Starlink星地鏈路性能仿真分析與啟示

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(xué)，北京101416；2.北京航天飛行控制中心，北京100094）0引言低軌道衛(wèi)星星座作為全球信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，以其覆蓋范圍廣、傳輸速率高、時(shí)延低等優(yōu)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(wèi)星星座發(fā)展迅速，其中以SpaceX公司的Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)為典型代表。Starlink部署完成后，不僅能作為民用電信基礎(chǔ)設(shè)施為邊遠(yuǎn)地區(qū)等提供高速率通信服務(wù)，還可為未來美軍及其盟友實(shí)施聯(lián)合作戰(zhàn)提供支持，使整個(gè)戰(zhàn)場對其具有單向透明性，增強(qiáng)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(jiān)視體系優(yōu)勢。因此，研究Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)的性能具有重要的戰(zhàn)略意義。1基本情況2015年，SpaceX首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克提出了Starlink低軌互聯(lián)網(wǎng)星座項(xiàng)目，該項(xiàng)目分兩代4個(gè)階段完成[1-3]。其中，第1代系統(tǒng)由11926顆衛(wèi)星構(gòu)成，最初計(jì)劃在2019—2027年分3個(gè)階段完成建設(shè)，由低地球軌道（LowEarthOrbit，LEO）星座4408顆衛(wèi)星和極低地球軌道（VerylowEarthOrbit，VLEO）星座7518顆衛(wèi)星這2個(gè)子星座，以及相關(guān)的地面設(shè)施、地面站和用戶終端組成；第2代系統(tǒng)包括3萬顆衛(wèi)星。整體建成后，部署的衛(wèi)星總數(shù)增加至41926顆，分布在320km、550km和1200km左右的軌道高度上。截至2022年9月18日，SpaceX公司已累計(jì)發(fā)射62批共計(jì)3259顆Starlink衛(wèi)星，在軌運(yùn)行2987顆（不含2022年9月11日發(fā)射的34顆Starlink衛(wèi)星），良好率92.6%。下面分別從空間段與地面段、頻率規(guī)劃和通信機(jī)制這3個(gè)方面進(jìn)行介紹。1.1空間段與地面段Starlink衛(wèi)星星體為矩形盒式，配備單板結(jié)構(gòu)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(tǒng)。目前，Starlink主要在軌衛(wèi)星為V1.0版本，V1.5版本陸續(xù)到達(dá)部署軌道，V2.0版本正在設(shè)計(jì)中。V2.0版本衛(wèi)星重量將達(dá)1250kg，長度近7m，數(shù)據(jù)吞吐量提升至先前的5～10倍。圖1為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，Starlink衛(wèi)星的部分參數(shù)如表1所示。圖1Starlink衛(wèi)星結(jié)構(gòu)表1Starlink衛(wèi)星參數(shù)Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)的地面部分包括用戶終端和地面站。用戶終端主要由主機(jī)和天線兩部分組成，如圖2所示。其碟形衛(wèi)星天線的尺寸與比薩餅盒相當(dāng)，可安裝在移動(dòng)的或固定的載體上。該天線利用相控陣天線技術(shù)，可以形成可追蹤的、高定向的、可操控的波束，用以瞄準(zhǔn)衛(wèi)星。地面站主要由收發(fā)信機(jī)和控制器組成，負(fù)責(zé)無線連接移動(dòng)用戶與互聯(lián)網(wǎng)。地面站采用了高增益跟蹤波束，可與星座內(nèi)的多顆衛(wèi)星通信，作用相當(dāng)于地面蜂窩移動(dòng)通信中的基站。圖3展示了美國范圍內(nèi)已建立的地面站的分布情況。圖2Starlink終端圖3美國范圍內(nèi)地面站分布情況1.2頻率規(guī)劃第1代Starlink衛(wèi)星和第2代Starlink衛(wèi)星的頻率規(guī)劃有所不同，具體如表2和表3所示。概括來講，與其他衛(wèi)星通信系統(tǒng)類似，在用戶等大部分鏈路方向，Starlink仍然采用傳統(tǒng)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(diǎn)。由于雨衰更大，第1代Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)僅將Ka頻段用于固定的、能力更強(qiáng)的網(wǎng)關(guān)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(wèi)星系統(tǒng)開始規(guī)劃將Ka頻段用于用戶上下行鏈路。此外，由于衛(wèi)星通信頻段協(xié)調(diào)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(wèi)星系統(tǒng)規(guī)劃增加使用36～56GHz的V頻段和71～86GHz的E頻段，這兩種頻段的地面和太空應(yīng)用尚未廣泛推廣，能保證和其他系統(tǒng)之間較好的電磁兼容性。另外需要說明的是，第2代Starlink衛(wèi)星還將開始使用激光星間鏈路。表2第1代Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)工作頻段總表表3第2代Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)頻率規(guī)劃1.3通信機(jī)制1.3.1信息傳輸流程圖4給出了Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)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(lián)；用戶終端按要求完成相控陣天線的仰角設(shè)置后，自動(dòng)改變波束追蹤衛(wèi)星位置；星上相控陣天線也允許系統(tǒng)自動(dòng)引導(dǎo)波束，以優(yōu)化特定位置的服務(wù)；衛(wèi)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(fā)送到就近的地面站，也可通過星間鏈路發(fā)送給遠(yuǎn)端的地面站；地面站正確接收后，將請求發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心，進(jìn)而發(fā)送給互聯(lián)網(wǎng)或云端。圖4Starlink通信鏈路1.3.2網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議腦卒中是中老年人的常見病、多發(fā)病,大部分患者會(huì)遺留不同程度的功能障礙,偏癱上肢活動(dòng)障礙對患者生活質(zhì)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(fù)難題，臨床上常予以肩部懸吊、肌內(nèi)效貼、磁熱療法、針灸、神經(jīng)肌肉電刺激等進(jìn)行對癥處理，但效果欠佳。因此，進(jìn)一步探索新的康復(fù)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(yùn)用新Bobath技術(shù)治療腦卒中偏癱患者，療效較好，報(bào)道如下?？紤]到低軌道衛(wèi)星過頂速度快、連接時(shí)間短、鏈路切換頻繁，Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)沒有應(yīng)用IPv4和IPv6技術(shù)，而是采用了一種報(bào)頭簡潔的、新型的、輕量級連接協(xié)議，并支持P2P網(wǎng)絡(luò)傳輸。1.3.3數(shù)據(jù)加密協(xié)議Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)采用端對端的硬件加密技術(shù)，屬于硬件級別的終端對終端加密傳輸設(shè)計(jì)，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(shù)據(jù)包。2傳輸鏈路性能分析在分析傳輸鏈路性能之前，首先計(jì)算能夠反映終端性能的關(guān)鍵參數(shù)——品質(zhì)因數(shù)G/T。G/T的分貝形式為[G/T]，其計(jì)算公式為：式中：T為系統(tǒng)噪聲溫度，一般取值290K；G為終端天線增益，單位為dB。G的計(jì)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(jù)SpaceX發(fā)布的數(shù)據(jù)，取D=0.48m，f=12.7GHz，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(dá)到73%。通過計(jì)算，可得G=35.89dB，G/T=11.27dB/K。鑒于[G/T]值越大，性能越好，從計(jì)算結(jié)果可知，相比其他同類系統(tǒng)的終端，Starlink終端的品質(zhì)因數(shù)較好。下面繼續(xù)計(jì)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(xiàng)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(guān)，其分貝表示形式為：式中：頻率f取值為12.7GHz；星地距離d的單位為km。d的計(jì)算式為：式中：α為天線仰角，當(dāng)仰角值取25°，地球半徑RE取6378km時(shí)，可得星地距離為1123.4km。進(jìn)一步計(jì)算可得LDF=175.5dB。考慮下行云霧損耗、雨衰損耗及饋線損耗等值總計(jì)為1.5dB（較理想情況），則LD=177.0dB。在此基礎(chǔ)上，可計(jì)算接收端的載噪比C/N，其計(jì)算式為：式中：[EIRP]為星上全向有效輻射功率，取值為37dBW；地面接收機(jī)的[G/T]為11.27dB/K；玻爾茲曼常數(shù)k取值1.38×10-23J/K；B為下行帶寬，取值為1000MHz。計(jì)算得到，終端接收載噪比為9.87dB。下面利用衛(wèi)星仿真工具包（SatelliteToolKit，STK）進(jìn)行仿真驗(yàn)證。設(shè)置星上發(fā)射機(jī)和地面接收機(jī)頻率為12.7GHz，星上[EIRP]為37dBW，地面接收天線增益為35.89dB，下行帶寬為1000MHz，系統(tǒng)噪聲為290K，加入雨衰模型。在鏈路建立時(shí)間得到的結(jié)果如圖5所示。圖5鏈路預(yù)算（部分時(shí)間）將圖5中的載噪比C/N與誤碼率BER進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，得到全局的載噪比與誤碼率關(guān)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(guān)系，如圖7所示。由圖6可知，接收的C/N值均保持在7.1dB以上（由于軟件雨衰模型值波動(dòng)，與計(jì)算值9.87dB有一定偏差）。此外，如圖7所示，最大誤碼率達(dá)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(guān)系（全局）圖7載噪比與誤碼率關(guān)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(wèi)星的高速運(yùn)行會(huì)導(dǎo)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(wù)能力，有必要對Starlink端星切換性能進(jìn)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(wù)時(shí)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(wèi)星連接，以確保信號質(zhì)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(dá)到不能使用狀態(tài)并進(jìn)行切換前，終端從頭至尾與一顆衛(wèi)星保持連接，這是因?yàn)榻尤霑r(shí)間長可以使切換頻率處于較低水平，但是信號的品質(zhì)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(nèi)容分別針對初始建網(wǎng)階段（400顆衛(wèi)星星座場景）和當(dāng)前部署階段（2987顆衛(wèi)星星座場景）的策略性能進(jìn)行分析。3.1初始建網(wǎng)階段如圖8、圖9、圖10所示，在最初400顆Starlink衛(wèi)星在軌服務(wù)場景下，由于衛(wèi)星數(shù)量較少，切換時(shí)終端天線空間指向變化幅度大，端星切換成功需要5min時(shí)間，而接入服務(wù)的中斷率高達(dá)31%。圖8最佳仰角策略鏈路切換圖9鏈路存在時(shí)間圖10單鏈路存在圖示3.2當(dāng)前部署階段如圖11、圖12、圖13所示，在當(dāng)前2987顆Starlink衛(wèi)星在軌服務(wù)場景下，已實(shí)現(xiàn)不間斷的無縫連接。由于空間段衛(wèi)星數(shù)量的增加，平均1min左右就會(huì)出現(xiàn)一次切換，衛(wèi)星切換最快1s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(shí)間圖13單鏈路存在圖示4用戶速率波動(dòng)分析根據(jù)全球各地用戶的使用狀況報(bào)道，Starlink用戶下載速率并不穩(wěn)定，存在間隔數(shù)十分鐘的速率大幅下降情況，并具有一定的規(guī)律性。造成速率波動(dòng)的原因很多，如切換問題。但從用戶終端的角度看，Starlink衛(wèi)星從地平線上出現(xiàn)、過頂、消失于另一側(cè)地平線，總時(shí)間不足10min，而滿足連接條件并真正能提供服務(wù)的時(shí)間約為5～6min。若是衛(wèi)星切換導(dǎo)致的速率下降，其間隔應(yīng)是5～6min，還會(huì)伴隨著丟包等情況，與實(shí)際情況并不相符。排除衛(wèi)星切換，Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)的速率波動(dòng)可能是以下原因造成的：（1）覆蓋得不均勻。當(dāng)前Starlink衛(wèi)星的分布并不均衡，既體現(xiàn)在單個(gè)軌道面上幾十顆衛(wèi)星分布的不均勻性，又體現(xiàn)在多個(gè)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(qū)衛(wèi)星的覆蓋情況。如圖14所示，北半球中緯度地區(qū)的Starlink衛(wèi)星密集，而北半球高低維度及南半球的Starlink衛(wèi)星數(shù)量相對稀少。需要指出的是，即使在美國本土，Starlink衛(wèi)星的覆蓋程度也不相同，美國中部和南部地區(qū)有一些區(qū)域的衛(wèi)星數(shù)量相對稀少。圖14歐洲與北美地區(qū)地面站情況（2）用戶到地面站距離過遠(yuǎn)。Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)的策略是盡可能將用戶與其最近的地面站互聯(lián)，以減少衛(wèi)星中繼的數(shù)量。因此，要想達(dá)到高速、低延時(shí)，就必須在方圓數(shù)百千米范圍內(nèi)建立一個(gè)地面站，否則必須通過多顆衛(wèi)星中繼轉(zhuǎn)發(fā)，這會(huì)增大數(shù)據(jù)傳輸延遲，也增大了用戶對Starlink星座的資源占用率。（3）同時(shí)在線用戶數(shù)量的波動(dòng)。Starlink衛(wèi)星和地面站的容量都是由系統(tǒng)服務(wù)的所有用戶共享的，如果在同一時(shí)間接入的用戶數(shù)量增多，突增的流量可能引起網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擁塞與服務(wù)速率下降。如果有較遠(yuǎn)的用戶來占用同一個(gè)地面站的帶寬，對Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)資源調(diào)度能力也是一種考驗(yàn)。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(jìn)行分析可知，隨著在軌衛(wèi)星數(shù)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(jìn)一步提高，其發(fā)射成本低、網(wǎng)絡(luò)帶寬大、覆蓋范圍廣、商業(yè)價(jià)值大和軍事用途廣等優(yōu)點(diǎn)將得到進(jìn)一步凸顯，但也暴露了一些問題，這些都為我國后續(xù)發(fā)展自己的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃提供了啟示。（1）輕量化傳輸協(xié)議是未來低軌互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的重要選項(xiàng)。傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)使用傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)間協(xié)議（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，TCP/IP）協(xié)議，由于衛(wèi)星鏈路誤碼率高，會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸“假擁塞”現(xiàn)象，促使TCP協(xié)議啟動(dòng)擁塞控制、流量控制等操作，嚴(yán)重影響傳輸性能。由于低軌互聯(lián)網(wǎng)端星切換頻繁、傳輸速率要求高，使用輕量化傳輸協(xié)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(xié)議實(shí)時(shí)傳輸實(shí)驗(yàn)，測試和數(shù)據(jù)分析表明，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，星地應(yīng)用平均響應(yīng)時(shí)間縮短2倍，星地鏈路傳輸效率提升30%，為星載高實(shí)時(shí)、高負(fù)載業(yè)務(wù)部署提供了重要支撐。（2）去中心化網(wǎng)絡(luò)是未來低軌互聯(lián)網(wǎng)的基本樣式。傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)依賴地面信關(guān)站進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、回傳、調(diào)度等功能，當(dāng)并發(fā)數(shù)據(jù)量過大后，會(huì)導(dǎo)致更大的時(shí)延和更低的數(shù)據(jù)速率。如果使用去中心化的連接網(wǎng)絡(luò)，用戶與衛(wèi)星可具備服務(wù)器或者客戶端的功能，并且由于基于先進(jìn)的協(xié)議，也能夠保證準(zhǔn)確地確定用戶的地理坐標(biāo)，從而進(jìn)行更合理的數(shù)據(jù)鏈路分配，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自流通，進(jìn)而達(dá)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(lián)網(wǎng)的必然選擇。根據(jù)前文分析可以推斷，若使用單一的仰角限制策略，當(dāng)Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)部署量達(dá)到4.2萬顆衛(wèi)星時(shí)，端星切換的頻率將變?yōu)楹撩爰墶ｏ@然，這種切換方式對終端的快速跟蹤調(diào)整能力提出了較高的要求。而且，當(dāng)切換過于頻繁時(shí)，信令開銷將