H3地图分区及Starlink中应用

本文介绍Uber公司提出的H3六边形网格的地理空间索引系统。

H3简介

H3是Uber公司提出的一款基于六边形网格的地理空间索引系统，用于将地球分割成大部分六边形和12个五边形组成的区域(H3中称为Cell)，对于Uber线上出租车业务来说猜想应该有很多的应用场景，比如区域内出租车合理分布派单，区域间路线导航等等，H3分区下效果如下图所示，实时效果可在h3 viewer查看。

H3系统中有个重要的参数Resolution，这个就像类似图片分辨率控制，不同的Resolution下六边形区域大小不同，Resolution越大，六边形区域越小，小的Resolution下的六边形又近似由多个大的Resolution的六边形组成，如下为Resolution=1和Resolution=2下的北京区域对比。

H3核心由C语言编写，但是可以提供非常多的其他语言绑定的函数调用，具体详细功能、api、其他语言绑定支持及与其他类似地理空间索引系统对比可参见其官方doc文档H3 Introduction

Starlink中的H3

据了解，Starlink中使用了H3来分割地球表面的不同区域，Starlink为何要使用Uber的H3系统，个人理解交通里的运送人和物，其实和通信网络中传输数据有很多相通之处，比如交通中区域内安排出租车数量分布类似与通信里分配频段波束，交通中区域间车辆导航又类似网络中的路由转发传递数据包。

说回Starlink，其卫星和用户终端(Dishy)通过Ku波段基于相控阵天线通信，卫星在LEO轨道，单颗卫星覆盖面积有限，多颗卫星还会重叠覆盖同一区域，Starlink要在同一较大区域内如何在其内部较小区域内合理分配卫星Ku波段频率及波束是一大挑战，高效的地球表面分区系统也是其中关键之一，H3系统可以提供高效高低维度区域分割。区域内和区域间频率分配和波束赋形就需要Starlink提供高效的算法才能保证用户较为一致的带宽和延迟上的网络体验，里面包含覆盖区域卫星数量，通信频率干扰，天气情况(如雨衰)，区域内接入终端数量，天线视场限制，波束分配，波束投射角度及覆盖区域大小，波束跳动等因素，如下2021年SpaceX Software AMA上也有提到这个问题确实是较大挑战。

Starlink目前用户在100万以上，用户主要在人口较稀疏的农村区域，用户网络体验可能还相对没那么明显，随着Starlink卫星数量的暴增，多颗卫星区域重复覆盖情况更复杂，用户量级的增长，区域用户分布更不均衡，增加星间激光链路等因素都将加剧区域分配频谱和波束的复杂性。

如下satellitemap.space网站中Starlink可用区域的H3分区情况：

基于Cesium展示北京H3分区域两颗卫星覆盖下局部波束投射效果如下图