SpaceX展現(xiàn)的Starlink發(fā)展

+Carlos Placido（美，NSR）/文

沈永言/譯

圖1 SpaceX Starlink基本架構(gòu)

Starlink（星鏈）星座目前由650多顆通信衛(wèi)星組成（編者注：數(shù)據(jù)截止2020年9月底），它們運(yùn)行在高約550公里的軌道上。從衛(wèi)星數(shù)量來看，這種部署已經(jīng)使SpaceX成為全球最大的FSS（固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)）頻段衛(wèi)星運(yùn)營商，這個頻段適合高通量連接。

隨著Starlink和OneWeb越來越多的衛(wèi)星的制造和部署，以及包括 Amazon Kuiper和Telesat LEO在內(nèi)的其他衛(wèi)星運(yùn)營商的加入，新興的非GEO系統(tǒng)加入了O3b“以低延遲連接世界”的競爭，這已成為一個不可逆轉(zhuǎn)且不斷擴(kuò)大的現(xiàn)實(shí)。然而，當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)營商定期重新評估他們的游戲計(jì)劃，并向美國FCC（聯(lián)邦通信委員會）和其他監(jiān)管機(jī)構(gòu)提交修改請求時，在日益變化的業(yè)務(wù)中跟上非GEO的發(fā)展可能會成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。因此，在具有移動部分的多個LEO和MEO星座計(jì)劃的背景下，使用靈活的方法來快速可視化星座部署進(jìn)度，并評估計(jì)劃修改的未來影響就變得至關(guān)重要。

NSR的非GEO星座分析工具包允許用戶輸入新的數(shù)據(jù)，并量化未來可能的影響。讓我們以SpaceX最近向FCC提交的關(guān)于Starlink的更新信函和陳述中公開的信息為例。通過從SpaceX的演示中提取信息，NSR工具包可以幫助用戶理解數(shù)據(jù)并回答關(guān)鍵問題，如：

●在部分部署的情況下，某一特定的位置可以看到多少顆Starlink衛(wèi)星?

●為什么目前只能在美國北部和加拿大進(jìn)行Beta測試?

●一旦第一階段1584顆星完全部署，可以看到多少顆衛(wèi)星?

●如果FCC批準(zhǔn)了SpaceX提出的修改方案，波束切換率等關(guān)鍵架構(gòu)指標(biāo)將會發(fā)生怎樣的變化?

Starlink 第一階段：部分與全面部署

目前，Starlink系統(tǒng)有650多顆衛(wèi)星在550公里的高度運(yùn)行，傾角為53度。由于第一階段尚未完成部署，所以只能在非常特定的緯度范圍內(nèi)提供持續(xù)的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，已知的緯度范圍是44～52度。

圖2顯示了Starlink公司星座第一階段部分和全部部署（2021年）的場景。該圖像是使用NSR工具包中包含的兩個工具進(jìn)行以下分析的結(jié)果。

圖2 SpaceX Starlink初期覆蓋

假設(shè)528顆衛(wèi)星（第一階段的三分之一）均勻分布在24個軌道平面上，我們就可以推斷出為什么互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)只能在北緯44～52度之間使用。原因似乎是：

1、目前在緯度44～52度（南北向）之間，用戶天線可隨時以25度或更高的仰角看到5～7顆衛(wèi)星。因此，在這些能見度最大的區(qū)域，SpaceX更容易為中等到大型的試驗(yàn)用戶群提供持續(xù)服務(wù)。

2、確定在美國和加拿大區(qū)域之外服務(wù)不可用，甚至同一緯度范圍內(nèi)的國家（北或南）也不可用，這僅僅因?yàn)镾paceX只部署了部分信關(guān)站，也可能與沒有在其他國家獲得落地權(quán)有關(guān)。

圖3 不同仰角下可見的SpaceX Starlink衛(wèi)星情況

Starlink信關(guān)站和用戶終端只與那些地平線上最低仰角（SpaceX最初定義為25度）以上的可見Starlink衛(wèi)星通信。隨著網(wǎng)絡(luò)的繼續(xù)部署，更多衛(wèi)星變得可見，所以最低仰角可以增加到40度，如同最初計(jì)劃的完全部署場景。然而，在圖表中可以注意到，Starlink仍然可能受益于被允許在赤道地區(qū)較低的角度增加可見衛(wèi)星的數(shù)量，并避免Ku頻段GEO衛(wèi)星和OneWeb的干擾，后者也在用戶波束使用Ku頻段。

讓我們以華盛頓州的Kalama為例，看看在一個特定的位置可以看到多少顆衛(wèi)星。據(jù)報(bào)道，SpaceX在那里安裝了一個Ka頻段的美國信關(guān)站，這是最初向FCC提交申請的信關(guān)站。據(jù)說SpaceX公司在這個信關(guān)站安裝了8副天線。NSR工具包計(jì)算出在這個位置最多可見7顆衛(wèi)星，因此第8副天線可能需要作為備用或用于在軌道間切換波束，而其他7副天線仍然與可見衛(wèi)星相連。該工具包還為可配置地點(diǎn)提供了“查看角度”和仰角分布，因?yàn)檫@種分布會影響鏈路延遲和IP吞吐量。

用戶速度測試和延遲

SpaceX公司提到，用戶終端可以達(dá)到100 Mbps以上，鏈路延遲低于20ms。雖然在沒有額外信息的情況下很難評估速度測試結(jié)果，但是演示中共享的PING延遲樣本是值得分析的有趣數(shù)據(jù)點(diǎn)。

SpaceX提到了低延遲能力，但值得注意的是低于20ms的PING意味著演示中顯示的結(jié)果是在接近垂直的天線仰角下記錄的，因?yàn)樵?50公里的高度，Starlink的往返傳播延遲至少為16ms（在衛(wèi)星下點(diǎn)，天線仰角為90度）。目前最小的天線“掃描角度”為25度，PING結(jié)果應(yīng)該總是大于30ms，這是發(fā)生在通過從信關(guān)站點(diǎn)到最終服務(wù)器或目的地主機(jī)的開放互聯(lián)網(wǎng)而增加地面延遲之前。因此，SpaceX似乎已經(jīng)為這次演示精心挑選了最好的用戶測試結(jié)果。實(shí)際上，用戶泄露的Beta測試報(bào)告顯示，在速度和延遲方面存在巨大差異，這在早期階段似乎相當(dāng)合理，因?yàn)殡S著網(wǎng)絡(luò)部署的推進(jìn)和用戶終端系統(tǒng)的一系列改進(jìn)或更新，SpaceX肯定會做出調(diào)整。

圖4 SpaceX Starlink最大和最小單向延遲

圖5 SpaceX Starlink的軌道傾角和高度

架構(gòu)的修改

在介紹中，SpaceX指的是MVDDS（多通道視頻與數(shù)據(jù)分發(fā)）。這超出了本文的討論范圍，但從本質(zhì)上講，SpaceX對MVDDS 5G聯(lián)盟提出的允許使用12.2～12.7 GHz頻段的雙向移動寬帶服務(wù)的請求提出了挑戰(zhàn)。

SpaceX在信中還敦促FCC“對SpaceX提出的修改建議迅速采取行動”，如表1所示。

擬議的修改對鏈路延遲、波束切換、衛(wèi)星可視性和包括鏈路IP吞吐量在內(nèi)的其他重要方面都有影響。

結(jié)語

表1 Starlink不同階段計(jì)劃：FCC準(zhǔn)許和計(jì)劃修正

圖6 最大衛(wèi)星通過時間

對于一個已經(jīng)依賴GEO衛(wèi)星通信50多年的行業(yè)來說，Starlink部署和服務(wù)測試上的進(jìn)步可以被認(rèn)為是一個拐點(diǎn)。數(shù)年前，O3b開創(chuàng)了MEO衛(wèi)星通信，目前仍是唯一的非GEO高通量運(yùn)營系統(tǒng)，但SpaceX加速發(fā)展走向全面部署，標(biāo)志著一個新時代的開始，成千上萬HTS資產(chǎn)的大規(guī)模制造和發(fā)射，驅(qū)動衛(wèi)星通信走向主流使用和適用性。SATNET