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

我們已經(jīng)聊過兩篇星鏈的文章了，分別談了SpaceX的星鏈計劃如何降低部署成本，以及如何面對太空垃圾問題的糾結(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）運行，而且比銥星所在的軌道更低。LEO是一個很大的范圍，作為環(huán)繞地球飛行的軌道，只要高度不超過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。與之對應(yīng)的還有MEO（中地球軌道）和GEO（地球靜止軌道）。如果要實現(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，主要的原因還是因為高帶寬和低時延的誘惑。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">信號在到達(dá)地球表面時會更強，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，在近地軌道上跑過的最低的衛(wèi)星是日本發(fā)射的一顆超低高度試驗衛(wèi)星（SLATS），曾經(jīng)在7個高度上運行，在167.4公里的高度上運行了7天。它通過離子發(fā)動機來抵消地球大氣層的空氣阻力，因為這種低于200公里的超低地球軌道（VLEO）中運行，阻力是非常大的。對于通信衛(wèi)星而言，完全沒有必要這么低，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。這個高度對于通信衛(wèi)星而言，還是非常低的。相對而言，這種高度的衛(wèi)星在時延信號方面相對理想，在信號強度的把控上也會比較好，而且部署難度相對簡單。這種高度的衛(wèi)星，大約可以達(dá)到100萬平方公里，也就是半徑大約為580公里。但是需要部署較多的星鏈衛(wèi)星才能實現(xiàn)全球的無縫覆蓋。

我們都知道地面通信是采用無線電電波進(jìn)行通信。因為地面地形復(fù)雜，而且也有各種人造建筑物，需要重點考慮信號的穿透性和繞行能力。無線電波在大氣中的傳播具有相對穩(wěn)定的特性，能夠穿過大氣層并繞過障礙物，使得地面通信具有較長的傳輸距離和較好的覆蓋能力。

星鏈衛(wèi)星在設(shè)計之初，也是采用的無線電通訊方式。具體來說，星鏈衛(wèi)星使用的頻率和波段是Ka波段，也稱為千兆赫茲頻段。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，Ka波段的傳播特性在大氣中的衰減相對較小，使得信號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)點來實現(xiàn)的。當(dāng)衛(wèi)星接收到來自用戶終端的數(shù)據(jù)時，它會將數(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，它會將數(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)站作為中繼點來實現(xiàn)星間通信，以提供更廣范圍的覆蓋和更高的可靠性。

但是，這種通訊存在問題，首先星間通訊延遲增大，用戶體驗不好，所有的衛(wèi)星間通訊都要經(jīng)過地面站進(jìn)行橋接，會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，地面站還要存在擴容升級，也是一個龐大的工程量，同時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)靈活性和可擴展性，擺脫對地面站的依賴，SpaceX需要有新的解決方案。

從星鏈V1.1 版本開始就支持了激光衛(wèi)星間鏈路 (Laser Inter-Satellite Links, 簡寫LISL) 。激光衛(wèi)星間鏈路（LISL）不是星鏈的創(chuàng)新，這個技術(shù)最早可以追溯到1990年代。當(dāng)時 NASA 的地球觀測系統(tǒng) (EOS) 就使用了LISL。EOS 計劃中涉及的特定衛(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)星觀測的協(xié)調(diào)和同步，提高任務(wù)的整體有效性。從那時起，LISL就開始在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中使用開來。但是像星鏈計劃這樣，要在數(shù)千數(shù)萬顆衛(wèi)星之間實現(xiàn)LISL，確實是一個巨大的挑戰(zhàn)。

每顆星鏈衛(wèi)星都配備了五個激光發(fā)射器和五個激光接收器。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)星之間實現(xiàn)雙向通信。所采用的具體方法稱為“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)。五個激光發(fā)射器和五個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，在太空中，兩個高速移動的衛(wèi)星，相互要快速對準(zhǔn)對方，還能持續(xù)進(jìn)行通信并非易事。這個技術(shù)就是PAT（指向、捕獲和跟蹤，英文：Pointing, Acquisition, and Tracking）。PAT 系統(tǒng)實現(xiàn)從建立到后續(xù)持續(xù)保持通信衛(wèi)星之間的對準(zhǔn)。PAT使用星跟蹤器和精細(xì)制導(dǎo)相機等傳感器來準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星的位置和運動。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，這么多衛(wèi)星傳遞消息，一定不能出錯，因此為確保可靠的通信，采用前向糾錯 (FEC) 編碼方案用于檢測和糾正接收數(shù)據(jù)中的錯誤。此外，還采用同步協(xié)議來保持發(fā)射衛(wèi)星和接收衛(wèi)星之間的時間一致性。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，星鏈衛(wèi)星利用稱為“星座時鐘”的機載時鐘同步機制。作為一個分布式時鐘同步系統(tǒng)，“星座時鐘”協(xié)調(diào)星所有星鏈衛(wèi)星的時間，確保每顆衛(wèi)星都以高度準(zhǔn)確和同步的時鐘參考運行。相鄰衛(wèi)星之間定期交換定時信號和測量值，不斷調(diào)整它們的時鐘以保持同步。

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)定地和一個衛(wèi)星保持連接，會經(jīng)常性地發(fā)生通訊衛(wèi)星的切換。由于衛(wèi)星高速運動，實現(xiàn)無縫通信切換會更具挑戰(zhàn)性。這具體稱為：“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)測用戶終端與當(dāng)前衛(wèi)星連接的信號強度和質(zhì)量QoS。如果信號下降到某個閾值以下或變得不穩(wěn)定，則可能會觸發(fā)切換過程以切換到更強或更可靠的衛(wèi)星。由于衛(wèi)星都在持續(xù)運動中，所以系統(tǒng)利用軌跡預(yù)測算法來估計用戶終端和衛(wèi)星的移動，例如帶寬、延遲和可靠性。通過分析軌跡，它可以確定當(dāng)前衛(wèi)星何時移出范圍或相鄰衛(wèi)星何時進(jìn)入范圍，確保平穩(wěn)過渡。與此同時，系統(tǒng)還會考慮了每顆衛(wèi)星的容量和負(fù)載。如果衛(wèi)星負(fù)載過重或接近其容量，它可能會優(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，盡量做到整個衛(wèi)星系統(tǒng)的負(fù)載均衡。同時在在切換過程中系統(tǒng)還需要維持或提高 QoS，確保無縫過渡，而不會出現(xiàn)明顯的服務(wù)降級。

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。信號在太空中衛(wèi)星間可以通過LISL實現(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)通信距離很長的時候，這個優(yōu)勢就比較突出了。

有人做了一個簡單的理論測算：假設(shè)一個在倫敦的人，他想知道納斯達(dá)克的實時信息。使用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)線路，來回大約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，但我們就簡單按照比真空中慢1.47倍來估算。那么數(shù)據(jù)包來回需要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，總時間大約是76毫秒。那Starlink的延遲是多少呢？現(xiàn)在沒有辦法實測，所以倫敦大學(xué)的馬克漢德里教授就給出了一個估算方法，Starlink面臨的第一個延遲，就是來自從地面到衛(wèi)星之間的往返。通信它是用相控陣天線來完成的，這種天線可以在不需要移動的情況下，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，它就開始使用激光通信。根據(jù)這些信息估算出來的延遲是43毫秒。那聽起來，光纖傳輸和衛(wèi)星傳輸相比，就差二三十毫秒，值得搞出這么大動靜嗎？在美國和英國兩個金融市場的數(shù)據(jù)中心之間，如果使用公有線路，時間的延遲是65毫秒，而提供更低延遲的線路，通信公司專門拉了一條私有光纜，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了。

星鏈互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)從2020年11月首次發(fā)布公測版?，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、馬來西亞和非洲的一些國家提供衛(wèi)星通信服務(wù)。在很多已經(jīng)部署星鏈的國家的業(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)。現(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66.59Mb/s的下載速度快40%。墨西哥上個季度的平均下載速度為 56.42Mb/s?？赡芪覀兞?xí)慣了5G通信，對這種性能表現(xiàn)不以為然，但我舉一個例子：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)第三方測試Speedtest Intelligence，在美國星鏈的下載速度從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。

星鏈還有一個優(yōu)勢，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，并計劃把衛(wèi)星的數(shù)量擴展到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，實現(xiàn)100Mbps的下載速度，用戶容量可以做到3360萬，而如果平均達(dá)到1Gbps，用戶容量是336萬。當(dāng)然這是一個非常簡單的估算，星鏈實際網(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、特定區(qū)域的用戶密度以及其他運營考慮因素。

星鏈并不是類似GPS一樣的可以集成在手機里面的通信模塊，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：相對較大的盤形或者方形天線，通常被安裝在房屋、建筑物或地面上的支架上。該天線用于接收來自星鏈衛(wèi)星的信號并與之通信。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，用于連接天線和計算機或路由器。調(diào)制解調(diào)器接收來自天線的信號，并將其轉(zhuǎn)換為可在計算機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)開通了業(yè)務(wù)，如果沒有，即便，你準(zhǔn)備了一堆的硬件，還是搜不到任何的信號。

這種業(yè)務(wù)體驗，我理解可能是從發(fā)展業(yè)務(wù)的可控性出發(fā)設(shè)計的。但是確實極大限制了星鏈業(yè)務(wù)的使用。本來衛(wèi)星通信應(yīng)該是支持移動通信的，但是目前的這種狀況，智能支持裝了上述設(shè)備的移動船只、汽車和飛機才可以做到。當(dāng)然，由于先發(fā)優(yōu)勢，特斯拉汽車支持和星鏈衛(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，星鏈衛(wèi)星還可能用到哪些應(yīng)用場景，將會給人們的生活、工作和科研帶來怎樣的變革？以及這種龐大的計劃和變革是否還關(guān)聯(lián)著更大的挑戰(zhàn)和危機？又或者引領(lǐng)我們一種全新的時代？一切都有待時間的考驗。