SpaceX展现的Starlink发展

+Carlos Placido（美，NSR）/文

沈永言/译

图1 SpaceX Starlink基本架构

Starlink（星链）星座目前由650多颗通信卫星组成（编者注：数据截止2020年9月底），它们运行在高约550公里的轨道上。从卫星数量来看，这种部署已经使SpaceX成为全球最大的FSS（固定卫星业务）频段卫星运营商，这个频段适合高通量连接。

随着Starlink和OneWeb越来越多的卫星的制造和部署，以及包括 Amazon Kuiper和Telesat LEO在内的其他卫星运营商的加入，新兴的非GEO系统加入了O3b“以低延迟连接世界”的竞争，这已成为一个不可逆转且不断扩大的现实。然而，当卫星运营商定期重新评估他们的游戏计划，并向美国FCC（联邦通信委员会）和其他监管机构提交修改请求时，在日益变化的业务中跟上非GEO的发展可能会成为一项艰巨的任务。因此，在具有移动部分的多个LEO和MEO星座计划的背景下，使用灵活的方法来快速可视化星座部署进度，并评估计划修改的未来影响就变得至关重要。

NSR的非GEO星座分析工具包允许用户输入新的数据，并量化未来可能的影响。让我们以SpaceX最近向FCC提交的关于Starlink的更新信函和陈述中公开的信息为例。通过从SpaceX的演示中提取信息，NSR工具包可以帮助用户理解数据并回答关键问题，如：

●在部分部署的情况下，某一特定的位置可以看到多少颗Starlink卫星?

●为什么目前只能在美国北部和加拿大进行Beta测试?

●一旦第一阶段1584颗星完全部署，可以看到多少颗卫星?

●如果FCC批准了SpaceX提出的修改方案，波束切换率等关键架构指标将会发生怎样的变化?

Starlink 第一阶段：部分与全面部署

目前，Starlink系统有650多颗卫星在550公里的高度运行，倾角为53度。由于第一阶段尚未完成部署，所以只能在非常特定的纬度范围内提供持续的互联网服务，已知的纬度范围是44～52度。

图2显示了Starlink公司星座第一阶段部分和全部部署（2021年）的场景。该图像是使用NSR工具包中包含的两个工具进行以下分析的结果。

图2 SpaceX Starlink初期覆盖

假设528颗卫星（第一阶段的三分之一）均匀分布在24个轨道平面上，我们就可以推断出为什么互联网服务只能在北纬44～52度之间使用。原因似乎是：

1、目前在纬度44～52度（南北向）之间，用户天线可随时以25度或更高的仰角看到5～7颗卫星。因此，在这些能见度最大的区域，SpaceX更容易为中等到大型的试验用户群提供持续服务。

2、确定在美国和加拿大区域之外服务不可用，甚至同一纬度范围内的国家（北或南）也不可用，这仅仅因为SpaceX只部署了部分信关站，也可能与没有在其他国家获得落地权有关。

图3 不同仰角下可见的SpaceX Starlink卫星情况

Starlink信关站和用户终端只与那些地平线上最低仰角（SpaceX最初定义为25度）以上的可见Starlink卫星通信。随着网络的继续部署，更多卫星变得可见，所以最低仰角可以增加到40度，如同最初计划的完全部署场景。然而，在图表中可以注意到，Starlink仍然可能受益于被允许在赤道地区较低的角度增加可见卫星的数量，并避免Ku频段GEO卫星和OneWeb的干扰，后者也在用户波束使用Ku频段。

让我们以华盛顿州的Kalama为例，看看在一个特定的位置可以看到多少颗卫星。据报道，SpaceX在那里安装了一个Ka频段的美国信关站，这是最初向FCC提交申请的信关站。据说SpaceX公司在这个信关站安装了8副天线。NSR工具包计算出在这个位置最多可见7颗卫星，因此第8副天线可能需要作为备用或用于在轨道间切换波束，而其他7副天线仍然与可见卫星相连。该工具包还为可配置地点提供了“查看角度”和仰角分布，因为这种分布会影响链路延迟和IP吞吐量。

用户速度测试和延迟

SpaceX公司提到，用户终端可以达到100 Mbps以上，链路延迟低于20ms。虽然在没有额外信息的情况下很难评估速度测试结果，但是演示中共享的PING延迟样本是值得分析的有趣数据点。

SpaceX提到了低延迟能力，但值得注意的是低于20ms的PING意味着演示中显示的结果是在接近垂直的天线仰角下记录的，因为在550公里的高度，Starlink的往返传播延迟至少为16ms（在卫星下点，天线仰角为90度）。目前最小的天线“扫描角度”为25度，PING结果应该总是大于30ms，这是发生在通过从信关站点到最终服务器或目的地主机的开放互联网而增加地面延迟之前。因此，SpaceX似乎已经为这次演示精心挑选了最好的用户测试结果。实际上，用户泄露的Beta测试报告显示，在速度和延迟方面存在巨大差异，这在早期阶段似乎相当合理，因为随着网络部署的推进和用户终端系统的一系列改进或更新，SpaceX肯定会做出调整。

图4 SpaceX Starlink最大和最小单向延迟

图5 SpaceX Starlink的轨道倾角和高度

架构的修改

在介绍中，SpaceX指的是MVDDS（多通道视频与数据分发）。这超出了本文的讨论范围，但从本质上讲，SpaceX对MVDDS 5G联盟提出的允许使用12.2～12.7 GHz频段的双向移动宽带服务的请求提出了挑战。

SpaceX在信中还敦促FCC“对SpaceX提出的修改建议迅速采取行动”，如表1所示。

拟议的修改对链路延迟、波束切换、卫星可视性和包括链路IP吞吐量在内的其他重要方面都有影响。

结语

表1 Starlink不同阶段计划：FCC准许和计划修正

图6 最大卫星通过时间

对于一个已经依赖GEO卫星通信50多年的行业来说，Starlink部署和服务测试上的进步可以被认为是一个拐点。数年前，O3b开创了MEO卫星通信，目前仍是唯一的非GEO高通量运营系统，但SpaceX加速发展走向全面部署，标志着一个新时代的开始，成千上万HTS资产的大规模制造和发射，驱动卫星通信走向主流使用和适用性。SATNET