河套IT TALK93：（原創(chuàng)）比光傳輸還快，星鏈逆天了嗎？

我們已經(jīng)聊過(guò)兩篇星鏈的文章了，分別談了SpaceX的星鏈計(jì)劃如何降低部署成本，以及如何面對(duì)太空垃圾問(wèn)題的糾結(jié)，今天智愿君聊聊星鏈的本職工作——衛(wèi)星通信。

星鏈和之前的銥星一樣，采取了近地軌道（LEO）運(yùn)行，而且比銥星所在的軌道更低。LEO是一個(gè)很大的范圍，作為環(huán)繞地球飛行的軌道，只要高度不超過(guò)地球半徑的三分之一，都屬于近地軌道范圍，也就是海拔2000公里以下的空間區(qū)域。與之對(duì)應(yīng)的還有MEO（中地球軌道）和GEO（地球靜止軌道）。如果要實(shí)現(xiàn)全地球覆蓋，GEO只需要3顆衛(wèi)星，MEO需要6顆，而LEO則可能從幾十顆到數(shù)千顆才能做到全球覆蓋。

之所以通信衛(wèi)星都喜歡擠在LEO，主要的原因還是因?yàn)楦邘捄偷蜁r(shí)延的誘惑。首先將衛(wèi)星發(fā)射到LEO所需要的能耗比較少。而且這種高度下，衛(wèi)星傳輸?shù)?a target="_blank">信號(hào)在到達(dá)地球表面時(shí)會(huì)更強(qiáng)，這可以為地面用戶提供更好的接收效果和更快的數(shù)據(jù)傳輸速率。但如果要提到延遲，為什么不距離地面更近一些呢？比如迄今為止，在近地軌道上跑過(guò)的最低的衛(wèi)星是日本發(fā)射的一顆超低高度試驗(yàn)衛(wèi)星（SLATS），曾經(jīng)在7個(gè)高度上運(yùn)行，在167.4公里的高度上運(yùn)行了7天。它通過(guò)離子發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)抵消地球大氣層的空氣阻力，因?yàn)檫@種低于200公里的超低地球軌道（VLEO）中運(yùn)行，阻力是非常大的。對(duì)于通信衛(wèi)星而言，完全沒(méi)有必要這么低，而需要在衛(wèi)星高度、延遲、覆蓋范圍方面，做一個(gè)更為合理的均衡。

星鏈選擇了550公里的高度部署衛(wèi)星。這個(gè)高度對(duì)于通信衛(wèi)星而言，還是非常低的。相對(duì)而言，這種高度的衛(wèi)星在時(shí)延信號(hào)方面相對(duì)理想，在信號(hào)強(qiáng)度的把控上也會(huì)比較好，而且部署難度相對(duì)簡(jiǎn)單。這種高度的衛(wèi)星，大約可以達(dá)到100萬(wàn)平方公里，也就是半徑大約為580公里。但是需要部署較多的星鏈衛(wèi)星才能實(shí)現(xiàn)全球的無(wú)縫覆蓋。

我們都知道地面通信是采用無(wú)線電電波進(jìn)行通信。因?yàn)榈孛娴匦螐?fù)雜，而且也有各種人造建筑物，需要重點(diǎn)考慮信號(hào)的穿透性和繞行能力。無(wú)線電波在大氣中的傳播具有相對(duì)穩(wěn)定的特性，能夠穿過(guò)大氣層并繞過(guò)障礙物，使得地面通信具有較長(zhǎng)的傳輸距離和較好的覆蓋能力。

星鏈衛(wèi)星在設(shè)計(jì)之初，也是采用的無(wú)線電通訊方式。具體來(lái)說(shuō)，星鏈衛(wèi)星使用的頻率和波段是Ka波段，也稱(chēng)為千兆赫茲頻段。Ka波段的頻率范圍通常是26.5 GHz到40 GHz。通過(guò)使用Ka波段頻率，星鏈衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和廣覆蓋的通信。這一頻段在通信領(lǐng)域具有較高的帶寬，可以支持大量的數(shù)據(jù)傳輸，適用于星鏈衛(wèi)星提供的高速互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。同時(shí)，Ka波段的傳播特性在大氣中的衰減相對(duì)較小，使得信號(hào)可以在地球上的接收器和星鏈衛(wèi)星之間進(jìn)行可靠的通信連接。如果要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的通訊，就必須回程到地面網(wǎng)關(guān)或橋接節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)衛(wèi)星接收到來(lái)自用戶終端的數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到地面網(wǎng)關(guān)站，然后由網(wǎng)關(guān)站再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥繕?biāo)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)星間的通信。同樣地，當(dāng)目標(biāo)衛(wèi)星要向用戶終端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面網(wǎng)關(guān)站，再由網(wǎng)關(guān)站轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)用戶終端。利用地面網(wǎng)關(guān)站作為中繼點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)星間通信，以提供更廣范圍的覆蓋和更高的可靠性。

但是，這種通訊存在問(wèn)題，首先星間通訊延遲增大，用戶體驗(yàn)不好，所有的衛(wèi)星間通訊都要經(jīng)過(guò)地面站進(jìn)行橋接，會(huì)增加很多不必要的回路。而且，還需要在全球構(gòu)建大量的地面站。不同國(guó)家的政策不同，如果全球各地都要建設(shè)地面站，而且隨著衛(wèi)星數(shù)量的攀升，地面站還要存在擴(kuò)容升級(jí)，也是一個(gè)龐大的工程量，同時(shí)也有巨大的溝通和建設(shè)難度。如果要減少星間通訊延遲，提升網(wǎng)絡(luò)靈活性和可擴(kuò)展性，擺脫對(duì)地面站的依賴(lài)，SpaceX需要有新的解決方案。

從星鏈V1.1 版本開(kāi)始就支持了激光衛(wèi)星間鏈路 (Laser Inter-Satellite Links, 簡(jiǎn)寫(xiě)LISL) 。激光衛(wèi)星間鏈路（LISL）不是星鏈的創(chuàng)新，這個(gè)技術(shù)最早可以追溯到1990年代。當(dāng)時(shí) NASA 的地球觀測(cè)系統(tǒng) (EOS) 就使用了LISL。EOS 計(jì)劃中涉及的特定衛(wèi)星，如 Terra、Aqua 和 Aura 衛(wèi)星，利用基于激光的通信鏈路在彼此之間傳輸科學(xué)數(shù)據(jù)、圖像和其他信息。這有助于改善衛(wèi)星觀測(cè)的協(xié)調(diào)和同步，提高任務(wù)的整體有效性。從那時(shí)起，LISL就開(kāi)始在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中使用開(kāi)來(lái)。但是像星鏈計(jì)劃這樣，要在數(shù)千數(shù)萬(wàn)顆衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)LISL，確實(shí)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

每顆星鏈衛(wèi)星都配備了五個(gè)激光發(fā)射器和五個(gè)激光接收器。這些激光終端使用先進(jìn)的激光二極管或固態(tài)激光器，能夠產(chǎn)生相干且聚焦的光束，利用激光相位脈沖技術(shù)在衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)雙向通信。所采用的具體方法稱(chēng)為“相移鍵控”(PSK) 調(diào)制。在 PSK 調(diào)制中，信息被編碼在激光束的相位中。通過(guò)改變激光脈沖的相位，可以表示 0 和 1 的不同模式。這允許在衛(wèi)星之間傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。五個(gè)激光發(fā)射器和五個(gè)激光接收器意味著每顆 Starlink 衛(wèi)星都可以與相鄰五顆衛(wèi)星建立同步激光連接，從而促進(jìn)衛(wèi)星間的高效數(shù)據(jù)傳輸。

不過(guò)，在太空中，兩個(gè)高速移動(dòng)的衛(wèi)星，相互要快速對(duì)準(zhǔn)對(duì)方，還能持續(xù)進(jìn)行通信并非易事。這個(gè)技術(shù)就是PAT（指向、捕獲和跟蹤，英文：Pointing, Acquisition, and Tracking）。PAT 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從建立到后續(xù)持續(xù)保持通信衛(wèi)星之間的對(duì)準(zhǔn)。PAT使用星跟蹤器和精細(xì)制導(dǎo)相機(jī)等傳感器來(lái)準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星的位置和運(yùn)動(dòng)。這使得激光束的精確指向成為可能。為了讓激光束在很遠(yuǎn)的距離仍能保證聚焦，星鏈衛(wèi)星采用了光束發(fā)散控制技術(shù)。

同時(shí)，這么多衛(wèi)星傳遞消息，一定不能出錯(cuò)，因此為確?？煽康耐ㄐ牛捎们跋蚣m錯(cuò) (FEC) 編碼方案用于檢測(cè)和糾正接收數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤。此外，還采用同步協(xié)議來(lái)保持發(fā)射衛(wèi)星和接收衛(wèi)星之間的時(shí)間一致性。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，星鏈衛(wèi)星利用稱(chēng)為“星座時(shí)鐘”的機(jī)載時(shí)鐘同步機(jī)制。作為一個(gè)分布式時(shí)鐘同步系統(tǒng)，“星座時(shí)鐘”協(xié)調(diào)星所有星鏈衛(wèi)星的時(shí)間，確保每顆衛(wèi)星都以高度準(zhǔn)確和同步的時(shí)鐘參考運(yùn)行。相鄰衛(wèi)星之間定期交換定時(shí)信號(hào)和測(cè)量值，不斷調(diào)整它們的時(shí)鐘以保持同步。

由于星鏈衛(wèi)星不是地球同步衛(wèi)星，因此地面接收器不可能持續(xù)穩(wěn)定地和一個(gè)衛(wèi)星保持連接，會(huì)經(jīng)常性地發(fā)生通訊衛(wèi)星的切換。由于衛(wèi)星高速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫通信切換會(huì)更具挑戰(zhàn)性。這具體稱(chēng)為：“衛(wèi)星切換”（satellite handover）或“波束切換”（beam handover）。星鏈系統(tǒng)的地面接收站會(huì)跟蹤一系列的用戶終端可用范圍內(nèi)的一系列相鄰衛(wèi)星狀況，特別是一直在監(jiān)測(cè)用戶終端與當(dāng)前衛(wèi)星連接的信號(hào)強(qiáng)度和質(zhì)量QoS。如果信號(hào)下降到某個(gè)閾值以下或變得不穩(wěn)定，則可能會(huì)觸發(fā)切換過(guò)程以切換到更強(qiáng)或更可靠的衛(wèi)星。由于衛(wèi)星都在持續(xù)運(yùn)動(dòng)中，所以系統(tǒng)利用軌跡預(yù)測(cè)算法來(lái)估計(jì)用戶終端和衛(wèi)星的移動(dòng)，例如帶寬、延遲和可靠性。通過(guò)分析軌跡，它可以確定當(dāng)前衛(wèi)星何時(shí)移出范圍或相鄰衛(wèi)星何時(shí)進(jìn)入范圍，確保平穩(wěn)過(guò)渡。與此同時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)考慮了每顆衛(wèi)星的容量和負(fù)載。如果衛(wèi)星負(fù)載過(guò)重或接近其容量，它可能會(huì)優(yōu)先切換到利用率較低的衛(wèi)星，以平衡網(wǎng)絡(luò)流量并優(yōu)化整體性能，盡量做到整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的負(fù)載均衡。同時(shí)在在切換過(guò)程中系統(tǒng)還需要維持或提高 QoS，確保無(wú)縫過(guò)渡，而不會(huì)出現(xiàn)明顯的服務(wù)降級(jí)。

光在太空中的傳播速度大約為299,792公里/秒。但是在光纖中的傳播速度是200,000公里/秒～230,000公里/秒，也就是降了大約1/3。信號(hào)在太空中衛(wèi)星間可以通過(guò)LISL實(shí)現(xiàn)直線傳播，但是在地面上傳播，必須要遵循地球表面的曲率進(jìn)行部署，而且光纖很難完全聯(lián)系，還需要很多中繼和轉(zhuǎn)換器來(lái)橋接。所以光在光纖中的速度要比直接發(fā)射激光的速度要慢，當(dāng)通信距離很長(zhǎng)的時(shí)候，這個(gè)優(yōu)勢(shì)就比較突出了。

有人做了一個(gè)簡(jiǎn)單的理論測(cè)算：假設(shè)一個(gè)在倫敦的人，他想知道納斯達(dá)克的實(shí)時(shí)信息。使用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)線路，來(lái)回大約12800公里，雖然光在玻璃當(dāng)中的速度跟折射率等都有關(guān)系，但我們就簡(jiǎn)單按照比真空中慢1.47倍來(lái)估算。那么數(shù)據(jù)包來(lái)回需要63毫秒。也就是有63毫秒的延遲。再加上其他因素，比如光電轉(zhuǎn)換等等，總時(shí)間大約是76毫秒。那Starlink的延遲是多少呢？現(xiàn)在沒(méi)有辦法實(shí)測(cè)，所以倫敦大學(xué)的馬克漢德里教授就給出了一個(gè)估算方法，Starlink面臨的第一個(gè)延遲，就是來(lái)自從地面到衛(wèi)星之間的往返。通信它是用相控陣天線來(lái)完成的，這種天線可以在不需要移動(dòng)的情況下，控制傳輸方向，每顆衛(wèi)星在550公里的軌道上可以覆蓋500公里的范圍，這段時(shí)間的延遲大約在3.6毫秒。而數(shù)據(jù)到達(dá)衛(wèi)星之后，它就開(kāi)始使用激光通信。根據(jù)這些信息估算出來(lái)的延遲是43毫秒。那聽(tīng)起來(lái)，光纖傳輸和衛(wèi)星傳輸相比，就差二三十毫秒，值得搞出這么大動(dòng)靜嗎？在美國(guó)和英國(guó)兩個(gè)金融市場(chǎng)的數(shù)據(jù)中心之間，如果使用公有線路，時(shí)間的延遲是65毫秒，而提供更低延遲的線路，通信公司專(zhuān)門(mén)拉了一條私有光纜，把延遲降低到了59.95毫秒。私有光纖的部署成本是三億美金。用三億美元的成本提高了5毫秒的速度。那么可想而知，大家愿意為二三十毫秒提升花了多少錢(qián)了。

星鏈互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)從2020年11月首次發(fā)布公測(cè)版?，F(xiàn)在星鏈的業(yè)務(wù)覆蓋范圍主要為北美、南美、歐洲、大洋洲、日本、馬來(lái)西亞和非洲的一些國(guó)家提供衛(wèi)星通信服務(wù)。在很多已經(jīng)部署星鏈的國(guó)家的業(yè)務(wù)凈推薦值（NPS）調(diào)研中，星鏈都能保持在較高的分?jǐn)?shù)?，F(xiàn)在星鏈在加拿大的服務(wù)使其成為北美最快的衛(wèi)星供應(yīng)商。下載速度為93.97Mb/s，比美國(guó)66.59Mb/s的下載速度快40%。墨西哥上個(gè)季度的平均下載速度為 56.42Mb/s?？赡芪覀兞?xí)慣了5G通信，對(duì)這種性能表現(xiàn)不以為然，但我舉一個(gè)例子：墨西哥的固定寬帶下載速度40.07Mbps比星鏈慢得多。

星鏈一直在不停地網(wǎng)絡(luò)調(diào)優(yōu)和發(fā)射更多衛(wèi)星，旨在提供更好的下載速度。根據(jù)第三方測(cè)試Speedtest Intelligence，在美國(guó)星鏈的下載速度從2021年第一季度的65.72Mbps到2022年第一季度的90.55Mbps，提升了38%。在加拿大，星鏈的下載速度同期從61.84Mbps躍升了近58%至97.40Mbps。

星鏈還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，和傳統(tǒng)的地面通信網(wǎng)絡(luò)不同，地面通信網(wǎng)絡(luò)由于在城市部署的基站數(shù)量密集，所以整體的性能表現(xiàn)要好于郊區(qū)，但是星鏈不同，在人跡罕至的地方，恰恰是星鏈性能表現(xiàn)更為突出的地方。

星鏈衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸速度會(huì)因在軌衛(wèi)星數(shù)量、覆蓋范圍、網(wǎng)絡(luò)擁塞和技術(shù)進(jìn)步等多種因素而有所不同。星鏈的目標(biāo)是為其用戶提供高達(dá) 1 Gbps 的下載速度和高達(dá) 50 Mbps 的上傳速度。為了達(dá)到這一目標(biāo)，星鏈就需要部署足夠數(shù)量的衛(wèi)星，以確保全面覆蓋并增加網(wǎng)絡(luò)容量，以最大限度地減少網(wǎng)絡(luò)擁塞。這也是為什么星鏈一直發(fā)射衛(wèi)星，并計(jì)劃把衛(wèi)星的數(shù)量擴(kuò)展到42000顆的原因。目前每顆衛(wèi)星的容量為80Gbps，如果按照42000顆V2衛(wèi)星來(lái)推算的話，總的瞬間帶寬可以做到每秒3360Tbps，如果所有用戶都是平均分布在地球表面，實(shí)現(xiàn)100Mbps的下載速度，用戶容量可以做到3360萬(wàn)，而如果平均達(dá)到1Gbps，用戶容量是336萬(wàn)。當(dāng)然這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的估算，星鏈實(shí)際網(wǎng)絡(luò)性能和容量可能因多種因素而異，包括技術(shù)進(jìn)步、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、特定區(qū)域的用戶密度以及其他運(yùn)營(yíng)考慮因素。

星鏈并不是類(lèi)似GPS一樣的可以集成在手機(jī)里面的通信模塊，想要使用星鏈業(yè)務(wù)，你必須要準(zhǔn)備一堆的配，包括：1. 星鏈衛(wèi)星天線：相對(duì)較大的盤(pán)形或者方形天線，通常被安裝在房屋、建筑物或地面上的支架上。該天線用于接收來(lái)自星鏈衛(wèi)星的信號(hào)并與之通信。2. 星鏈調(diào)制解調(diào)器：這是與星鏈衛(wèi)星天線配套的設(shè)備，用于連接天線和計(jì)算機(jī)或路由器。調(diào)制解調(diào)器接收來(lái)自天線的信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為可在計(jì)算機(jī)或路由器上使用的互聯(lián)網(wǎng)連接，而且還需要網(wǎng)絡(luò)電纜、以太網(wǎng)線連接到你已經(jīng)有的Wi-Fi路由器上。3. 電源適配器：用于為星鏈天線和調(diào)制解調(diào)器提供電力供應(yīng)。

有了上述的配備，你才能有了使用星鏈業(yè)務(wù)的可能。當(dāng)然，還要看星鏈?zhǔn)欠裨谀闼幍牡貐^(qū)開(kāi)通了業(yè)務(wù)，如果沒(méi)有，即便，你準(zhǔn)備了一堆的硬件，還是搜不到任何的信號(hào)。

這種業(yè)務(wù)體驗(yàn)，我理解可能是從發(fā)展業(yè)務(wù)的可控性出發(fā)設(shè)計(jì)的。但是確實(shí)極大限制了星鏈業(yè)務(wù)的使用。本來(lái)衛(wèi)星通信應(yīng)該是支持移動(dòng)通信的，但是目前的這種狀況，智能支持裝了上述設(shè)備的移動(dòng)船只、汽車(chē)和飛機(jī)才可以做到。當(dāng)然，由于先發(fā)優(yōu)勢(shì)，特斯拉汽車(chē)支持和星鏈衛(wèi)星的通信能力，但目前是接受衛(wèi)星的廣播數(shù)據(jù)。未來(lái)，星鏈衛(wèi)星還可能用到哪些應(yīng)用場(chǎng)景，將會(huì)給人們的生活、工作和科研帶來(lái)怎樣的變革？以及這種龐大的計(jì)劃和變革是否還關(guān)聯(lián)著更大的挑戰(zhàn)和危機(jī)？又或者引領(lǐng)我們一種全新的時(shí)代？一切都有待時(shí)間的考驗(yàn)。