Starlink星座覆蓋與時延分析

+劉帥軍 徐帆江 劉立祥 王大鵬（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4月23日，SpaceX發(fā)射第七批共計60顆星鏈（Starlink）衛(wèi)星，使星鏈星座在軌衛(wèi)星達到420顆。Starlink星座的定位是全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，據(jù)馬斯克所說是要實現(xiàn)50ms以內(nèi)的時延，與地面光纖網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)。那么，當(dāng)前420顆衛(wèi)星所能提供的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)時延能達到多少呢？完成部署第一階段1584顆衛(wèi)星時，所能提供的服務(wù)時延能降低到多少？

針對這些問題，項目組基于自研“天智網(wǎng)絡(luò)仿真測試床”對Starlink星座的覆蓋特性、業(yè)務(wù)時延進行分析。初步的結(jié)論是，當(dāng)前在軌420顆Starlink衛(wèi)星在南北緯30-55度之間可形成較好覆蓋，但仍無法提供連續(xù)無縫覆蓋。以美國紐約到西雅圖的端到端通信，僅可保證59%的端到端鏈路，平均端到端往返時延（round trip time,RTT）為51.8 ms。

本文第一部分詳細分析了覆蓋能力，第二部分對端到端往返時延RTT進行了分析。如無特別說明，本文所有仿真圖均出自天智網(wǎng)絡(luò)仿真測試床。

一、Starlink星座全球覆蓋能力分析

當(dāng)前，Starlink在軌420顆衛(wèi)星空間段分布如圖1左圖所示（數(shù)據(jù)的參考時間為2020.05.17-12:00）。作為對比，第一階段完整的1584顆衛(wèi)星星座如圖1右圖所示。

對Starlink星座覆蓋特性的分析，以全球分布的終端為采樣點，以2緯度*2經(jīng)度的方式進行部署，即圖1中地球表面分布的綠色x所示。覆蓋特性分析取1天的仿真周期，步長60秒，當(dāng)前在軌420顆Starlink衛(wèi)星全球覆蓋特性如圖2所示。

由圖2可看出，Starlink星座在南北緯53度附近可形成最優(yōu)的覆蓋（平均覆蓋重數(shù)為4左右），這是由于其采用了53度的軌道傾角。而對于高緯度區(qū)域（高于60度），無法提供覆蓋，該部分區(qū)域?qū)⒂珊罄m(xù)規(guī)劃的較大傾角（包括74/70/81度）衛(wèi)星提供覆蓋服務(wù)；對于中低緯度區(qū)域（低于30度），基本上可提供平均1.5-2重覆蓋。

圖2中覆蓋特性呈現(xiàn)典型的緯度相關(guān)特性，即全球同一緯度的區(qū)域在覆蓋上具有強相關(guān)性。為此，進一步分析了Starlink星座在各緯度上的覆蓋特性，如圖3所示。

圖1 每個運營商收入租賃收入

圖2 當(dāng)前在軌420顆Starlink衛(wèi)星覆蓋特性—可見衛(wèi)星個數(shù)在全球范圍的分布

由圖3可以更清晰的看出當(dāng)前Starlink星座在南北緯30-55度之間覆蓋較好。由圖3可看出，不同緯度上最大覆蓋重數(shù)波動較大，如在北緯30度處最大覆蓋重數(shù)在11～15之間波動，這是同一緯度的不同經(jīng)度上最大覆蓋重數(shù)有較大差異。同時，當(dāng)前Starlink星座對地覆蓋最小重數(shù)為0，也表明未能實現(xiàn)連續(xù)覆蓋，這是由于當(dāng)前Starlink衛(wèi)星分布不夠均勻而導(dǎo)致，通過圖1左圖在軌分布也可看出。（關(guān)于Starlink在軌衛(wèi)星跟進與分析已在前述文章《Starlink星座衛(wèi)星在軌實時跟進與分析》提及，感興趣的讀者請參閱《衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)》2020年6月刊）。

作為對比，我們進一步分析了完整Starlink第一階段1584顆衛(wèi)星的全球覆蓋特性，如圖4所示。與圖3相比，第一階段1584顆衛(wèi)星實現(xiàn)了南北緯60度范圍的連續(xù)覆蓋，提供了任意時間下最小2重覆蓋；同時，不同緯度上最大覆蓋重數(shù)也不再波動，如對于北緯30度區(qū)域而言，不同經(jīng)度的最大覆蓋重數(shù)均為10重，這主要是由于第一階段1584顆衛(wèi)星在軌分布均勻。南北緯30-50度是重點覆蓋區(qū)域，可提供6重以上覆蓋，之所以重點在此區(qū)域提供多重覆蓋，主要考慮了全球人口的分布。

圖3 當(dāng)前在軌420顆Starlink衛(wèi)星覆蓋特性—可見衛(wèi)星個數(shù)隨緯度變化

圖4 第一階段1584顆Starlink衛(wèi)星覆蓋特性—可見衛(wèi)星個數(shù)隨緯度變化

二、Starlink星座服務(wù)時延性能分析

空間段考慮當(dāng)前在軌420顆Starlink衛(wèi)星，無星間鏈路，地面段為26個Ka關(guān)口站（參考楊紅俊分享的資料：《SpaceX公司將為Starlink星座新建21個關(guān)口站》，https://mp.weixin.qq.com/s/VgMfa9GLCxZfEvnJtfrO1Q），用戶段為紐約到西雅圖的通信業(yè)務(wù)。總體仿真場景及業(yè)務(wù)流如圖5所示：

由圖5可看出，由紐約到西雅圖通信業(yè)務(wù)流為端-星-站-……-星-端，因為沒有星間鏈路，所以關(guān)口站和衛(wèi)星間通過多跳中繼的方式提供了端到端的服務(wù)。進一步，以1天為仿真時長，端到端往返時延RTT如圖6所示：

由圖6上圖可看出，對于紐約到西雅圖之間的通信時間占比為59%，即仍有41%時間內(nèi)沒有可達鏈路。端到端RTT平均為51.8ms，且RTT波動較大，該原因仍是由于當(dāng)前Starlink星座分布不夠均勻而導(dǎo)致。作為對比，紐約到西雅圖的大圓距離3869.5km光纖傳播往返時延RTT為37.4ms（實際上，紐約到西雅圖兩點間光纖肯定大于地球大圓對應(yīng)的距離，故實際RTT肯定要大于37.4ms）。

圖5 當(dāng)前在軌420顆衛(wèi)星提供端到端服務(wù)的場景和業(yè)務(wù)流

進一步以第一階段1584顆衛(wèi)星為分析場景，且存在星間鏈路，此時端到端服務(wù)的場景和業(yè)務(wù)流如圖7所示。與圖5的主要區(qū)別在于，端到端的通信業(yè)務(wù)流可通過星間鏈路，即此時的通信業(yè)務(wù)流為端-星-星/站-……-星-端。

同樣地，仿真時長1天內(nèi)的端到端往返時延RTT分析如圖7所示。此時，紐約到西雅圖之間的可通信時間占比為100%，即保證了連續(xù)服務(wù)。端到端RTT平均為38.8ms，且RTT波動很小，與地面大圓對應(yīng)的37.4ms光纖往返時延RTT相當(dāng)。

圖6 當(dāng)前在軌420顆衛(wèi)星提供端到端服務(wù)的往返時延RTT分析

圖6 第一階段1584顆Starlink衛(wèi)星提供端到端服務(wù)的場景和業(yè)務(wù)流

圖7 第一階段1584顆Starlink衛(wèi)星提供端到端服務(wù)的往返時延RTT分析

三、總結(jié)與展望

本文對當(dāng)前在軌420顆衛(wèi)星及預(yù)期第一階段1584顆衛(wèi)星為研究對象，結(jié)合當(dāng)前規(guī)劃的26個Ka關(guān)口站，分析了覆蓋和端到端往返時延RTT的性能。形成如下結(jié)論：

（1）在覆蓋方面：當(dāng)前在軌420 顆Starlink衛(wèi)星在南北緯30-55度之間可形成較好覆蓋，而高于南北緯60度區(qū)域尚無覆蓋，中低緯度區(qū)域覆蓋較差；同時，尚未形成對地的連續(xù)覆蓋。而第一階段1584顆衛(wèi)星可形成南北緯60度以內(nèi)區(qū)域無縫連續(xù)的多重覆蓋，特別地，在人口密集的南北緯30-55度之間，提供了平均不小于9重的覆蓋。

（2）端到端往返時延RTT方面：結(jié)合當(dāng)前SpaceX在美國規(guī)劃的26個Ka關(guān)口站，當(dāng)前在軌420顆Starlink衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)能力可達59%，也意味著剩余41%時間沒有端到端的有效傳輸路徑；同時，紐約到西雅圖端到端往返時延RTT平均為51.8ms。而第一階段1584顆衛(wèi)星的場景下，則可保證端到端的100%通信，平均端到端往返時延RTT也降至38.8ms，與地面光纖網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)。

在上述工作基礎(chǔ)上，我們后續(xù)將重點針對如下兩方面開展工作：

（1）當(dāng)前分析端到端往返時延RTT是較為理想的值，實際RTT值則需考慮接入/切換協(xié)議、星間/星地路由、隊列調(diào)度等機制，下一步工作將結(jié)合星間/星地路由等協(xié)議分析時延等性能。

（2）除卻覆蓋和時延這兩項指標，整網(wǎng)所能提供的通信容量也至關(guān)重要，下一步工作將結(jié)合全球業(yè)務(wù)量需求、Starlink衛(wèi)星用戶/饋電/星間鏈路承載能力等因素，分析整網(wǎng)可達容量。

（3）未來Starlink將在天上進行組網(wǎng)運行，下一步工作將著重分析Starlink的組網(wǎng)體系和協(xié)議模型。