會使其IP地址發生變化，從而頻繁觸發綁定更新，大量消耗星上通信資源，同時新的連接關系也需通過泛洪來使路由重新收斂。

面向衛星互聯網發展趨勢，可基于IPv6完成天地一體化的編址方案設計。其中地面用戶繼續沿用基于地理位置的編址策略，衛星側則采用雙層編址方案，在保證與地面兼容的同時盡量減少由衛星運動引發的IP地址和路由表更新。具體的，內層采用基于衛星邏輯位置的編址策略，當數據在星間轉發時，其僅需根據目的衛星編號即可查找下一跳路由。此時內層也無須使用完整的IPv6地址，可充分降低控制平面的存儲、計算和帶寬資源消耗，有助于實現輕量化星間路由。而外層采用基于地理位置信息的編址方案，使地面用戶IP地址不隨接入衛星變化而頻繁變動，同時還可構建天地一體化的虛擬靜態拓撲，減少地面用戶尋址開銷。

2.5 巨型低軌星座星間建鏈方法

利用星間鏈路進行星間組網，是實現大空間尺度下數據低時延快速傳輸的關鍵手段，通常可基于“一星四鏈”結構或采用優化算法來完成星間網絡構建。基于“一星四鏈”的星間建鏈模式如圖4（a）所示，當基于此方法進行星間組網時，每顆衛星會與同軌道前后兩顆衛星，以及左右相鄰軌道的兩顆衛星建立4條永久星間鏈路，最終形成規則的“網格網絡”，目前主流的Iridium和Starlink星座都是通過這種方式完成星間組網的。這種組網模式對收發機性能要求低，同時也具有拓撲穩定的性能優勢。在未來巨型星座中，此類組網模式將導致極高的端到端路由轉發跳數，同時隨著衛星網絡承載的業務流量與日俱增，過多的星上轉發跳數會導致額外的排隊時延，從而惡化網絡傳輸效率。因此，為充分發揮巨型星座網絡傳輸能力，參考文獻[55]在“一星四鏈”結構的基礎上，在相鄰兩個運動方向不同的衛星間額外引入一條“網格間鏈路”，該鏈路如圖4（b）所示。兩顆衛星間劇烈的相對運動導致此類鏈路較難維持，但引入該鏈路卻能顯著降低端到端通信時延。與之類似，參考文獻[60]在“一星四鏈”組網結構基礎上，進一步考慮鏈路距離、鏈路建立時間、鏈路切換頻率等約束條件，以最大化拓撲持續時間為目標，基于最大匹配原則完成“網格間鏈路”分配，最終在拓撲動態性和網絡時延性能間實現權衡。

圖4 “一星四鏈”結構與“網格間鏈路”示意

此外，有學者還基于優化思想對星間建鏈方法展開進一步研究。參考文獻[25]著重考慮雙層星座網絡下層間鏈路建立方法，當層間鏈路分別采用激光和微波頻段時，以最大化網絡傳輸效率和最小化拓撲快照數量為目標，基于優化理論和星座幾何特征，對層間鏈路建鏈方法進行設計。參考文獻[61]在考慮大規模星座星間干擾的情況下，以最大化星座傳輸速率為目標，利用貪婪算法得到了星間鏈路建鏈與資源分配方法。參考文獻[62]以最小化網絡能耗為目標，通過考慮上一時刻拓撲結構，提出基于馬爾可夫過程的星間鏈路建鏈方法，并通過仿真證明雖然所提方案在網絡能耗方面與傳統算法相當，但其可大幅縮小算法執行時間并降低計算開銷。

上述研究僅從優化星座網絡自身的傳輸性能角度進行星間建鏈方案設計，未能將地面真實的流量需求進行聯合考慮。實際上，地面用戶流量需求具有空時不均的分布特點，通過動態調整星間建鏈模式，可以使均勻分布的衛星星座更好地服務于不均勻的地面流量需求，從而進一步優化衛星網絡傳輸性能。基于這種考慮，參考文獻[26]根據地面互聯網的流量特征，將衛星分為骨干衛星和接入衛星，通過按需動態建鏈降低網絡平均端到端路由跳數，提升網絡效率。類似的，參考文獻[63]提出了一種基于用戶分布驅動的星間建鏈方法，實現動態拓撲條件下的彈性聯網，降低網絡路由跳數的同時，提高網絡整體容量和利用率。

在巨型低軌星座中，每顆衛星可視范圍內的其他衛星數量可有數十顆，這雖然提升了星間建鏈的冗余度和靈活性，但也導致在執行全局優化建鏈算法時面臨極大的計算開銷，因此可繼續沿用圖1中的分域思想進行星間建鏈方法設計。其中，在同層星座內，可令每個自治域的SDN控制器聯合域內星上負載狀態及對應的地面流量需求，實現域內自主、彈性建鏈。在層間鏈路設計方面，應綜合考慮網絡傳輸效率與鏈路持續時間，在保證大空間尺度傳輸性能的同時，盡量減小鏈路通斷頻率。因此可采用激光-微波協作組網模式，在用戶熱點區域利用激光層間鏈路提供大帶寬傳輸能力，而在惡劣通信環境或低負載區域，可使用微波建立層間鏈路，此方法不但能降低層間鏈路維持難度，還能為網絡傳輸性能提供下限保障。

2.6 巨型低軌星座拓撲表征方法

低軌衛星的高速運動導致星間/星地鏈路面臨頻繁斷開與重建，通常可利用拓撲表征屏蔽星座動態特性，之后即可在靜態拓撲序列上進行路由計算等相關操作。當前，常用的拓撲表征方法大都是基于虛擬節點或虛擬拓撲法設計的。

虛擬節點法最初由Mauger 等提出，后來經 Ekici 等推廣并大量用于低軌星座分布式路由算法設計中，虛擬節點法的原理如圖5所示。該方法的基本思想是利用衛星邏輯位置概念，將地面網絡劃分為若干區域，每個區域與一個虛擬衛星節點對應，該虛擬節點為此區域提供通信服務。該方法可將衛星網絡視為由虛擬節點構成的固定靜態拓撲，從而有效屏蔽衛星動態特性。基于該模型，用戶根據自身地理位置即可推知其服務衛星的虛擬地址，從而地面用戶可通過與虛擬節點綁定實現移動性管理。隨著星座規模增大，可能出現多顆衛星同時覆蓋同一虛擬節點的情況，因此參考文獻[66]對該問題進行了討論，并進一步提出多狀態虛擬節點法。基于虛擬節點的設計思路，參考文獻[67]通過劃分天球表面得到一系列虛擬節點，衛星通過與天球表面上的虛擬節點綁定來屏蔽衛星動態性。該方法無法有效應對星地動態特性，用戶接入衛星時需根據星歷對其服務衛星進行計算，但該模型的優勢在于衛星天線可工作在衛星固定足印模式下，對天線性能的要求得以降低。

圖5 虛擬節點法原理示意

虛擬拓撲法利用星座拓撲的可預測性將系統周期劃分為若干時間片，從而形成快照序列圖。在每個快照內可認為網絡拓撲保持不變，拓撲變化僅在時刻發生。雖然快照序列圖可便捷地屏蔽星座拓撲動態特性，但其僅能刻畫快照內的拓撲連接情況，忽略了快照間的聯系，因此無法保證端到端路由路徑在大時間尺度下的連續性，同時該模型無法對存儲、計算等資源進行聯合表征。為解決此問題，有學者在快照序列圖模型的基礎上進一步提出了時間擴展圖模型。該模型通過引入存儲鏈路將各快照聯系起來，實現對時變網絡中通信和存儲資源的聯合表征。此外，隨著SDN和NFV技術的不斷發展，未來衛星節點可被部署多個不同的虛擬網絡功能，然而時間擴展圖只能對節點上的單一計算資源進行體現，無法適配未來多維資源融合的衛星網絡發展趨勢。因此，有學者基于時間擴展圖進一步設計多功能時間擴展圖，將具有多個計算功能的節點分解為一個虛擬子節點、多個虛擬功能節點和虛擬傳輸鏈路。多功能時間擴展如圖6所示，其中虛擬子節點只起中繼作用，每個虛擬功能節點都可提供不同的計算能力，虛擬傳輸鏈路則將虛擬子節點和虛擬功能節點相連接。最終，多功能時間擴展圖不但能對網絡中的通信、存儲資源進行聯合表征，還能進一步刻畫節點具有的多種計算能力，適用于任務流在同一節點接受多個計算功能的軟定義空間通信場景。隨著星座規模的不斷增加，龐大的衛星節點數量和復雜的星間連接關系將導致此類圖模型的維度急劇上升，這不但會產生大量存儲開銷，還會使基于此類模型的問題求解面臨極高的時間復雜度。

圖6 多功能時間擴展

面向低軌星座巨型化發展趨勢，可基于圖1中的分域管控思路設計拓撲表征方法。首先，考慮域間/層間鏈路具有較強的動態特性，同時當連接關系發生改變時，對應鏈路的存儲資源也會產生較大變動，因此可將不同低軌衛星自治域及中高軌衛星抽象為上層節點，基于多功能時間擴展圖對域間、層間鏈路的連接關系、持續情況與存儲資源等進行表征。與之不同的，域內衛星間的相對位置關系波動較小，其鏈路連接關系及節點的計算存儲資源相對較為穩定，因此可利用虛擬節點法對域內拓撲進行刻畫，并基于此進一步設計分布式路由方案完成域內路由轉發。當數據包被轉發至自治域的邊緣節點時，再基于時間擴展圖對后續域間/層間路徑進行規劃。如此不但能降低星座拓撲表征模型維度，減輕存儲開銷，同時在進行端到端路由規劃時，也可充分降低計算開銷與時間復雜度。

2.7 巨型低軌星座路由技術

路由技術是保障用戶數據在衛星網絡中高效傳輸的基礎，是衛星互聯網中的重要研究方向。由于低軌衛星網絡具有拓撲變化頻繁、單跳鏈路傳播時延長、單星資源受限等特點，因此地面網絡中成熟的路由協議不再適用，如何設計適用于低軌星座的路由算法已成為研究熱點。

當前，低軌星座路由算法可分為單層星座路由算法和多層星座路由算法。各路由算法的對比見表1。在單層星座路由算法設計方面，早期主要采用面向連接的思路進行設計。參考文獻[77]將ATM網絡的路由概念首次引入衛星網絡，其主要利用虛擬拓撲法將動態衛星網絡離散化為一系列靜態快照，之后根據優化目標在靜態拓撲中選取最優路由路徑。參考文獻[78]利用排隊論預測鏈路的排隊時延，將排隊時延與傳播時延之和作為鏈路權重，在虛擬拓撲上使用Dijkstra算法生成端到端最短路由路徑。參考文獻[79]將LEO衛星網絡拓撲建模為一系列等長時間的有限狀態自動機，利用衛星之間的可視性建立每個狀態的可視矩陣，然后根據流量需求計算最優鏈路分配機制，實現有限鏈路資源的充分利用。此類面向連接的路由算法一般采用離線集中計算方式得到靜態路由表，具有操作難度低、路由表易配置的性能優勢，在早期小規模、低負載的低軌星座路由場景中有良好表現。隨著互聯網的迅速推廣，衛星網絡中承載的業務流量飛速提升，由于此類路由算法缺乏對流量擁塞以及衛星失效的快速響應能力，因此面向無連接的路由算法開始得到廣泛應用。

表1 路由算法對比

注：表中的VT指虛擬拓撲法，VN指虛擬節點法。

面向無連接的路由算法可根據其設計原則進一步分類。第一類為基于IP的路由技術。參考文獻[80]設計了一種面向無連接的分布式路由算法，利用虛擬節點法構建虛擬靜態網絡拓撲，并通過全網泛洪解決非規則拓撲變化，當鏈路狀態與靜態拓撲相符時使用靜態路由，否則使用動態路由。在巨型星座下，該方案的全網泛洪機制將產生大量信令開銷，同時沒有充分考慮衛星負載與鏈路的排隊情況，不利于降低端到端通信時延。在參考文獻[81]中，用戶首先根據當前節點和目的節點的坐標關系，判斷轉發方向，之后基于端到端最小跳數完成路由轉發，并通過仿真驗證該方案與Dijkstra算法在傳播時延上性能相當。第二類為負載均衡路由算法。參考文獻[82]提出分布式路由算法LRES，通過將鏈路傳播時延和統計的排隊時延作為鏈路權重，為業務計算k條端到端最短路徑。同時，進一步設計低開銷的鏈路負載通知機制，當鏈路出現擁塞時，節點可將鏈路擁塞情況下發至下游節點，下游節點通過向備選路徑轉發數據包來避免擁塞并實現負載均衡。為解決基于統計方法預測的鏈路排隊時延無法反映鏈路實時負載狀態的問題，參考文獻[83]對鏈路的長期平均排隊時延和短時排隊時延進行加權，得到鏈路排隊時延估計模型。之后基于虛擬拓撲法，在每個快照開始時刻利用上述模型預測各鏈路排隊情況，將鏈路傳播時延和預期排隊時延之和作為權重，采用Dijkstra算法得到端到端最優和次優路由路徑。最后，路徑中的各節點基于實時負載情況完成分布式路由轉發。當衛星數量達到上千顆時，利用Dijkstra算法進行全局路徑計算將面臨較長的收斂時間，對該方案的可行性帶來較大影響。為解決大規模低軌星座下路由算法復雜度高、端到端路由跳數大、傳輸時延長的問題，參考文獻[56]提出分布式星地協同路由方法。在該方法中，源節點首先利用端到端最小跳數估計算法得到路由方向與路由跳數約束，在該約束下，各節點通過聯合考慮各方向剩余跳數、當前鏈路負載與下一跳衛星負載進行分布式路由轉發，并通過仿真證明所提方案可顯著降低端到端時延并提升系統吞吐量。第三類為面向業務特定QoS需求的路由策略。參考文獻[84]通過劃分區域提出MSR-RP路由算法，該方案在低負載區路由計算不區分業務類型，根據業務權重動態調整鏈路代價；在高負載區使用遺傳算法計算路由，以最大化網絡吞吐量和負載均衡指數為目標設計適應度函數，將不同業務的QoS指標作為約束條件，由控制中心統一計算高負載區每顆衛星不同類型業務的路由路徑，在實現良好的負載均衡的同時為多種業務提供QoS保障。參考文獻[85]將業務分為3類，其中A類表示以最小化端到端時延為目標的交互式實時數據傳輸類業務，B類是以最大化吞吐量為目標的文件傳輸類業務，C類則是盡力而為傳輸類業務，其無特定的QoS需求；基于業務分類，采用不同優化指標進行端到端路由路徑規劃，并通過仿真證明與不區分業務類型的路由策略相比，所提方案在平均端到端時延、網絡吞吐量和鏈路負載等方面都具有性能優勢。

與單層星座相比，多層星座的網絡拓撲具有更強的動態特性，因此適用于多層星座的路由算法大多是面向無連接的。參考文獻[86]考慮MEO-LEO雙層星座架構，基于虛擬拓撲法將雙層星座轉換為靜態網絡，MEO衛星負責收集其覆蓋區域內所有LEO衛星間的鏈路狀態信息，并以最小化端到端時延為目標計算任意LEO衛星到其他所有LEO衛星的路由路徑，并通過路由聚合縮小路由表規模。當路由計算結束后，MEO衛星再將計算結果下發至LEO衛星。與單層星座路由方案相比，所提雙層星座路由方案可顯著降低端到端平均時延。隨著星座規模增大，該方法將面臨較大的存儲開銷，同時算法的收斂速度難以保障。為實現雙層星座網絡下的負載均衡，參考文獻[87]以最大化最小鏈路剩余帶寬為目標規劃業務路由路徑；同時為降低數據傳輸導致的網絡資源消耗，還對路由跳數加以限制，當路由跳數超過閾值時，選擇上層MEO網絡進行數據傳輸，當業務傳輸距離較近時則選擇LEO層進行數據傳輸。此外，為減少雙層星座網絡的拓撲快照數量，參考文獻[88]首先對虛擬拓撲法進行優化設計，之后在每個快照開始前，MEO衛星基于收集的覆蓋區域內LEO衛星間的鏈路信息，以最小化端到端時延為目標計算路由路徑，并將計算結果下發至LEO節點；同時，在計算過程中還充分考慮鏈路帶寬約束，當路徑中的鏈路不滿足帶寬約束時，則為該業務計算次優路由路徑。

面向未來巨型低軌星座多層、異構的組網趨勢，當前路由算法大都存在資源開銷大、算法復雜度高、路由收斂難等問題，因而可繼續沿用圖1的分域思想，設計跨域協同的低開銷、低復雜度、輕量化路由算法。首先可采用虛擬節點法完成域內拓撲表征，同時考慮地面負載情況，在域內進行拓撲-路由聯合優化，從而形成穩定的域內路由表。由于層間鏈路的連接關系存在頻繁變化，為降低拓撲管理開銷，可根據鏈路時延、帶寬等因素對域間（包括層間）鏈路進行聚合，將相鄰區域的多條域間鏈路用抽象的聚合鏈路表示。之后以域內虛擬拓撲和域間聚合鏈路構建一系列拓撲快照，根據源-目的節點位置，即可形成端到端域間路由規劃。該方案利用虛擬節點法刻畫域內拓撲，利用虛擬拓撲法刻畫域間連接關系，不但減小了快照維度，還能大幅降低網絡快照數量。此外，分別對域內、域間路由進行規劃，可大幅降低計算開銷，同時將路由表拆分為域內、域間兩部分也能進一步縮小路由表規模，降低網絡存儲資源消耗。

2.8 巨型低軌星座故障恢復策略

由于衛星長期工作在開放的空間環境下，受電磁、熱、日凌、高能粒子等復雜空間環境的不斷影響，衛星系統極易出現部件損傷。此外，在軍事打擊等極端條件下，衛星節點失效將更為常見。由于低軌衛星通常運行在高度500 km以上的軌道中，存在故障修復成本高、耗時長等問題，因此如何設計故障恢復策略，降低由衛星故障導致的網絡通信能力惡化是一個重要研究方向。

通常，衛星故障恢復可通過補網發射、星座冗余設計、鏈路重建或替代路徑4種方式實現。其中，補網發射是指在原星座衛星故障后，通過重新發射新衛星來保障網絡通信能力。參考文獻[90]給出了一種導航星座系統補網方法，該方法通過對衛星軌道轉移進行燃料和時間的綜合優化，得到快速補網軌道轉移模型，完成導航星座補網與備份。此類方案需要經歷軌道設計、衛星發射和正式部署3個階段，耗時長且成本較高，因此很少被用作衛星故障恢復手段。與補網發射類似，有學者指出可在星座中部署冗余衛星，利用冗余衛星快速填補由衛星故障導致的網絡空洞，省去補網發射策略中的衛星發射和部署環節，提升故障恢復效率。該方案在故障衛星數量少時能取得較大收益，但隨著故障衛星數量提升，一味增加星座中的冗余衛星數量將大幅提高衛星網絡建網成本，也提升了網絡管理難度，因此不適用于大規模低軌星座網絡。

由于補網發射和星座冗余設計兩種方案實現難度較高且面臨較大代價，因此星間鏈路重建與替代路徑成為了當前衛星故障恢復的主流手段。當由衛星節點故障導致以該衛星為端點的星間鏈路出現部分或全部失效時，可以采用星間鏈路重建手段避免鏈路失效給網絡通信能力帶來的不利影響。當前常見的鏈路重建原則有3種，分別為距離原則（選擇重建后時延小的鏈路）、時間原則（選擇重建后持續時間長的鏈路）和資源原則（使重建后各衛星負載均衡）。參考文獻[91]從資源原則出發，首先在每個拓撲快照內統計拓撲中所有度數未滿的衛星節點，之后以星間鏈路最大長度為約束，計算這些節點的所有可連接鏈路。最后計算網絡中業務端到端最短路徑經過各可連接鏈路的次數，按次數從高到低排序并結合節點度數限制完成鏈路重建。參考文獻[92]從節點資源和鏈路時延兩方面出發進行星間鏈路重構，在保證衛星節點具有最大連接度的同時，最大化利用衛星星上資源。

有學者指出，雖然鏈路重建策略能有效解決衛星網絡中的故障問題，但重構星間鏈路將消耗有限的星載資源，同時該方案會對網絡拓撲造成較大影響，從而引發頻繁的路由重收斂。與之相對的，基于替代路徑的故障恢復策略通過局部路由繞過故障節點或鏈路，進而保障網絡通信能力，具有資源消耗少、方案易實現等性能優勢。參考文獻[93]借鑒地面網絡的洪泛思想來解決星間鏈路故障問題，即當兩個衛星節點間的鏈路發生故障而導致下一跳路由不可達時，當前節點利用向鄰居節點不斷泛洪的方式找到一條可行路徑，實現對故障鏈路的繞行。面向衛星節點失效問題，參考文獻[94]提出一種基于有限狀態自動機的低軌衛星網絡動態錯誤容忍路由算法。當衛星節點失效時，該算法會以故障衛星和其相鄰衛星為基礎，構建故障塊。當有數據包要經過故障塊時，根據目的節點與當前節點的相對位置，利用邊界擴散法為數據包尋找一條沿故障塊邊界的替代路徑，從而完成故障避免。

未來巨型低軌星座通常蘊含上萬個衛星節點，且復雜的層內、層間鏈路連接關系給衛星網絡故障恢復帶來巨大挑戰，傳統算法在這類高維度的復雜拓撲下將面臨極高的計算開銷，難以保障故障恢復效率。為實現快速高效的衛星故障恢復，可考慮引入人工智能技術，以網絡狀態信息為輸入，對網絡故障區域快速進行精準定位，之后按恢復的緊急程度對故障區域進行排序，在各區域可根據其故障情況調用鏈路重構、路由重規劃等不同恢復手段，最終實現網絡可靠高效恢復。

2.9 巨型低軌星座服務質量保障技術

隨著大容量星間鏈路的逐步應用，利用低軌星座網絡承載高密度的地面流量已成為未來重要發展趨勢。地面網絡業務種類繁多，不同業務在傳輸時延、帶寬、丟包率等方面具有不同要求。因此，如何在高度動態的衛星網絡中保障業務差異化的QoS需求成為了一大研究熱點。

從鏈路層角度看，可首先采用優先級隊列對數據包進行優先級劃分，之后進一步與輪詢調度、加權公平調度等隊列調度技術相結合，通過規劃數據包的轉發時隙，保障業務QoS需求。參考文獻[96]基于優先級隊列和時間敏感網絡中的循環排隊和轉發（Cyclic Queuing and Forwarding ，CQF）機制，重新定義了一種可用于低軌衛星網絡的循環優先級和轉發（Cyclic Priority and Forwarding，CPF）策略，CPF不但可消除CQF對傳輸時間敏感流的帶寬限制，同時與現有機制相比，該策略還可將網絡丟包率降低一個數量級，同時使服務超時率降低70%。從網絡層角度看，以業務差異化QoS需求為優化目標規劃路由路徑，也是實現服務質量保障的可行方案。參考文獻[97]將端到端時延、時延抖動、剩余帶寬作為多QoS優化目標，利用蟻群算法為各業務求解滿足時延與負載均衡約束下代價最小的路由路徑。考慮基于SDN的組網模式已成為未來發展趨勢，參考文獻[98]基于SDN架構，建立鏈路穩定度函數、鏈路負載度函數和鏈路代價函數，通過調節權重因子計算滿足業務QoS要求的路由路徑，完成服務質量保障。從傳輸層角度看，可利用多徑調度和冗余傳輸策略保障業務帶寬和丟包率需求。參考文獻[99]開發了一種具有確定性時空路由、冗余編碼和多徑調度的確定性衛星網絡傳輸方法，該方法首先利用星歷表信息和動態資源更新機制預測即將到來的通信機會，之后通過構建確定性時空路由路徑保障業務傳輸時延，并利用稀疏和冗余網絡編碼機制確保數據可靠傳輸。參考文獻[100]通過綜合考慮業務可用傳輸路徑和衛星網絡不均勻的流量密度，利用圖神經網絡為業務選擇多徑進行傳輸，并通過仿真驗證該方案可顯著降低業務傳輸時延，提升網絡吞吐量與業務完成率。從更宏觀的角度來看，基于SDN和NFV技術，將5G中的網絡切片方案延伸至衛星網絡，為業務設計定制化傳輸方案，是實現服務質量保障的有力手段。

除上述技術外，構建天地一體化確定性網絡，打破傳統“盡力而為”的僵化服務模式，已成為實現服務質量保障的重要方向。當前，各組織已積極開展相關的標準和技術推進工作。如在MAC層以下采用FlexE技術實現業務的管道隔離，解決同一管道內的流量搶占問題；在鏈路層使用IEEE 802.1Qat協議、IEEE 802.1Qcc協議完成資源預留，使用IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1Qch等協議進行流量整形，從而實現業務流的實時傳送；在網絡層利用DetNet技術，通過集中式路由路徑設置完成業務確定性傳輸。在未來基于巨型星座的天地一體化組網模式下，海量節點個數與復雜多變的連接關系將為全域全場景用戶需求感知、天地一體化端到端網絡切片編排以及全域資源協同分配帶來全新挑戰。因此，可考慮利用人工智能技術完成復雜網絡下網絡信息收集與用戶需求的快速感知，利用感知信息輔助實現星地端到端智能切片編排，在各切片內設計模型與數據驅動的資源智能分配技術，通過與上述隊列、路由、傳輸技術的充分融合，實現全域網絡資源的按需確定性調度，滿足衛星互聯網各類用戶的極致服務需求。

2.10 巨型低軌星座仿真平臺設計

低軌星座網絡仿真平臺架構如圖7所示，包括參數配置、衛星運動模擬、網絡仿真內核等多個模塊，通過物理層建模、業務流量生成、拓撲模擬、網絡協議設計等，完成各種條件下系統在時延、帶寬利用率等方面的性能評估。在衛星實際發射前利用仿真平臺對網絡性能進行測試，可充分發現系統中的潛在問題，降低部署風險。同時通過仿真平臺，開發人員可進行方案快速驗證與技術迭代，從而縮短開發周期，提升研發效率。

圖7 低軌星座網絡仿真平臺架構

當前常用的衛星運動模擬器有STK、GMAT、Orekit、FreeFlyer等，此類軟件通常用于模擬衛星軌道及其運動行為，同時還可利用可視化界面對星座構型、衛星姿態、星間鏈路連接情況等進行直觀觀察。此類軟件不能模擬數據包級別的網絡行為，缺乏對星間、星地以及地面網絡節點之間通信過程的仿真能力，因此其必須與網絡仿真軟件聯合使用。通常，可先基于STK獲取星座拓撲動態特征（包括鏈路距離、衰減、連接情況等），再將其映射至網絡仿真軟件中來模擬衛星星座動態特性，之后結合具體協議即可在網絡仿真軟件中完成數據包級別的端到端通信仿真。當前主流的網絡仿真軟件有OPNET、QualNet、NS2/NS3、Mininet和OMNET++等，此類仿真軟件通過模擬路由決策、數據包傳輸、網絡擁塞等事件得到網絡通信性能，參考文獻[28]和參考文獻[105]已對其特點與區別進行了詳細總結。

當前，基于上述軟件，已有大量研究團隊開始推進低軌星座網絡仿真平臺的搭建工作。北京郵電大學劉韻潔院士團隊于2018年基于QualNet搭建了包含48顆低軌衛星的網絡仿真平臺，并在其中完成OPSPF和常規路由算法的性能仿真，并對算法的收斂時間、端到端通信時延與丟包率等性能指標進行評估。中國空間技術研究院于2021年基于FPGA搭建了衛星網絡仿真平臺，利用該平臺對SATNET-OSPF和傳統OSPF路由算法的性能進行比較，并對通信開銷、路由收斂時間等關鍵參數進行分析。

上述平臺大多針對小規模星座設計，在未來巨型異構低軌星座網絡中，將面臨仿真時間長、計算開銷大、功能難擴展等問題，因此需針對巨型星座設計效率更高、可擴展性更強的網絡仿真平臺。當前，Lai等利用Mininet模擬虛擬網絡和虛擬路由器，使用STK模擬星間鏈路，最終搭建空間網絡仿真平臺StarPerf。該平臺屬于非離散時間仿真系統，具有可擴展性強的性能優勢，同時還支持SDN技術，適用于未來大規模星座仿真場景。此外，北京郵電大學張平院士團隊與鵬程實驗室共同搭建超大規模衛星網絡仿真系統，通過聯合運用分布式高效計算與事件仿真技術，實現3萬多顆衛星網絡秒級生成，15 min內2萬顆衛星網絡24 h軌道預測，同時還支持2萬個衛星節點端到端路由仿真與性能評估。與傳統仿真平臺相比，該平臺的仿真效率提升8倍以上。在當前仿真平臺研制基礎上，未來可考慮利用虛擬化和容器化技術構建大規模虛擬集群模擬海量衛星，并實現功能按需加載與基于數據驅動的高動態鏈路模擬。同時還可加載真實網絡協議棧，通過虛實結合方法與真實衛星級聯進行半實物仿真，使仿真結果更貼近實際，實現以仿真平臺推演空間網絡姿態，完成低開銷巨型星座大規模試驗驗證。

作者簡介

孫耀華

男，北京郵電大學副教授，主要研究方向為星地融合網絡和無線算力網絡。

馮昕澳

男，北京郵電大學博士生，主要研究方向為低軌衛星通信和巨型低軌星座組網。

彭木根

男，北京郵電大學副校長、教授、博士生導師，網絡與交換技術全國重點實驗室副主任，IEEE Fellow，中國電子學會會士，中國通信學會會士。主要研究方向為空天通信、云霧無線網絡、通信感知計算融合等。擔任IEEE IoT期刊指導委員會委員，IEEE Network、IEEE TVT、IEEE TNSE等期刊的編委等。

>End

本文轉載自“天地一體化信息網絡期刊”，原標題《低軌巨型星座組網：挑戰與關鍵技術》。

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