SpaceX展現的Starlink發展

+Carlos Placido（美，NSR）/文

沈永言/譯

圖1 SpaceX Starlink基本架構

Starlink（星鏈）星座目前由650多顆通信衛星組成（編者注：數據截止2020年9月底），它們運行在高約550公里的軌道上。從衛星數量來看，這種部署已經使SpaceX成為全球最大的FSS（固定衛星業務）頻段衛星運營商，這個頻段適合高通量連接。

隨著Starlink和OneWeb越來越多的衛星的制造和部署，以及包括 Amazon Kuiper和Telesat LEO在內的其他衛星運營商的加入，新興的非GEO系統加入了O3b“以低延遲連接世界”的競爭，這已成為一個不可逆轉且不斷擴大的現實。然而，當衛星運營商定期重新評估他們的游戲計劃，并向美國FCC（聯邦通信委員會）和其他監管機構提交修改請求時，在日益變化的業務中跟上非GEO的發展可能會成為一項艱巨的任務。因此，在具有移動部分的多個LEO和MEO星座計劃的背景下，使用靈活的方法來快速可視化星座部署進度，并評估計劃修改的未來影響就變得至關重要。

NSR的非GEO星座分析工具包允許用戶輸入新的數據，并量化未來可能的影響。讓我們以SpaceX最近向FCC提交的關于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據并回答關鍵問題，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衛星?

●為什么目前只能在美國北部和加拿大進行Beta測試?

●一旦第一階段1584顆星完全部署，可以看到多少顆衛星?

●如果FCC批準了SpaceX提出的修改方案，波束切換率等關鍵架構指標將會發生怎樣的變化?

Starlink 第一階段：部分與全面部署

目前，Starlink系統有650多顆衛星在550公里的高度運行，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提供持續的互聯網服務，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行以下分析的結果。

圖2 SpaceX Starlink初期覆蓋

假設528顆衛星（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網服務只能在北緯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顆衛星。因此，在這些能見度最大的區域，SpaceX更容易為中等到大型的試驗用戶群提供持續服務。

2、確定在美國和加拿大區域之外服務不可用，甚至同一緯度范圍內的國家（北或南）也不可用，這僅僅因為SpaceX只部署了部分信關站，也可能與沒有在其他國家獲得落地權有關。

圖3 不同仰角下可見的SpaceX Starlink衛星情況

Starlink信關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衛星通信。隨著網絡的繼續部署，更多衛星變得可見，所以最低仰角可以增加到40度，如同最初計劃的完全部署場景。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較低的角度增加可見衛星的數量，并避免Ku頻段GEO衛星和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星。據報道，SpaceX在那里安裝了一個Ka頻段的美國信關站，這是最初向FCC提交申請的信關站。據說SpaceX公司在這個信關站安裝了8副天線。NSR工具包計算出在這個位置最多可見7顆衛星，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星相連。該工具包還為可配置地點提供了“查看角度”和仰角分布，因為這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果，但是演示中共享的PING延遲樣本是值得分析的有趣數據點。

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果是在接近垂直的天線仰角下記錄的，因為在550公里的高度，Starlink的往返傳播延遲至少為16ms（在衛星下點，天線仰角為90度）。目前最小的天線“掃描角度”為25度，PING結果應該總是大于30ms，這是發生在通過從信關站點到最終服務器或目的地主機的開放互聯網而增加地面延遲之前。因此，SpaceX似乎已經為這次演示精心挑選了最好的用戶測試結果。實際上，用戶泄露的Beta測試報告顯示，在速度和延遲方面存在巨大差異，這在早期階段似乎相當合理，因為隨著網絡部署的推進和用戶終端系統的一系列改進或更新，SpaceX肯定會做出調整。

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

架構的修改

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

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、衛星可視性和包括鏈路IP吞吐量在內的其他重要方面都有影響。

結語

表1 Starlink不同階段計劃：FCC準許和計劃修正

圖6 最大衛星通過時間

對于一個已經依賴GEO衛星通信50多年的行業來說，Starlink部署和服務測試上的進步可以被認為是一個拐點。數年前，O3b開創了MEO衛星通信，目前仍是唯一的非GEO高通量運營系統，但SpaceX加速發展走向全面部署，標志著一個新時代的開始，成千上萬HTS資產的大規模制造和發射，驅動衛星通信走向主流使用和適用性。SATNET