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，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(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設施為邊遠地區(qū)等提供高速率通信服務，還可為未來美軍及其盟友實施聯(lián)合作戰(zhàn)提供支持，使整個戰(zhàn)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(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(tǒng)由11926顆衛(wèi)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（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(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公司已累計發(fā)射62批共計3259顆Starlink衛(wèi)星，在軌運行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)劃和通信機制這3個方面進行介紹。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(tǒng)。目前，Starlink主要在軌衛(wèi)星為V1.0版本，V1.5版本陸續(xù)到達部署軌道，V2.0版本正在設計中。V2.0版本衛(wèi)星重量將達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)星結構，Starlink衛(wèi)星的部分參數(shù)如表1所示。圖1Starlink衛(wèi)星結構表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，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(wèi)星。地面站主要由收發(fā)信機和控制器組成，負責無線連接移動用戶與互聯(lián)網。地面站采用了高增益跟蹤波束，可與星座內的多顆衛(wèi)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2Starlink終端圖3美國范圍內地面站分布情況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。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(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置后，自動改變波束追蹤衛(wèi)星位置；星上相控陣天線也允許系統(tǒng)自動引導波束，以優(yōu)化特定位置的服務；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，進而發(fā)送給互聯(lián)網或云端。圖4Starlink通信鏈路1.3.2網絡傳輸協(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?？紤]到低軌道衛(wèi)星過頂速度快、連接時間短、鏈路切換頻繁，Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)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(xié)議，并支持P2P網絡傳輸。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，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(shù)據(jù)包。2傳輸鏈路性能分析在分析傳輸鏈路性能之前，首先計算能夠反映終端性能的關鍵參數(shù)——品質因數(shù)G/T。G/T的分貝形式為[G/T]，其計算公式為：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，其效率可達到73%。通過計算，可得G=35.89dB，G/T=11.27dB/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(tǒng)的終端，Starlink終端的品質因數(shù)較好。下面繼續(xù)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12.7GHz；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6378km時，可得星地距離為1123.4km。進一步計算可得LDF=175.5dB?？紤]下行云霧損耗、雨衰損耗及饋線損耗等值總計為1.5dB（較理想情況），則LD=177.0dB。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37dBW；地面接收機的[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）進行仿真驗證。設置星上發(fā)射機和地面接收機頻率為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(lián)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7.1dB以上（由于軟件雨衰模型值波動，與計算值9.87dB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(wèi)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(wèi)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(tài)并進行切換前，終端從頭至尾與一顆衛(wèi)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。考慮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(wèi)星星座場景）和當前部署階段（2987顆衛(wèi)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(wèi)星在軌服務場景下，由于衛(wèi)星數(shù)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5min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2987顆Starlink衛(wèi)星在軌服務場景下，已實現(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鏈路存在時間圖13單鏈路存在圖示4用戶速率波動分析根據(jù)全球各地用戶的使用狀況報道，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、消失于另一側地平線，總時間不足10min，而滿足連接條件并真正能提供服務的時間約為5～6min。若是衛(wèi)星切換導致的速率下降，其間隔應是5～6min，還會伴隨著丟包等情況，與實際情況并不相符。排除衛(wèi)星切換，Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)的速率波動可能是以下原因造成的：（1）覆蓋得不均勻。當前Starlink衛(wèi)星的分布并不均衡，既體現(xiàn)在單個軌道面上幾十顆衛(wèi)星分布的不均勻性，又體現(xiàn)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(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。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，要想達到高速、低延時，就必須在方圓數(shù)百千米范圍內建立一個地面站，否則必須通過多顆衛(wèi)星中繼轉發(fā)，這會增大數(shù)據(jù)傳輸延遲，也增大了用戶對Starlink星座的資源占用率。（3）同時在線用戶數(shù)量的波動。Starlink衛(wèi)星和地面站的容量都是由系統(tǒng)服務的所有用戶共享的，如果在同一時間接入的用戶數(shù)量增多，突增的流量可能引起網絡節(jié)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(wèi)星系統(tǒng)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(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一步提高，其發(fā)射成本低、網絡帶寬大、覆蓋范圍廣、商業(yè)價值大和軍事用途廣等優(yōu)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(xù)發(fā)展自己的衛(wèi)星互聯(lián)網計劃提供了啟示。（1）輕量化傳輸協(xié)議是未來低軌互聯(lián)網協(xié)議的重要選項。傳統(tǒng)衛(wèi)星網絡使用傳輸控制協(xié)議/網間協(xié)議（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，TCP/IP）協(xié)議，由于衛(wèi)星鏈路誤碼率高，會造成數(shù)據(jù)傳輸“假擁塞”現(xiàn)象，促使TCP協(xié)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(lián)網端星切換頻繁、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)議實時傳輸實驗，測試和數(shù)據(jù)分析表明，與傳統(tǒng)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(yè)務部署提供了重要支撐。（2）去中心化網絡是未來低軌互聯(lián)網的基本樣式。傳統(tǒng)衛(wèi)星網絡依賴地面信關站進行數(shù)據(jù)轉發(fā)、回傳、調度等功能，當并發(fā)數(shù)據(jù)量過大后，會導致更大的時延和更低的數(shù)據(jù)速率。如果使用去中心化的連接網絡，用戶與衛(wèi)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(xié)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(shù)據(jù)鏈路分配，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(lián)網的必然選擇。根據(jù)前文分析可以推斷，若使用單一的仰角限制策略，當Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)部署量達到4.2萬顆衛(wèi)星時，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