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巨星星座paper研究

2023-05-16

巨星星座paper研究

ICM1篇
Exploring the “Internet from space” with Hypatia

Hypatia论文：

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摘要：

Hypatia 提出了一个框架，通过结合这些星座的独特特征，如高速轨道运动，来模拟和可视化这些星座的网络行为。我们描述了这些网络的预期行为，包括延迟和链路利用率随时间的波动，以及这些变化对拥塞控制和路由的影响。

Introduction

卫星网络意义
1 解决全球覆盖的问题
2 LEO低轨卫星运行高度低于地球表面上方2000公里，时延可以与地面网络媲美，而GEO卫星时延是数百毫秒

大型LEO星座承诺以低延迟和高带宽覆盖全球。
需要解决的问题：在这样的星座中，每颗卫星每隔大约100分钟绕地球一圈，运行速度为每小时27,000公里。卫星的这种高速运动不仅造成地面到卫星链路的高度抖动，而且随着组成路径的卫星的移动，还会引起端到端路径结构的波动。
此外还有 端到端拥塞控制 星座内路由 缺乏LEO网络动态行为的网络分析工具。

Hypatia：是一个具有模拟和可视化模块的分析框架。Hypatia提供了基于ns-3的分组级LEO网络模拟器，以及基于Cesium 的几种类型的网络的可视化。
Cesium是一个用于显示三维地球和地图的开源js库。它可以用来显示海量三维模型数据、影像数据、地形高程数据、矢量数据等等。
可以渲染轨迹视图、架空卫星的GS透视图、端到端路由、不断变化的链路利用率以及路由上的可用带宽。

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论文对三个最大的LEO网络：StarLink、Kuiper和Telesat进行了仿真。我们对网络的仿真揭示了LEO动态对不同路径RTT和分组重新排序的影响，以及端到端路径上可用带宽的波动。我们讨论了这些观察结果对拥塞控制和路由的影响

LEO卫星网络：

一个大型的LEO星座可能由成百上千颗卫星组成。这些卫星被组织成若干轨道。
轨道的描述：a) inclination 轨道倾角
b) height 高度：高于海平面的高度
一组轨道具有相同的 i和h，以相等的间距穿过赤道，称为轨道壳—Shell. 大型星座可以部署一个或多个这样的外壳。

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每颗卫星都使用无线电上行/下行链路与地面站(GSE)通信，如图所示。卫星只有在足够高的高度才能连接到地面站，这由最小仰角elevation:𝑙 定义。
SpaceX Starlink: The minimum elevation, 𝑙 = 25°.
Amazon Kuiper: The minimum elevation, FCC提交的文件提到了几个可能的价值, 𝑙 = 20(min)/30/35/45,仿真中用的30
Telesat: The minimum elevation, 𝑙 = 10°.
影响：
Telesat拥有最少的卫星，只有不到三分之一的柯伊伯卫星和不到四分之一的Starlink卫星，但它实现了大多数连接的最低延迟。StarLink的延迟也比Kuiper的高。
Telesat声称，与Starlink(25°)和Kuiper(30°)相比，它将使用低得多的最小仰角，10°。这使得GSE可以随时看到更多的Telesat卫星，为端到端路径提供了更多选择。此外，由于这些低海拔路径更接近地平线，因此上行-下行链路的开销通常较小。
Starlink-Kuiper的差异不是由于仰角的不同，而是轨道结构的不同。Kuiper轨道内的卫星在Starlink中的距离要远得多，路径通常需要在多个轨道上以之字形移动才能到达目的地。

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大规模星座

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LEO网络的独特动态：
卫星的移动速度快，可以在100分钟内完成绕地球一圈，由于卫星在GSE间快速运行，GS卫星链路只能维持几分钟，之后需要切换。ISLS的长度也在不断变化。地球的形状和轨道几何形状导致卫星在更高纬度更近。这导致它们的相对位置不断变化，从而导致ISL长度和等待时间不断变化。
因此，两个GSE之间的端到端路径在涉及哪些卫星以及GS卫星链路和ISL的长度方面都会发生变化。

商业卫星网络
HughesNet[35]和Viasat[76]主要服务于地面光纤连接不畅的地区，以及飞机和轮船。这两个星座都是GEO卫星星座，在35,786公里的高度运行，它们会招致数百毫秒的延迟。此外，它们的性能和服务目标不同，根据定义，它们的GEO卫星相对于地球是静止的，因此不具有LEO动力学特征。
Iridium[36，37]在LEO运营，但主要提供卫星电话，而不是宽带互联网。

相关论文：
从20世纪90年代开始有大量或更早的关于GEO和小型LEO网络的工作[2，4，14，15，18，24，43，50，53，71，78-80，82]，巨型星座的新机遇和挑战：星座内路由[29]和域间路由[44]，以及端-端拥塞控制[5]、拓扑设计[6]和互联网域间路由[26]。

Hypatia 的使用：

数据生成：

  1. TLE generation：
    来源 北美防空司令部NORAD定期发布的TLE。
    建立了一个实用程序，它接受开普勒式轨道元素作为输入，并输出TLE。
    pyephem，这是一个可以从开普勒式元素或TLE生成星座的Python库。
  2. ISL connectivity：
    在我们的默认实施中，每颗卫星使用4个ISL。使用网格作为默认的ISL互连。
  3. GS-satellite connectivity
    只模拟具有多重抛物线天线的静态GSE
  4. Forwarding state:
    计算卫星和地面站的转发状态间隔，默认为100ms。
    对于每个时间间隔，使用networkx模块来生成网络图，考虑卫星位置以及卫星和地面站之间的链路长度。在此图中，可以基于任意路由策略计算每个节点的转发状态。我们目前的实现简单地使用最短路径路由，使用Floyd-Warshire算法进行计算。
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Satgenpy模块：Satellite network generation

Dynamic state algorithms

  1. algorithm_free_one_only_over_isls
    仅在存在ISL的情况下运行。它计算从每个地面站/卫星到每个地面站的最短路径。没有地面站中继，即GS-(SAT)±GS。地面站和卫星只有一个不改变带宽的接口。
  2. algorithm_free_one_only_gs_relays
    仅在存在ISL的情况下运行。它计算从每个地面站/卫星到每个地面站的最短路径。使用地面站中继，即GS-SAT-(GS-SAT)±GS 。地面站和卫星只有一个不改变带宽的接口。
  3. algorithm_free_gs_one_sat_many_only_over_isls
    仅在存在ISL的情况下运行。它计算从每个地面站/卫星到每个地面站的最短路径。没有地面站中继，即GS-(SAT)-GS。地面站只有一个不改变带宽的GSL接口，卫星有多个地面站GSL接口。
  4. algorithm_paired_many_over_isls
    仅在存在ISL的情况下运行。它计算从每个地面站/卫星到每个地面站的最短路径。没有地面站中继，即GS-(SAT)-GS)。地面站只有一个接口，卫星有多个地面站接口。每个地面站接口都绑定到最近的卫星接口，并且只在那里发送。根据卫星连接到的地面站数量在两边分配带宽。

仿真Kuiper’s K1 shell过程

Run.list.py
选路

设置状态更新间隔 100ms，仿真时间 200s，动态算法，队列大小，拥塞算法TCP new Reno
带宽10Mbps
step_1_generate_satellite_networks_state.py
设置 WGS72 value 高度 半径 Maximum GSL length Maximum ISL length
生成TLE ISL 为了加快仿真速度，假设每个轨道有17个卫星，
step_2_generate_runs.py
设置ns3运行的参数 仿真时间，拥塞算法
step_3_run.py
运行ns3代码
step_4_generate_plots.py
画图

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