河套 IT TALK 93：（原创）比光传输还快，星链逆天了吗？
我们已经聊过两篇星链的文章了，分别谈了SpaceX的星链计划如何降低部署成本，以及如何面对太空垃圾问题的纠结，今天智愿君聊聊星链的本职工作——卫星通信。
1. 近地轨道的高度选择
星链和之前的铱星一样，采取了近地轨道（LEO）运行，而且比铱星所在的轨道更低。LEO是一个很大的范围，作为环绕地球飞行的轨道，只要高度不超过地球半径的三分之一，都属于近地轨道范围，也就是海拔2000公里以下的空间区域。与之对应的还有MEO（中地球轨道）和GEO（地球静止轨道）。如果要实现全地球覆盖，GEO只需要3颗卫星，MEO需要6颗，而LEO则可能从几十颗到数千颗才能做到全球覆盖。
之所以通信卫星都喜欢挤在LEO，主要的原因还是因为高带宽和低时延的诱惑。首先将卫星发射到LEO所需要的能耗比较少。而且这种高度下，卫星传输的信号在到达地球表面时会更强，这可以为地面用户提供更好的接收效果和更快的数据传输速率。但如果要提到延迟，为什么不距离地面更近一些呢？比如迄今为止，在近地轨道上跑过的最低的卫星是日本发射的一颗超低高度试验卫星（SLATS），曾经在7个高度上运行，在167.4公里的高度上运行了7天。它通过离子发动机来抵消地球大气层的空气阻力，因为这种低于200公里的超低地球轨道（VLEO）中运行，阻力是非常大的。对于通信卫星而言，完全没有必要这么低，而需要在卫星高度、延迟、覆盖范围方面，做一个更为合理的均衡。
星链选择了550公里的高度部署卫星。这个高度对于通信卫星而言，还是非常低的。相对而言，这种高度的卫星在时延信号方面相对理想，在信号强度的把控上也会比较好，而且部署难度相对简单。这种高度的卫星，大约可以达到100万平方公里，也就是半径大约为580公里。但是需要部署较多的星链卫星才能实现全球的无缝覆盖。
2. 第一代星链不支持卫星间直接通信
我们都知道地面通信是采用无线电电波进行通信。因为地面地形复杂，而且也有各种人造建筑物，需要重点考虑信号的穿透性和绕行能力。无线电波在大气中的传播具有相对稳定的特性，能够穿过大气层并绕过障碍物，使得地面通信具有较长的传输距离和较好的覆盖能力。
星链卫星在设计之初，也是采用的无线电通讯方式。具体来说，星链卫星使用的频率和波段是Ka波段，也称为千兆赫兹频段。Ka波段的频率范围通常是26.5 GHz到40 GHz。通过使用Ka波段频率，星链卫星能够实现高速数据传输和广覆盖的通信。这一频段在通信领域具有较高的带宽，可以支持大量的数据传输，适用于星链卫星提供的高速互联网服务。同时，Ka波段的传播特性在大气中的衰减相对较小，使得信号可以在地球上的接收器和星链卫星之间进行可靠的通信连接。如果要实现卫星与卫星之间的通讯，就必须回程到地面网关或桥接节点来实现的。当卫星接收到来自用户终端的数据时，它会将数据转发到地面网关站，然后由网关站再将数据传输到目标卫星，实现星间的通信。同样地，当目标卫星要向用户终端发送数据时，它会将数据发送到地面网关站，再由网关站转发给目标用户终端。利用地面网关站作为中继点来实现星间通信，以提供更广范围的覆盖和更高的可靠性。
但是，这种通讯存在问题，首先星间通讯延迟增大，用户体验不好，所有的卫星间通讯都要经过地面站进行桥接，会增加很多不必要的回路。而且，还需要在全球构建大量的地面站。不同国家的政策不同，如果全球各地都要建设地面站，而且随着卫星数量的攀升，地面站还要存在扩容升级，也是一个庞大的工程量，同时也有巨大的沟通和建设难度。如果要减少星间通讯延迟，提升网络灵活性和可扩展性，摆脱对地面站的依赖，SpaceX需要有新的解决方案。
3. 第二代星链支持激光卫星间链路
从星链V1.1 版本开始就支持了激光卫星间链路 (Laser Inter-Satellite Links, 简写LISL) 。激光卫星间链路（LISL）不是星链的创新，这个技术最早可以追溯到1990年代。当时 NASA 的地球观测系统 (EOS) 就使用了LISL。EOS 计划中涉及的特定卫星，如 Terra、Aqua 和 Aura 卫星，利用基于激光的通信链路在彼此之间传输科学数据、图像和其他信息。这有助于改善卫星观测的协调和同步，提高任务的整体有效性。从那时起，LISL就开始在卫星通信系统中使用开来。但是像星链计划这样，要在数千数万颗卫星之间实现LISL，确实是一个巨大的挑战。
每颗星链卫星都配备了五个激光发射器和五个激光接收器。这些激光终端使用先进的激光二极管或固态激光器，能够产生相干且聚焦的光束，利用激光相位脉冲技术在卫星之间实现双向通信。所采用的具体方法称为“相移键控”(PSK) 调制。在 PSK 调制中，信息被编码在激光束的相位中。通过改变激光脉冲的相位，可以表示 0 和 1 的不同模式。这允许在卫星之间传输数字数据。五个激光发射器和五个激光接收器意味着每颗 Starlink 卫星都可以与相邻五颗卫星建立同步激光连接，从而促进卫星间的高效数据传输。
不过，在太空中，两个高速移动的卫星，相互要快速对准对方，还能持续进行通信并非易事。这个技术就是PAT（指向、捕获和跟踪，英文：Pointing, Acquisition, and Tracking）。PAT 系统实现从建立到后续持续保持通信卫星之间的对准。PAT使用星跟踪器和精细制导相机等传感器来准确跟踪目标卫星的位置和运动。这使得激光束的精确指向成为可能。为了让激光束在很远的距离仍能保证聚焦，星链卫星采用了光束发散控制技术。
同时，这么多卫星传递消息，一定不能出错，因此为确保可靠的通信，采用前向纠错 (FEC) 编码方案用于检测和纠正接收数据中的错误。此外，还采用同步协议来保持发射卫星和接收卫星之间的时间一致性。为实现这一目标，星链卫星利用称为“星座时钟”的机载时钟同步机制。作为一个分布式时钟同步系统，“星座时钟”协调星所有星链卫星的时间，确保每颗卫星都以高度准确和同步的时钟参考运行。相邻卫星之间定期交换定时信号和测量值，不断调整它们的时钟以保持同步。
由于星链卫星不是地球同步卫星，因此地面接收器不可能持续稳定地和一个卫星保持连接，会经常性地发生通讯卫星的切换。由于卫星高速运动，实现无缝通信切换会更具挑战性。这具体称为：“卫星切换”（satellite handover）或“波束切换”（beam handover）。星链系统的地面接收站会跟踪一系列的用户终端可用范围内的一系列相邻卫星状况，特别是一直在监测用户终端与当前卫星连接的信号强度和质量QoS。如果信号下降到某个阈值以下或变得不稳定，则可能会触发切换过程以切换到更强或更可靠的卫星。由于卫星都在持续运动中，所以系统利用轨迹预测算法来估计用户终端和卫星的移动，例如带宽、延迟和可靠性。通过分析轨迹，它可以确定当前卫星何时移出范围或相邻卫星何时进入范围，确保平稳过渡。与此同时，系统还会考虑了每颗卫星的容量和负载。如果卫星负载过重或接近其容量，它可能会优先切换到利用率较低的卫星，以平衡网络流量并优化整体性能，尽量做到整个卫星系统的负载均衡。同时在在切换过程中系统还需要维持或提高 QoS，确保无缝过渡，而不会出现明显的服务降级。
4. 激光卫星通信让传播速度快过地面光纤通信
光在太空中的传播速度大约为299,792公里/秒。但是在光纤中的传播速度是200,000公里/秒～230,000公里/秒，也就是降了大约1/3。信号在太空中卫星间可以通过LISL实现直线传播，但是在地面上传播，必须要遵循地球表面的曲率进行部署，而且光纤很难完全联系，还需要很多中继和转换器来桥接。所以光在光纤中的速度要比直接发射激光的速度要慢，当通信距离很长的时候，这个优势就比较突出了。
有人做了一个简单的理论测算：假设一个在伦敦的人，他想知道纳斯达克的实时信息。使用现有的网络线路，来回大约12800公里，虽然光在玻璃当中的速度跟折射率等都有关系，但我们就简单按照比真空中慢1.47倍来估算。那么数据包来回需要63毫秒。也就是有63毫秒的延迟。再加上其他因素，比如光电转换等等，总时间大约是76毫秒。那Starlink的延迟是多少呢？现在没有办法实测，所以伦敦大学的马克汉德里教授就给出了一个估算方法，Starlink面临的第一个延迟，就是来自从地面到卫星之间的往返。通信它是用相控阵天线来完成的，这种天线可以在不需要移动的情况下，控制传输方向，每颗卫星在550公里的轨道上可以覆盖500公里的范围，这段时间的延迟大约在3.6毫秒。而数据到达卫星之后，它就开始使用激光通信。根据这些信息估算出来的延迟是43毫秒。那听起来，光纤传输和卫星传输相比，就差二三十毫秒，值得搞出这么大动静吗？在美国和英国两个金融市场的数据中心之间，如果使用公有线路，时间的延迟是65毫秒，而提供更低延迟的线路，通信公司专门拉了一条私有光缆，把延迟降低到了59.95毫秒。私有光纤的部署成本是三亿美金。用三亿美元的成本提高了5毫秒的速度。那么可想而知，大家愿意为二三十毫秒提升花了多少钱了。
5. 延迟小，但下载速度没有优势，是这样吗？
星链互联网业务从2020年11月首次发布公测版。现在星链的业务覆盖范围主要为北美、南美、欧洲、大洋洲、日本、马来西亚和非洲的一些国家提供卫星通信服务。在很多已经部署星链的国家的业务净推荐值（NPS）调研中，星链都能保持在较高的分数。现在星链在加拿大的服务使其成为北美最快的卫星供应商。下载速度为93.97Mb/s，比美国66.59Mb/s的下载速度快40%。墨西哥上个季度的平均下载速度为 56.42Mb/s。可能我们习惯了5G通信，对这种性能表现不以为然，但我举一个例子：墨西哥的固定宽带下载速度40.07Mbps比星链慢得多。
星链一直在不停地网络调优和发射更多卫星，旨在提供更好的下载速度。根据第三方测试Speedtest Intelligence，在美国星链的下载速度从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，星链的下载速度同期从61.84Mbps跃升了近58%至97.40Mbps。
星链还有一个优势，和传统的地面通信网络不同，地面通信网络由于在城市部署的基站数量密集，所以整体的性能表现要好于郊区，但是星链不同，在人迹罕至的地方，恰恰是星链性能表现更为突出的地方。
星链卫星的数据传输速度会因在轨卫星数量、覆盖范围、网络拥塞和技术进步等多种因素而有所不同。星链的目标是为其用户提供高达 1 Gbps 的下载速度和高达 50 Mbps 的上传速度。为了达到这一目标，星链就需要部署足够数量的卫星，以确保全面覆盖并增加网络容量，以最大限度地减少网络拥塞。这也是为什么星链一直发射卫星，并计划把卫星的数量扩展到42000颗的原因。目前每颗卫星的容量为80Gbps，如果按照42000颗V2卫星来推算的话，总的瞬间带宽可以做到每秒3360Tbps，如果所有用户都是平均分布在地球表面，实现100Mbps的下载速度，用户容量可以做到3360万，而如果平均达到1Gbps，用户容量是336万。当然这是一个非常简单的估算，星链实际网络性能和容量可能因多种因素而异，包括技术进步、网络设计、特定区域的用户密度以及其他运营考虑因素。
6. 终端的形态限制了星链的应用
星链并不是类似GPS一样的可以集成在手机里面的通信模块，想要使用星链业务，你必须要准备一堆的配，包括：1. 星链卫星天线：相对较大的盘形或者方形天线，通常被安装在房屋、建筑物或地面上的支架上。该天线用于接收来自星链卫星的信号并与之通信。2. 星链调制解调器：这是与星链卫星天线配套的设备，用于连接天线和计算机或路由器。调制解调器接收来自天线的信号，并将其转换为可在计算机或路由器上使用的互联网连接，而且还需要网络电缆、以太网线连接到你已经有的Wi-Fi路由器上。3. 电源适配器：用于为星链天线和调制解调器提供电力供应。
有了上述的配备，你才能有了使用星链业务的可能。当然，还要看星链是否在你所处的地区开通了业务，如果没有，即便，你准备了一堆的硬件，还是搜不到任何的信号。
这种业务体验，我理解可能是从发展业务的可控性出发设计的。但是确实极大限制了星链业务的使用。本来卫星通信应该是支持移动通信的，但是目前的这种状况，智能支持装了上述设备的移动船只、汽车和飞机才可以做到。当然，由于先发优势，特斯拉汽车支持和星链卫星的通信能力，但目前是接受卫星的广播数据。未来，星链卫星还可能用到哪些应用场景，将会给人们的生活、工作和科研带来怎样的变革？以及这种庞大的计划和变革是否还关联着更大的挑战和危机？又或者引领我们一种全新的时代？一切都有待时间的考验。