Starlink星座系統(tǒng)測試及鏈路層協(xié)議探討

+劉帥軍 徐帆江 劉立祥 王大鵬 凌騰

（中國科學(xué)院軟件研究所，天基綜合信息系統(tǒng)重點實驗室）

2020年10月24日晚23:31，第15批代號為Starlink 14的衛(wèi)星發(fā)射升空，此時距離該星座上一次發(fā)射僅6天，同時也成就了一個星座18天內(nèi)完成三次發(fā)射的壯舉。在當(dāng)時，距4月23日馬斯克所說的“3個月內(nèi)測，6個月公測”已半年多了，內(nèi)測性能如何？公測是否啟動？當(dāng)前在軌衛(wèi)星運行狀態(tài)如何？公測階段更大數(shù)量的終端接入將如何應(yīng)對？帶著這些問題，本文將對Starlink星座在軌狀態(tài)、內(nèi)測公測信息進行分析，并對鏈路層協(xié)議進行探討。

一、Starlink星座最新狀態(tài)跟進

1.在軌分布

截止2020年10月25日，SpaceX共進行了15次發(fā)射，其中，第9～11次是一箭58、57、58星，其余12個批次均為一箭60星。歷次發(fā)射信息，如表1所示。

當(dāng)前，Starlink在軌正常運行的720顆衛(wèi)星如圖1所示。

在表1所示893顆衛(wèi)星中，尚有173顆衛(wèi)星未能在圖1中顯示，這些衛(wèi)星或是由于尚未公布TLE數(shù)據(jù)，或是由于已失效，具體如下：

●120顆星尚未公布TLE衛(wèi)星：第14、15批衛(wèi)星由于新發(fā)射，尚未獲得公開的TLE數(shù)據(jù)。

●5 3 顆星已失效：第1 批4 6 顆，第2、4、5、6、8 各1 顆（NORAD編號：44745、45055、45211、45363、45657），第3批2顆（NORAD編號：44948、44965）。測試版本則失效率達(dá)76.67%，正式版本失效率僅0.98%，所有衛(wèi)星失效率為6.86%。

表1 Starlink衛(wèi)星歷次發(fā)射信息表

圖1 Starlink正常運行衛(wèi)星的在軌分布（截止2020年10月25日）

在軌正常運行衛(wèi)星，在軌道高度與升交點赤經(jīng)RAAN二維分布如圖2所示。

從圖2中可以看出，在軌衛(wèi)星已較為均勻地分布在27個軌道面上。其中，第2～8批次各完成3個軌道面的部署，共計21個軌道面；第9～10批次各完成近2個面的部署，共計4個軌道面；第11～12批次衛(wèi)星則僅完成1個軌道面部署，共計2個軌道面。

同一軌道面內(nèi)衛(wèi)星是否均勻分布，仿真分析結(jié)果如圖3所示。

第2～8批衛(wèi)星在同一軌道面內(nèi)衛(wèi)星的分布較為均勻，而第9～13批次衛(wèi)星仍有扎堆現(xiàn)象，與圖2中結(jié)論一致。

就衛(wèi)星當(dāng)前運行軌道高度而言，進入預(yù)定550km的衛(wèi)星516顆，占比72%，各批次發(fā)射的衛(wèi)星在軌高度如圖4所示。

2.軌道爬升分析

對發(fā)射的共計13批次Starlink衛(wèi)星自發(fā)射之日起至今（時間跨度：520.4天，約為1年5月5天）的軌道高度變化過程進行分析，結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出：

●星鏈系統(tǒng)的部署進度加快：由第1～2批次發(fā)射間隔171.5天，縮短至平均不到15天，再至最近一次間隔僅6天；

●第1批次測試版本Starlink衛(wèi)星在221天、365天兩個時間點開始下降，從下降軌跡推斷系開展主動降軌測試；自440天開始，陸續(xù)約44顆衛(wèi)星開始離軌而墜入大氣層；

●正式版本衛(wèi)星仍是分三組進行軌道爬升，三組爬升速度及間隔與前述文章分析時結(jié)論基本一致。

圖2 Starlink衛(wèi)星在軌高度及升交點赤經(jīng)RAAN分布

圖3 Starlink衛(wèi)星軌道面內(nèi)相位角及升交點赤經(jīng)RAAN分布

圖4 Starlink衛(wèi)星在軌高度分批次統(tǒng)計

二、Starlink測試情況

關(guān)于Starlink系統(tǒng)內(nèi)測和公測的消息，需要追溯到2020年4月23日馬斯克發(fā)布的一條推特“內(nèi)測將在約三個月后，公測約六個月后”，即7月23日內(nèi)測、10月23日公測。然而，實際情況究竟如何呢？

1.Starlink內(nèi)測

事實上，7月中旬星鏈官網(wǎng)內(nèi)部測試信息泄露，而7月23日，星鏈商業(yè)銷售副總裁Jonathan Hofeller公開表示，目前SpaceX員工的親朋好友們正在對Starlink網(wǎng)絡(luò)進行測試。

在內(nèi)測階段，關(guān)于Starlink測試性能基本都是來源于測試截圖。我們主要參考reddit網(wǎng)、testmy.net網(wǎng)。其中，reddit網(wǎng)中對Starlink內(nèi)測過程中的速率截圖進行中整理工作，從大量測試截圖中發(fā)現(xiàn)：

●最低Ping延遲：18 ms

●最大下載速率：203.74 Mbps

●最大上傳速率：42.58 Mbps

詳細(xì)結(jié)果如圖6所示。

另據(jù)testmy.net網(wǎng)址對Starlink速率的統(tǒng)計，從近1000次測試結(jié)果來看，下載和上傳速率最大為14 9.2Mbps、4 2.5Mbps，平均為42.4Mbps、11.7Mbps。詳細(xì)的測試結(jié)果如圖7、圖8所示。

從內(nèi)測性能來看，近一個月來的149.2Mbps峰值速率小于203.74Mbps歷史峰值速率。可能的原因是，越來越多的北美用戶申請加入了Starlink測試，而在軌衛(wèi)星數(shù)量增長相對緩慢，這就使得衛(wèi)星平均服務(wù)終端數(shù)量增多，峰值速率下降。

2.Starlink公測

10月2日馬斯克在Twitter中回復(fù)了關(guān)于Starlink何時公測的問題，表示“將非常快了”。

圖5 Starlink衛(wèi)星自T0時刻軌道變化過程

圖6 Reddit網(wǎng)關(guān)于Starlink測試速率的整理

據(jù)CNBC報道，10月26日，SpaceX公司發(fā)送給未指定數(shù)量用戶的電子郵件，主要內(nèi)容包括：

●Starlink衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的價格為每月99美元，而終端套件（含天線、WiFi路由器等）的預(yù)付價格為499美元；

●隨著Starlink系統(tǒng)的不斷增強，接下來的幾個月中，數(shù)據(jù)速率可達(dá)50～150Mbps，延遲可達(dá)20～40 ms，然而也將有短暫的無法連接時間；

●收到電子郵件的人，需要在Starlink網(wǎng)站上填寫表格，以提供潛在訂戶的聯(lián)系方式和位置信息。

公布服務(wù)質(zhì)量及售價，并向更大范圍潛在用戶群體發(fā)送郵件，標(biāo)志著SpaceX對新興互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的公開Beta測試的啟動。

需要說明的是，衛(wèi)星數(shù)量增多及在軌更為均勻分布盡管提升了通信可靠性，然而也僅能做到98.8%通信可用性。這也就意味著，1天內(nèi)大約17.3分鐘是無法連接的，與SpaceX在群發(fā)郵件中指明“短暫無法連接”契合。

三、Starlink衛(wèi)星鏈路層協(xié)議探討

協(xié)議即規(guī)范，約定系統(tǒng)內(nèi)部信息的流通和處理機制。隨著Starlink系統(tǒng)公測的啟動，將有更大數(shù)量的終端通過衛(wèi)星提供服務(wù)，而衛(wèi)星鏈路層協(xié)議正是面向單星下多終端連接的解決方案，包括如何支持多終端連接、數(shù)據(jù)可靠有序交付等內(nèi)容。單星（/波束）同時為多個終端服務(wù)的示意圖參見圖9。

1.鏈路層功能與定位

圖7 testmy.net網(wǎng)關(guān)于Starlink平均下載和上傳速率統(tǒng)計

圖8 testmy.net網(wǎng)關(guān)于Starlink最大下載和上傳速率統(tǒng)計

鏈路層即數(shù)據(jù)鏈路層，定義了通過通信媒介互連的設(shè)備間傳輸?shù)囊?guī)范，如通過網(wǎng)線互連的計算機間傳輸采用的以太網(wǎng)協(xié)議、通過無線互連的基站-手機間傳輸采用的無線通信鏈路層協(xié)議（4G/5G等）。鏈路層在OSI參考模型中位于第二層，與上層網(wǎng)絡(luò)層和下層物理層交互。根據(jù)通信介質(zhì)是否共享可分為共享介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)、非共享介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。前者如同基站與多個手機間的通信，也就需要多個終端間共享同一基站的無線通信鏈路資源；后者如同直接采用網(wǎng)線直連的兩個計算機，通信對端的兩個主機獨占此有線鏈路資源。相比而言，共享介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)要解決如何共享介質(zhì)的問題，Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)采取此模式。

對共享介質(zhì)鏈路層而言，鏈路層協(xié)議重點解決共享資源爭用與調(diào)度（即媒體接入控制，MAC），具體為如下三點：

（1）傳輸對象標(biāo)識的問題：由于存在多個終端（/主機）在同一鏈路上傳輸信號，收發(fā)端需具備身份識別能力，以確認(rèn)該信息是否發(fā)給自己。

（2）傳輸格式定義的問題：兩端需規(guī)范好以什么格式對傳輸信息進行規(guī)范，以及在此格式中至關(guān)重要的同步問題。

（3）傳輸差錯控制的問題：共享介質(zhì)中可能存在不當(dāng)?shù)臓幱梅绞剑鴮?dǎo)致傳輸信息碰撞，如同在一個道路上一旦有車輛不遵守交通規(guī)則，將可能導(dǎo)致多個車輛無法正常行駛。也就要求傳輸過程中出現(xiàn)差錯時，可實現(xiàn)差錯控制的機制。

2.例舉鏈路層協(xié)議

以有線以太網(wǎng)和無線LTE協(xié)議的鏈路層為例，說明兩個系統(tǒng)是如何解決上述三個問題的。

首先，需明確鏈路層傳輸格式的基本單元為“幀”，類似于網(wǎng)絡(luò)層的基本傳輸單元“包”。以太網(wǎng)面向的是無數(shù)計算機相連組成的網(wǎng)絡(luò)，LTE面向的是基站與多個終端相連組成的網(wǎng)絡(luò)。從這個角度來看，以太網(wǎng)與LTE的MAC存在如下區(qū)別：以太網(wǎng)MAC面向多個對等實體間鏈路共享，而LTE MAC面向基站與多終端間的鏈路共享。

從以太網(wǎng)鏈路層幀結(jié)構(gòu)可看出：前導(dǎo)碼實現(xiàn)幀同步，供接收端能獲得幀起始位置；首部實現(xiàn)目標(biāo)與源地址，供接收端判斷是否是發(fā)給自己的幀；幀校驗和FCS提供差錯控制。而LTE中幀結(jié)構(gòu)可看出：主同步P-sch/輔同步S-sch實現(xiàn)幀同步，RNTI標(biāo)識所傳輸?shù)膬?nèi)容及對象，幀序號及重傳機制等實現(xiàn)差錯控制。

3.Starlink鏈路層協(xié)議探討

當(dāng)前Starlink在軌運行衛(wèi)星720顆，任一時刻下美國區(qū)域內(nèi)可見衛(wèi)星有限，平均可見衛(wèi)星55顆，相當(dāng)于總數(shù)的7.6%。仿真如圖10所示。

即便最終實現(xiàn)42000顆衛(wèi)星的部署，同時在美國區(qū)域上空的衛(wèi)星也僅為3192顆（=42000*7.6%），考慮單星16點波束的工作模式，則可提供最多5.1萬個波束。而SpaceX當(dāng)前測試階段在北美地區(qū)的終端數(shù)就已申請100萬個，以此估算，也需要每個波束為近20個終端服務(wù)。考慮到Starlink衛(wèi)星的分階段部署、終端數(shù)量的潛在增長需求，實際單波束服務(wù)終端數(shù)量將遠(yuǎn)大于此值。因此，鏈路層協(xié)議是必需且至關(guān)重要的，需重點考慮如下兩個問題：

（1）共享資源如何切分的問題：為支持大量終端在共享無線資源上的復(fù)用問題，可通過細(xì)顆粒度、多維度的資源切割實現(xiàn)。即：通過更小帶寬的頻域信道（/更小時長的時域時隙等）實現(xiàn)一個幀內(nèi)更多終端的調(diào)度，通過聯(lián)合時頻空等多域進行資源調(diào)度。更為精細(xì)的資源切割與調(diào)度，在支持終端數(shù)量和快速調(diào)度方面雖有優(yōu)勢，然而也為此需補償額外的控制開銷。為此，需合理設(shè)計鏈路層資源分割粒度。

圖9 Starlink衛(wèi)星多個終端間鏈路層調(diào)度共享示意圖

（2）共享資源如何調(diào)度的問題：以太網(wǎng)協(xié)議中MAC機制都采用分布式協(xié)商機制，這是因為所有對端都是對等實體；而無線LTE中MAC都采用集中控制機制，即終端的收發(fā)行為都已被基站統(tǒng)一安排好。對Starlink系統(tǒng)而言，可以預(yù)見其將采用集中控制的資源調(diào)度機制，即多個終端在單星（/波束）內(nèi)的傳輸調(diào)度將統(tǒng)一由網(wǎng)絡(luò)決定。而如何實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度，合理規(guī)劃傳輸調(diào)度時頻空資源將是設(shè)計的難點。

四、總結(jié)與展望

圖10 Starlink衛(wèi)星在美國區(qū)域可見星個數(shù)分布（端星仰角25度）

本文對Starlink系統(tǒng)測試信息及在軌分布進行了分析，同時探討了鏈路層協(xié)議的必要性及設(shè)計原則。大致得出如下結(jié)論：

●已完成15批次衛(wèi)星發(fā)射，共計893顆；預(yù)期部署的36個軌道面，已完成近27個軌道面部署；

●前13批次發(fā)射共計773顆衛(wèi)星，在軌正常運行720顆，失效53顆，正式版本失效率為0.98%，總體失效率達(dá)6.86%；

●Starlink內(nèi)測最大下載和上傳速率203.74 Mbps、42.58 Mbps，最低Ping延遲18 ms；

●Starlink公測已啟動，且公布價格99美元/月+499美元終端價格，速率50-150Mbps、延遲20-40ms，然仍有短暫無法連接情況；

●美國區(qū)域內(nèi)可見衛(wèi)星個數(shù)平均僅7.6%，當(dāng)前在軌720顆衛(wèi)星平均55顆在美國上空，鏈路層協(xié)議對實現(xiàn)Starlink系統(tǒng)大量終端服務(wù)需求至關(guān)重要；

●Starlink鏈路層協(xié)議需合理設(shè)置共享資源切分粒度和維度，以均衡由此帶來的性能提升與控制開銷。