Starlink星地鏈路性能仿真分析與啟示*

代健美，文泓斐

（1.航天工程大學，北京 101416；2.北京航天飛行控制中心，北京 100094）

0 引言

低軌道衛星星座作為全球信息基礎設施的重要組成部分，以其覆蓋范圍廣、傳輸速率高、時延低等優勢成為軍事大國競相角力的新方向。近年來，世界各國的低軌巨型衛星星座發展迅速，其中以SpaceX公司的Starlink衛星系統為典型代表。Starlink部署完成后，不僅能作為民用電信基礎設施為邊遠地區等提供高速率通信服務，還可為未來美軍及其盟友實施聯合作戰提供支持，使整個戰場對其具有單向透明性，增強美軍及其盟友的通信能力，并可能通過增加專用載荷以提高其偵察和監視體系優勢。因此，研究Starlink衛星系統的性能具有重要的戰略意義。

1 基本情況

2015年，SpaceX首席執行官埃隆·馬斯克提出了Starlink低軌互聯網星座項目，該項目分兩代4個階段完成[1-3]。其中，第1代系統由11 926顆衛星構成，最初計劃在2019—2027年分3個階段完成建設，由低地球軌道（Low Earth Orbit，LEO）星座4 408顆衛星和極低地球軌道（Very low Earth Orbit，VLEO）星座7 518顆衛星這2個子星座，以及相關的地面設施、地面站和用戶終端組成；第2代系統包括3萬顆衛星。整體建成后，部署的衛星總數增加至41 926顆，分布在320 km、550 km和1 200 km左右的軌道高度上。截至2022年9月18日，SpaceX公司已累計發射62批共計3 259顆Starlink衛星，在軌運行2 987顆（不含2022年9月11日發射的34顆Starlink衛星），良好率92.6%。下面分別從空間段與地面段、頻率規劃和通信機制這3個方面進行介紹。

1.1 空間段與地面段

Starlink衛星星體為矩形盒式，配備單板結構太陽能電池陣列、霍爾推力器，安裝有星敏感器、高通量相控陣列天線和自主避撞系統。目前，Starlink主要在軌衛星為V1.0版本，V1.5版本陸續到達部署軌道，V2.0版本正在設計中。V2.0版本衛星重量將達1 250 kg，長度近7 m，數據吞吐量提升至先前的5～10倍。圖1為衛星結構，Starlink衛星的部分參數如表1所示。

圖1 Starlink衛星結構

表1 Starlink衛星參數

Starlink衛星系統的地面部分包括用戶終端和地面站。用戶終端主要由主機和天線兩部分組成，如圖2所示。其碟形衛星天線的尺寸與比薩餅盒相當，可安裝在移動的或固定的載體上。該天線利用相控陣天線技術，可以形成可追蹤的、高定向的、可操控的波束，用以瞄準衛星。地面站主要由收發信機和控制器組成，負責無線連接移動用戶與互聯網。地面站采用了高增益跟蹤波束，可與星座內的多顆衛星通信，作用相當于地面蜂窩移動通信中的基站。圖3展示了美國范圍內已建立的地面站的分布情況。

圖2 Starlink終端

圖3 美國范圍內地面站分布情況

1.2 頻率規劃

第1代Starlink衛星和第2代Starlink衛星的頻率規劃有所不同，具體如表2和表3所示。概括來講，與其他衛星通信系統類似，在用戶等大部分鏈路方向，Starlink仍然采用傳統的Ku頻段，能夠以較小終端天線口徑保證良好的接收性能，還具有安裝容易、成本低等特點。由于雨衰更大，第1代Starlink衛星系統僅將Ka頻段用于固定的、能力更強的網關和下行遙測跟蹤與控制（TT&C）鏈路中；但隨著用戶容量需求的增加，第2代Starlink衛星系統開始規劃將Ka頻段用于用戶上下行鏈路。此外，由于衛星通信頻段協調難度日益加大，以及對通信能力和帶寬的要求越來越高，Starlink衛星系統規劃增加使用36～56 GHz的V頻段和71～86 GHz的E頻段，這兩種頻段的地面和太空應用尚未廣泛推廣，能保證和其他系統之間較好的電磁兼容性。另外需要說明的是，第2代Starlink衛星還將開始使用激光星間鏈路。

表2 第1代Starlink衛星系統工作頻段總表

表3 第2代Starlink衛星系統頻率規劃

1.3 通信機制

1.3.1 信息傳輸流程

圖4給出了Starlink衛星系統的信息傳輸流程。如圖4所示，用戶通過有線或Wi-Fi形式與Starlink用戶終端互聯；用戶終端按要求完成相控陣天線的仰角設置后，自動改變波束追蹤衛星位置；星上相控陣天線也允許系統自動引導波束，以優化特定位置的服務；衛星在接收并處理用戶終端上傳的訪問請求后，將指令直接發送到就近的地面站，也可通過星間鏈路發送給遠端的地面站；地面站正確接收后，將請求發送給數據處理中心，進而發送給互聯網或云端。

圖4 Starlink通信鏈路

1.3.2 網絡傳輸協議

腦卒中是中老年人的常見病、多發病,大部分患者會遺留不同程度的功能障礙, 偏癱上肢活動障礙對患者生活質量影響很大[1]。上肢在皮層中占的比例大，受損后腦功能重組難度大，偏癱上肢常呈屈曲痙攣模式、手抓握狀畸形、肩手綜合癥等是康復難題，臨床上常予以肩部懸吊、肌內效貼、磁熱療法、針灸、神經肌肉電刺激等進行對癥處理，但效果欠佳。因此，進一步探索新的康復治療方法，更好地改善偏癱患者上肢功能，具有十分重要的意義。本研究對腦卒中偏癱上肢運用新Bobath技術治療腦卒中偏癱患者，療效較好，報道如下。

考慮到低軌道衛星過頂速度快、連接時間短、鏈路切換頻繁，Starlink衛星系統沒有應用IPv4和IPv6技術，而是采用了一種報頭簡潔的、新型的、輕量級連接協議，并支持P2P網絡傳輸。

1.3.3 數據加密協議

Starlink衛星系統采用端對端的硬件加密技術，屬于硬件級別的終端對終端加密傳輸設計，可以更好確保黑客或其他惡意行為無法隨意攔截或者解密數據包。

2 傳輸鏈路性能分析

在分析傳輸鏈路性能之前，首先計算能夠反映終端性能的關鍵參數——品質因數G/T。G/T的分貝形式為[G/T]，其計算公式為：

式中：T為系統噪聲溫度，一般取值290 K；G為終端天線增益，單位為dB。G的計算公式為：

式中：η為天線效率；A為用戶終端天線有效面積；D為天線直徑；λ為工作波長，與工作頻率f的乘積為光速c。

根據SpaceX發布的數據，取D=0.48 m，f=12.7 GHz，典型天線效率一般為55%～70%，但Starlink終端采用相控陣，其效率可達到73%。通過計算，可得G=35.89 dB，G/T=11.27 dB/K。鑒于[G/T]值越大，性能越好，從計算結果可知，相比其他同類系統的終端，Starlink終端的品質因數較好。

下面繼續計算空間損耗。以下行鏈路為例，LD為下行鏈路總損耗，包括下行自由空間損耗LDF和其他各項損耗的總和L∑di（∑di表示云霧、降雨、饋線等），即LD=LDF+L∑di。自由空間損耗與頻率、距離有關，其分貝表示形式為：

式中：頻率f取值為12.7 GHz；星地距離d的單位為km。

d的計算式為：

式中：α為天線仰角，當仰角值取25°，地球半徑RE取6 378 km時，可得星地距離為1 123.4 km。進一步計算可得LDF=175.5 dB。

考慮下行云霧損耗、雨衰損耗及饋線損耗等值總計為1.5 dB（較理想情況），則LD=177.0 dB。

在此基礎上，可計算接收端的載噪比C/N，其計算式為：

式中：[EIRP]為星上全向有效輻射功率，取值為37 dBW；地面接收機的[G/T]為11.27 dB/K；玻爾茲曼常數k取值1.38×10-23J/K；B為下行帶寬，取值為1 000 MHz。計算得到，終端接收載噪比為9.87 dB。

下面利用衛星仿真工具包（Satellite Tool Kit，STK）進行仿真驗證。設置星上發射機和地面接收機頻率為12.7 GHz，星上[EIRP]為37 dBW，地面接收天線增益為35.89 dB，下行帶寬為1 000 MHz，系統噪聲為290 K，加入雨衰模型。在鏈路建立時間得到的結果如圖5所示。

圖5 鏈路預算（部分時間）

將圖5中的載噪比C/N與誤碼率BER進行關聯分析，得到全局的載噪比與誤碼率關系，如圖6所示。放大局部圖像，可得到誤碼率隨載噪比的增大而減小的關系，如圖7所示。

由圖6可知，接收的C/N值均保持在7.1 dB以上（由于軟件雨衰模型值波動，與計算值9.87 dB有一定偏差）。此外，如圖7所示，最大誤碼率達到了2.6×10-6左右，但仍屬于可正常通信的范圍。

圖6 載噪比與誤碼率關系（全局）

圖7 載噪比與誤碼率關系（局部）

3 鏈路切換性能分析

作為LEO與VLEO組成的雙層星座，Starlink衛星的高速運行會導致星地鏈路快速變化、端星頻繁切換，因此為了分析Starlink的通信服務能力，有必要對Starlink端星切換性能進行分析。對于單一用戶的切換問題，一般主要考慮兩種典型的切換因素，即仰角限制策略（也稱最小通信距離或最大仰角策略）[4]和單星保持策略（也稱最大服務時間策略）[5-6]。仰角限制策略是指終端總是與處于一定仰角（40°）之上的過頂衛星連接，以確保信號質量和較高的傳輸速率，但是切換頻率過高；單星保持策略是指在鏈路達到不能使用狀態并進行切換前，終端從頭至尾與一顆衛星保持連接，這是因為接入時間長可以使切換頻率處于較低水平，但是信號的品質和傳輸速率難以得到保障?？紤]到仰角限制策略能夠保證較高的傳輸速率，以下內容分別針對初始建網階段（400顆衛星星座場景）和當前部署階段（2 987顆衛星星座場景）的策略性能進行分析。

3.1 初始建網階段

如圖8、圖9、圖10所示，在最初400顆Starlink衛星在軌服務場景下，由于衛星數量較少，切換時終端天線空間指向變化幅度大，端星切換成功需要5 min時間，而接入服務的中斷率高達31%。

圖8 最佳仰角策略鏈路切換

圖9 鏈路存在時間

圖10 單鏈路存在圖示

3.2 當前部署階段

如圖11、圖12、圖13所示，在當前2 987顆Starlink衛星在軌服務場景下，已實現不間斷的無縫連接。由于空間段衛星數量的增加，平均1 min左右就會出現一次切換，衛星切換最快1 s左右即可完成。

圖11 最佳仰角策略鏈路切換

圖12 鏈路存在時間

圖13 單鏈路存在圖示

4 用戶速率波動分析

根據全球各地用戶的使用狀況報道，Starlink用戶下載速率并不穩定，存在間隔數十分鐘的速率大幅下降情況，并具有一定的規律性。造成速率波動的原因很多，如切換問題。但從用戶終端的角度看，Starlink衛星從地平線上出現、過頂、消失于另一側地平線，總時間不足10 min，而滿足連接條件并真正能提供服務的時間約為5～6 min。若是衛星切換導致的速率下降，其間隔應是5～6 min，還會伴隨著丟包等情況，與實際情況并不相符。排除衛星切換，Starlink衛星系統的速率波動可能是以下原因造成的：

（1）覆蓋得不均勻。當前Starlink衛星的分布并不均衡，既體現在單個軌道面上幾十顆衛星分布的不均勻性，又體現在多個軌道面對地面覆蓋的不均勻性。圖14給出了歐洲與北美地區衛星的覆蓋情況。如圖14所示，北半球中緯度地區的Starlink衛星密集，而北半球高低維度及南半球的Starlink衛星數量相對稀少。需要指出的是，即使在美國本土，Starlink衛星的覆蓋程度也不相同，美國中部和南部地區有一些區域的衛星數量相對稀少。

圖14 歐洲與北美地區地面站情況

（2）用戶到地面站距離過遠。Starlink衛星系統的策略是盡可能將用戶與其最近的地面站互聯，以減少衛星中繼的數量。因此，要想達到高速、低延時，就必須在方圓數百千米范圍內建立一個地面站，否則必須通過多顆衛星中繼轉發，這會增大數據傳輸延遲，也增大了用戶對Starlink星座的資源占用率。

（3）同時在線用戶數量的波動。Starlink衛星和地面站的容量都是由系統服務的所有用戶共享的，如果在同一時間接入的用戶數量增多，突增的流量可能引起網絡節點擁塞與服務速率下降。如果有較遠的用戶來占用同一個地面站的帶寬，對Starlink衛星系統資源調度能力也是一種考驗。

圖15 地面站覆蓋范圍

5 啟示建議

通過對Starlink的星地鏈路等性能進行分析可知，隨著在軌衛星數量的逐漸增多，Starlink的傳輸能力、覆蓋能力以及星座彈性都將進一步提高，其發射成本低、網絡帶寬大、覆蓋范圍廣、商業價值大和軍事用途廣等優點將得到進一步凸顯，但也暴露了一些問題，這些都為我國后續發展自己的衛星互聯網計劃提供了啟示。

（1）輕量化傳輸協議是未來低軌互聯網協議的重要選項。傳統衛星網絡使用傳輸控制協議/網間協議（Transmission Control Protocol/ Internet Protocol，TCP/IP）協議，由于衛星鏈路誤碼率高，會造成數據傳輸“假擁塞”現象，促使TCP協議啟動擁塞控制、流量控制等操作，嚴重影響傳輸性能。由于低軌互聯網端星切換頻繁、傳輸速率要求高，使用輕量化傳輸協議成為重要方向。2022年8月25日，我國率先完成了全球首次星地鏈路QUIC協議實時傳輸實驗，測試和數據分析表明，與傳統技術相比，星地應用平均響應時間縮短2倍，星地鏈路傳輸效率提升30%，為星載高實時、高負載業務部署提供了重要支撐。

（2）去中心化網絡是未來低軌互聯網的基本樣式。傳統衛星網絡依賴地面信關站進行數據轉發、回傳、調度等功能，當并發數據量過大后，會導致更大的時延和更低的數據速率。如果使用去中心化的連接網絡，用戶與衛星可具備服務器或者客戶端的功能，并且由于基于先進的協議，也能夠保證準確地確定用戶的地理坐標，從而進行更合理的數據鏈路分配，實現數據的自流通，進而達到最佳的訪問延遲與傳輸速率。

（3）混合切換策略是低軌互聯網的必然選擇。根據前文分析可以推斷，若使用單一的仰角限制策略，當Starlink衛星系統部署量達到4.2萬顆衛星時，端星切換的頻率將變為毫秒級。顯然，這種切換方式對終端的快速跟蹤調整能力提出了較高的要求。而且，當切換過于頻繁時，信令開銷將大幅度增加，反而會嚴重降低傳輸速率。因此，探索新的混合切換策略具有重要意義。近年來，一些學者提出了基于用戶分群的切換策略[7]、基于用戶聚類的切換策略[8]、基于用戶群組的切換策略[9]、基于長期演進標準（Long Term Evolution，LTE）的切換策略[10]等，從用戶位置、用戶業務需求、衛星負載限制、切換成功率等方面得到了一些結論，但仍是需要重點研究的問題。

（4）系統資源分配仍是低軌互聯網面臨的難題。隨著衛星數目的增長，低軌星座的覆蓋不均衡問題會得到緩解。但是，由于低軌衛星網絡的高速高動態特性以及使用人數的不斷增長，與地面移動通信網絡類似，低軌互聯網星座也面臨無線資源分配難題。但是，低軌衛星星座又有其規律性和可預測性，用戶請求也具有可統計性。為此，可提出面向用戶速率和時延等服務質量（Quality of Service，QoS）需求，聯合非正交多址接入、多波束協同收發等技術的資源分配策略。此外，隨著技術發展，衛星絕不僅是信息的中轉站，其“基站化”或“服務器化”趨勢明顯，如何在通信框架下實現計算與頻譜資源的聯合優化，也是亟待解決的問題。

6 結語

低軌衛星網絡發展方興未艾，本文對Starlink衛星系統的基本情況進行了總結和梳理，對Starlink的星地鏈路傳輸、鏈路切換和用戶速率等性能進行了理論和仿真分析。最后，從提升我國衛星互聯網的傳輸能力、覆蓋能力以及星座彈性的角度，對傳輸協議、網絡架構、切換策略和資源分配等方面的技術進行了探討。