基于云平臺的Starlink星座高性能仿真技術研究

　　摘要：面向星鏈(Starlink)星座的網(wǎng)絡仿真是未來低軌衛(wèi)星星座設計與建設驗證和評估的重要工具。針對星鏈網(wǎng)絡規(guī)模龐大，結構復雜的特性，設計了一種高性能衛(wèi)星網(wǎng)絡仿真體系。該體系基于云平臺的分布式網(wǎng)絡仿真架構，通過STKEngine底層接口開發(fā)、衛(wèi)星模型庫存儲優(yōu)化和消息異步傳輸?shù)燃夹g，實現(xiàn)對Starlink星座的快速部署，具有良好的可擴展性。實驗表明，所提方法實現(xiàn)了400顆衛(wèi)星規(guī)模的復雜衛(wèi)星網(wǎng)絡的自動化建模，在部署效率上相對于傳統(tǒng)方法提升了39.07%，可為大規(guī)模低軌衛(wèi)星建設提供仿真技術支持。

　　關鍵詞：星鏈;低軌衛(wèi)星星座;網(wǎng)絡仿真;云平臺;快速部署

　　引言

　　據(jù)媒體SpaceflightNow報道，截至2021年7月10日SpaceX已部署1631顆LEO(LowEarth Orbit)衛(wèi)星投用，天地一體化信息網(wǎng)絡已經(jīng)引起了學術界乃至行業(yè)的廣泛關注。天地一體化信息網(wǎng)絡系統(tǒng)主要包括地球同步軌道GEO(GeosynchronousOrbit)衛(wèi)星系統(tǒng)和非地球靜止軌道NGSO(Non-GeostationaryOrbit)衛(wèi)星系統(tǒng)[1]。LEO衛(wèi)星系統(tǒng)作為NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)中的一類，因其鏈路傳播延遲低、傳播損耗小以及頻譜分配更有效等重要特性，將成為未來數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的核心元素[2]。以Starlink為代表的LEO衛(wèi)星星座互聯(lián)網(wǎng)技術，使傳播信道發(fā)生新變革，帶來了波及整個傳播鏈的深遠影響。

　　仿真類論文數(shù)控加工仿真技術應用

　　其將彌補5G基站[3]覆蓋空間小的不足，構建天地一體的連接模式、萬物互聯(lián)的信息體系和豐富多元的應用場景。為了對未來低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)滾動建設提供設計和系統(tǒng)的驗證、評估，減少因技術和系統(tǒng)風險造成的額外建設成本，研究高性能Starlink星座仿真技術具有重要意義，其關鍵目標在于快速構建逼真的衛(wèi)星網(wǎng)絡場景。目前的天地一體化網(wǎng)絡仿真技術主要是通過OPNET[4]、NS3[5]等網(wǎng)絡仿真軟件進行模擬，仿真過程受到離散、有限等技術瓶頸影響，無法支撐Starlink星座的龐大規(guī)模，模擬連續(xù)的衛(wèi)星通信過程。隨著云平臺的發(fā)展，借助虛擬化技術與分布式計算技術，可將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)仿真的拓撲規(guī)模擴大至整個星座，使得在虛擬網(wǎng)絡環(huán)境中復現(xiàn)真實衛(wèi)星連續(xù)通信過程的方案變得可行。

　　快速構建逼真的大規(guī)模衛(wèi)星星座場景需要云平臺具有較高的計算性能，文獻[6]提出OpenStack云平臺對計算密集型的高性能應用負載表現(xiàn)出較好的性能，是實施高性能仿真的優(yōu)秀選擇。因此，本文基于OpenStack云平臺構建大規(guī)模的Starlink星座網(wǎng)絡仿真場景，并通過融合系統(tǒng)仿真工具包STK[7](SystemKitTool)在衛(wèi)星建模仿真方面的優(yōu)勢，完成對衛(wèi)星星座場景的部署以及衛(wèi)星節(jié)點的映射。本文的主要貢獻有：(1)對STK底層接口進行二次開發(fā)，提出了一種Starlink復雜衛(wèi)星網(wǎng)絡的自動化建模方法;(2)將OpenStack云平臺與STK仿真軟件進行融合，實現(xiàn)面向Starlink衛(wèi)星星座的衛(wèi)星網(wǎng)絡仿真;(3)設計并實現(xiàn)了一套基于云平臺的Starlink星座高性能仿真體系，并對Starlink第一子星座中400顆已穩(wěn)定運行的衛(wèi)星進行仿真檢驗。

　　1研究現(xiàn)狀

　　根據(jù)SpaceX公司向美國聯(lián)邦通信委員會提交的相關文件顯示，Starlink衛(wèi)星星座[8]預計部署約12000顆衛(wèi)星。目前最新資料顯示，正在搭建中的第一子星座擁有72個軌道平面，每個軌道平面運行20顆衛(wèi)星，即共1440顆衛(wèi)星。第一子星座軌道高度為550km，軌道傾角為53°，其后續(xù)計劃的第二子星座軌道高度為1100km，衛(wèi)星數(shù)量為2825顆，第三子星座軌道高度為340km，衛(wèi)星數(shù)量為7500顆，但其軌道傾角沒有明確數(shù)據(jù)。截至2021年7月10日，SpaceX已發(fā)射衛(wèi)星總數(shù)為1740顆，其中脫離軌道的衛(wèi)星數(shù)量為109顆，在軌運行的衛(wèi)星總數(shù)為1631顆。

　　針對衛(wèi)星規(guī)模龐大的Starlink衛(wèi)星星座網(wǎng)絡，有必要提出一種高性能的天地一體化信息網(wǎng)絡仿真方法，下面將簡述幾種天地一體化信息網(wǎng)絡仿真方法。 在天地一體化信息網(wǎng)絡仿真方法方面，文獻[9]提出了一個基于離散事件驅(qū)動的天地一體化網(wǎng)絡SAGIN(Space-Air-GroundIntegrationNetwork)仿真平臺，其融合了MATLAB、STK和NS-3等仿真軟件，并基于SDN(SoftwareDefinedNetwork)實現(xiàn)網(wǎng)絡集中控制和網(wǎng)絡資源編排功能。

　　然而，由于SAGIN的高復雜性，該方法可能導致控制器過載和延遲響應，幾乎難以建立一個與真實網(wǎng)絡場景一致的衛(wèi)星星座場景，因此該方法存在一定的局限性。文獻[10-11]基于云平臺，提出一種高逼真的衛(wèi)星鏈路仿真方法，該方法基于虛擬化技術仿真不同軌道高度的衛(wèi)星節(jié)點，基于SDN技術仿真可重構的衛(wèi)星鏈路，并通過命名空間實現(xiàn)網(wǎng)絡流量的隔離，因此能夠完整且精確的重現(xiàn)真實衛(wèi)星星座互聯(lián)網(wǎng)中的用戶流量以及數(shù)據(jù)包，但其衛(wèi)星場景的搭建方法會造成仿真平臺用戶接口的擁塞，導致部署時耗過長，因此不適用于大規(guī)模衛(wèi)星星座網(wǎng)絡場景。

　　目前，有關Starlink衛(wèi)星星座建模與網(wǎng)絡仿真方法的文獻較少，國內(nèi)外針對Starlink衛(wèi)星星座的建模與仿真研究集中在基于理論建模的數(shù)字仿真。文獻[12-13]研究并分析了LEO衛(wèi)星系統(tǒng)中星間鏈路ISL(Inter-SatellitesLink)的幾何參數(shù)的動態(tài)特性，為Starlink等LEO衛(wèi)星系統(tǒng)仿真提供了理論基礎。文獻[14]研究了Starlink、OneWeb、Telesat這三個標志性大型LEO衛(wèi)星星座系統(tǒng)架構，但只基于理論數(shù)據(jù)分析，對三個衛(wèi)星星座系統(tǒng)進行了總吞吐量的估算。

　　文獻[15-17]分別研究了Starlink衛(wèi)星星座系統(tǒng)的地面網(wǎng)絡拓撲和衛(wèi)星網(wǎng)絡拓撲，但都只采用了類Starlink星座進行了網(wǎng)絡拓撲優(yōu)化模型的驗證，并沒有對Starlink星座真實網(wǎng)絡環(huán)境進行建模仿真。文獻[18]通過STK建立目前已發(fā)射7批次在軌的Starlink衛(wèi)星星座，表征和分析其在全球范圍的運行態(tài)勢和覆蓋性能，但也僅局限于通過STK中的衛(wèi)星建模計算數(shù)據(jù)進行仿真，沒有構建逼真的衛(wèi)星網(wǎng)絡環(huán)境。 因此，本文提出一種基于云平臺的Starlink星座高性能仿真方法，設計了一套面向Starlink星座網(wǎng)絡仿真體系，以解決傳統(tǒng)仿真技術構建大規(guī)模星座時間開銷大的問題，并基于衛(wèi)星軌道參數(shù)，構建大規(guī)模、高逼真的Starlink星座仿真場景，用以彌補目前針對Starlink星座仿真逼真度不足的缺陷。

　　2體系結構

　　2.1Starlink衛(wèi)星星座特征

　　Starlink星座為Walker-Delta類型星座，以

　　衛(wèi)星升空后會先在300km高度的軌道進行測試運行，然后通過星上氪離子推進器進行軌道爬升進入預定運行軌道。衛(wèi)星在升軌過程中有幾率失敗，不會進入預定的運行軌道，因此部分衛(wèi)星在相鄰軌道平面沒有滿足可見性約束的衛(wèi)星來建立鏈路。部分衛(wèi)星升軌失敗導致的ISL缺失，會對衛(wèi)星網(wǎng)絡的性能造成影響，因此本文已將該衛(wèi)星網(wǎng)絡失效因子考慮在內(nèi)。

　　當?shù)蛙壭l(wèi)星運行到高緯度地區(qū)或極地地區(qū)時，會因為衛(wèi)星間相對運動角速度變大、相對空間位置的改變而產(chǎn)生網(wǎng)絡拓撲結構的頻繁變化[19],而衛(wèi)星隨時間變化的飛行位置可由開普勒軌道六要素確定[20]。

　　2.2基于云平臺的Starlink星座高性能仿真體系

　　Starlink高性能仿真體系，采用分布式衛(wèi)星模型存儲，解決仿真平臺用戶接口擁塞的問題，優(yōu)化云平臺虛擬機部署流程，支持快速部署大規(guī)模的衛(wèi)星星座拓撲。同時融合STK對衛(wèi)星建模的優(yōu)勢，準確的描述各衛(wèi)星隨時間變化的動態(tài)性，實現(xiàn)動態(tài)變化的衛(wèi)星網(wǎng)仿真。

　　3關鍵技術

　　Starlink星座仿真技術的關鍵的目標就是快速構建逼真的大規(guī)模衛(wèi)星星座網(wǎng)絡拓撲。但是面對Starlink這類大規(guī)模星座，傳統(tǒng)天地一體化網(wǎng)絡仿真體系會遇到以下問題：

　　(1)目前衛(wèi)星星座場景的構建是通過手動將每顆衛(wèi)星的軌道參數(shù)輸入到STK中。隨著仿真規(guī)模提升，不可避免地會帶來巨大的時間耗費和操作誤差，從而降低衛(wèi)星星座網(wǎng)絡仿真的逼真度，因此自動化部署必將具有巨大的應用前景。(2)Starlink星座網(wǎng)絡拓撲部署會用到大量的物理節(jié)點，因為OpenStack云平臺是分布式系統(tǒng)架構，為了解耦使得各服務分散，各項目的數(shù)據(jù)存放在不同的位置，數(shù)據(jù)存儲較為凌亂，造成了在大規(guī)模網(wǎng)絡拓撲啟動時耗費大量的時間對衛(wèi)星模型進行傳輸，資源和能耗均有不合理的浪費。針對上述問題，本文首先基于STKEngine對STK底層接口進行開發(fā)，設計了一種面向衛(wèi)星軌道參數(shù)的復雜衛(wèi)星星座場景自動化建模方法，然后優(yōu)化了OpenStack數(shù)據(jù)存儲結構和計算資源的調(diào)度，并提升了創(chuàng)建衛(wèi)星節(jié)點時的速度。

　　3.1復雜衛(wèi)星網(wǎng)絡場景自動化建模方法

　　衛(wèi)星動態(tài)飛行位置由式(1)確定，而在STK中，使用衛(wèi)星的遠地點高度和近地點高度代替軌道半長軸來確定衛(wèi)星軌道的大小和形狀，同時必須明確衛(wèi)星的衛(wèi)星歷元參數(shù)。

　　4實驗分析與驗證

　　本章對基于云平臺的Starlink星座高性能仿真技術進行實驗驗證。

　　4.1實驗環(huán)境

　　該平臺基于OpenStackMitaka版本、STK11.6。STK模擬節(jié)點處理器為Intel(R)Core(TM)i7-87003.2GHz,內(nèi)存為16GB;控制節(jié)點處理器為Intel(R)Xeon(R)CPUE5-2620v42.10GHz*2，內(nèi)存為64GB;網(wǎng)絡節(jié)點處理器為Intel(R)Xeon(R)CPUE5-4620v42.10GHz*2，內(nèi)存為64GB。共2個物理計算節(jié)點，計算節(jié)點1處理器為Intel(R)Xeon(R)CPUE5-2609v31.90GHz*2，內(nèi)存為16GB;計算節(jié)點2處理器為Intel(R)Xeon(R)CPUE5-2620v32.40GHz*2，內(nèi)存為32GB。STK模擬節(jié)點操作系統(tǒng)為Windows10，其他節(jié)點操作系統(tǒng)均為Centos7.2。

　　4.2復雜衛(wèi)星網(wǎng)絡場景自動化建模測試分析

　　為驗證本文所提出的復雜衛(wèi)星網(wǎng)絡場景自動化建模方法的可行性以及高可用性，實驗選取目前Starlink星座發(fā)射批次為L1至L7的400顆衛(wèi)星進行自動化建模測試。展示了衛(wèi)星常見的自動化建模結果，自動構建一顆衛(wèi)星平均耗時為0.1551s，整體部署消耗時間為62.0225s。與手動輸入衛(wèi)星軌道參數(shù)進行場景建模的方法相比，時間開銷大大縮短，且可有效避免人工誤操作帶來的誤差。自動化建模生成的衛(wèi)星星座場景，仿真周期為2021年3月19日04:00:00.0000UTCG至2021年3月20日04:00:00.0000UTCG，共計24小時。

　　4.3衛(wèi)星網(wǎng)絡拓撲部署效率測試分析

　　為驗證本文提出的衛(wèi)星網(wǎng)絡拓撲部署優(yōu)化方法的高效性，實驗選取400個衛(wèi)星節(jié)點，分別通過傳統(tǒng)衛(wèi)星節(jié)點部署方法和高性能衛(wèi)星節(jié)點部署方法，進行自動化部署測試。傳統(tǒng)衛(wèi)星節(jié)點部署方法構建400個衛(wèi)星節(jié)點總體耗時為691s，而使用高性能衛(wèi)星節(jié)點部署方法總體耗時為421s，總體部署性能提升39.07%，且衛(wèi)星節(jié)點啟動速率更快。

　　5結論

　　本文融合OpenStack和STK構建高性能衛(wèi)星星座仿真體系。通過對STK底層接口的二次開發(fā)、衛(wèi)星模型庫存儲優(yōu)化和消息異步傳輸，實現(xiàn)了一個面向Starlink星座的高性能仿真體系。本文所提方法在部署效率上相對于傳統(tǒng)仿真體系提升了39.07%�；�于該仿真體系，可實現(xiàn)靈活構建大規(guī)模高逼真的低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡，從而能夠滿足對低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)滾動建設驗證、評估的需求。

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　　作者：劉淵，薛新毅，王曉鋒

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