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标题: S^2：一文读懂星间互联 [查看完整版帖子] [打印本页]

时间: 2022-11-29 10:27

作者: 溯溪而上 标题: S^2：一文读懂星间互联

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星间互联恐决定天地一体

6G网络将形成覆盖空、天、地、海的空地一体移动通信网络，实现广域立体通信覆盖。

空地一体网络将由天基多层子网（高轨卫星、中低轨卫星）和地面蜂窝多层子网（宏蜂窝、微蜂窝等）共同构成融合统一的异构网络。目前地面移动通信网络经过3G、4G、5G的网络不断的部署和升级，从基站规模到设备性能等都已趋于成熟，通信覆盖率、用户渗透率都已趋近饱和。但是在卫星互联网方面，其组网质量、设备成熟度等都还有很长路要走，且很可能直接影响未来6G空地一体网络的质量、以及能否真正成功。

星间互联方法

卫星互联网中各种高、中、低轨卫星要想相互连通，有两种方式，一种是空-地链路，另一种是空-空链路。

空地链路就是卫星将数据先传回地面，然后通过地面网络进行交换后，再发送到星，走的是“星—地—地—星”的方式，这种方式优势是可以依托地面成熟的传输网络进行传输，降低了卫星实现星间传输的复杂度，缺点是由于无线电波要穿过大气层，加之雨衰因素，在“星--地”这一段的大容量稳定通信不易实现，此外地面网络都在一个国家或者一个区域内，难以支持这个区域之外的卫星间通信。
空空链路就是在星间交互数据，再发送给地面网络，走的是“星—星—地”的方式，其优势是“星--星”的空间杂波较少，相对“星--地”这一跳，没有大气层、障碍物的阻隔，基本是直连径，因此传输速率较高，但比地地的有线传输则远远不如；“星--星”通信可以独立组网，减少了地面信关站的数目，从而可大大降低地面站点的复杂度和投资，扩大了系统的覆盖范围；实现跨区域，跨国域的通信；缺点是星间链路选择，星链指向对齐，路由选择优化等技术还不成熟，同时卫星实现星间通信复杂度较高等。

美欧全球星信站示意图

星间链路的特点

星间链路与地面网络所面临的传输环境有着巨大的差异，特别在2点：

（1）拓扑时变空变：地面网络的基站或有线网主干节点大多是固定节点，而卫星网络中的各个节点都处于运动中，因此卫星网络的拓扑也随之不断变化。这种拓扑变化可能带来星间链路的路由变化、导致星间链路捕获难度高、传输距离、传输时延的不稳定，甚至传输信道不稳定，传输稳定性不如地面网络；

（2）网络节点计算和存储能力有限：卫星中的星载计算设备和存储设备，在发射前需要经过严格的适应性和抗辐射检测，无法与地面节点的运算速度和存储空间大小相比。

星间链路的协议

除上述两点是星间互联最主要的难点，此外传统地面网络中普遍应用 TCP/IP 协议簇，而针对星间链路还没有统一适用的网络协议标准。虽然TCP/IP 协议是地面网络中最为成熟且广泛使用的网络协议，并且其稳定性和可靠性已经得到无数实际应用的验证，在互联网中占有绝对统治地位，但由于空间与地面传输条件的巨大差异，TCP/IP 协议对于星间链路并不能适用，因此需要探索更适合星间链路的网络传输协议。同样3GPP在5G的无线协议如果照搬到星间链路，基于上面的两个特点，也并不高效。

目前，对于星间链路网络传输协议的研究主要可分为三类，第一类是对国际空间数据系统咨询委员会（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）的空间通信协议规范（Space Communication Protocol Specification，SCPS）体系的完善和改进，第二类是对 TCP/IP 协议在星间网络中的精简和调整，第三类是面向延迟、中断容忍网络（Delay/Disruption-Tolerant Network，DTN）的研究。

星间链路的协议设计核心就是要比地面网络更简单、更高效、更安全。

星地链路的应用

当前星地链路，星间链路均有应用，星地链路最著名应用就是埃隆-马斯克的“星链”Starlink。Starlink星链初期，因为一些物理限制并不能直连手机，还需要在地面建立基站。如今，SpaceX已经申请了100万个地面基站的建设许可，正在逐步扩大地面站建设。Starlink的卫星间通过多跳中继的方式提供了端到端的服务，如纽约到西雅图通信业务流为“纽约-接入星-地面站-……地面站-接入星-西雅图”。星链计划1.2万颗卫星，8千颗卫星放置在距离地面550公里的低轨道上，另外4千颗星放置在高1200公里的轨道上。根据电磁波传输速度，从卫星到地面，550公里的时延接近4毫秒，1200公里的时延大概8毫秒。而此时的5G高可靠低时延的指标仅1毫秒，卫星网络在用户体验方面远远不如5G网络。未来随着starlink卫星数目逐渐增多，将会逐步启动星间链路，扩大覆盖，降低时延。

Starlink地面接收站

星间链路的应用

星间链路的典型应用有两类，一类是上世纪九十年代，美国铱星系统和Teledesic系统率先实现了星间链路。时至今日,星间链路技术最为成熟的就是美国的铱星系统，尽管它作为商业系统并不成功。铱星网络由独特复杂的 66 颗低轨卫星交叉连接构成，星间链路为铱星网络提供了更高的自主性，使其能够覆盖全球。与此同时，该公司还在发展第二代星座 Iridium NEXT，该星座将大大提高其满足陆地、海上、空间日益增长的通信需求的能力。

另一类就是在卫星导航领域，星间链路可以辅助地面站进行联合定轨，增强导航系统的定位精度和可靠性，同时也能够使全球卫星导航系统在没有地面站支持的情况下，自主运行一段时间，从而减少全球导航系统对地面站的依赖。目前全球主要有四大卫星导航系统：美国的 GPS，俄罗斯的 GLONASS，欧洲的 Galileo 和中国的北斗卫星导航系统。由于地面资源限制以及安全稳定性因素，导航卫星系统建设星间链路是一种发展趋势。利用星间测距和数据传输实现卫星自主导航，是导航星座发展的方向之一。

我国北斗三号卫星已经设计星间链路，通过星间链路，大大提高了北斗系统的定位精度，避免我国没有像美国、俄罗斯等国在全球范围内设置卫星测控站，解决我国测控站不足的问题；同时利用北斗星间链路，可以帮助卫星自主导航；解决卫星时钟调整，时钟同步；大大提高北斗卫星可靠性。

尽管我国北斗定位的卫星数及定位精度都超过GPS，但是应看到，只要starlink的卫星启动时钟同步及定位功能，凭借其当前卫星数量和技术，其定位精度必不输北斗。

我国除北斗定位外，在民用卫星互联网建设上，没有铱星，更没有Starlink，与国外还有较大差距。特别因为中国的地面站无法像美、欧、俄等全球部署，因此更加需要发展星间链路来保证中国6G空地一体的全球覆盖。

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时间: 2022-11-29 11:19

作者: 为别人打工的人

时间: 2022-11-29 11:46

作者: fieldmouse

学习

时间: 2022-12-3 10:57

作者: 悠然见南山

好文，学习了！

时间: 2023-3-21 08:00

作者: 火焰蓝

好文，学习了。

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