Starlink星地链路性能仿真分析与启示

Starlink星地链路性能仿真分析与启示*

代健美，文泓斐（1.航天工程大学，北京101416；2.北京航天飞行控制中心，北京100094）0引言低轨道卫星星座作为全球信息基础设施的重要组成部分，以其覆盖范围广、传输速率高、时延低等优势成为军事大国竞相角力的新方向。近年来，世界各国的低轨巨型卫星星座发展迅速，其中以SpaceX公司的Starlink卫星系统为典型代表。Starlink部署完成后，不仅能作为民用电信基础设施为边远地区等提供高速率通信服务，还可为未来美军及其盟友实施联合作战提供支持，使整个战场对其具有单向透明性，增强美军及其盟友的通信能力，并可能通过增加专用载荷以提高其侦察和监视体系优势。因此，研究Starlink卫星系统的性能具有重要的战略意义。1基本情况2015年，SpaceX首席执行官埃隆·马斯克提出了Starlink低轨互联网星座项目，该项目分两代4个阶段完成[1-3]。其中，第1代系统由11926颗卫星构成，最初计划在2019—2027年分3个阶段完成建设，由低地球轨道（LowEarthOrbit，LEO）星座4408颗卫星和极低地球轨道（VerylowEarthOrbit，VLEO）星座7518颗卫星这2个子星座，以及相关的地面设施、地面站和用户终端组成；第2代系统包括3万颗卫星。整体建成后，部署的卫星总数增加至41926颗，分布在320km、550km和1200km左右的轨道高度上。截至2022年9月18日，SpaceX公司已累计发射62批共计3259颗Starlink卫星，在轨运行2987颗（不含2022年9月11日发射的34颗Starlink卫星），良好率92.6%。下面分别从空间段与地面段、频率规划和通信机制这3个方面进行介绍。1.1空间段与地面段Starlink卫星星体为矩形盒式，配备单板结构太阳能电池阵列、霍尔推力器，安装有星敏感器、高通量相控阵列天线和自主避撞系统。目前，Starlink主要在轨卫星为V1.0版本，V1.5版本陆续到达部署轨道，V2.0版本正在设计中。V2.0版本卫星重量将达1250kg，长度近7m，数据吞吐量提升至先前的5～10倍。图1为卫星结构，Starlink卫星的部分参数如表1所示。图1Starlink卫星结构表1Starlink卫星参数Starlink卫星系统的地面部分包括用户终端和地面站。用户终端主要由主机和天线两部分组成，如图2所示。其碟形卫星天线的尺寸与比萨饼盒相当，可安装在移动的或固定的载体上。该天线利用相控阵天线技术，可以形成可追踪的、高定向的、可操控的波束，用以瞄准卫星。地面站主要由收发信机和控制器组成，负责无线连接移动用户与互联网。地面站采用了高增益跟踪波束，可与星座内的多颗卫星通信，作用相当于地面蜂窝移动通信中的基站。图3展示了美国范围内已建立的地面站的分布情况。图2Starlink终端图3美国范围内地面站分布情况1.2频率规划第1代Starlink卫星和第2代Starlink卫星的频率规划有所不同，具体如表2和表3所示。概括来讲，与其他卫星通信系统类似，在用户等大部分链路方向，Starlink仍然采用传统的Ku频段，能够以较小终端天线口径保证良好的接收性能，还具有安装容易、成本低等特点。由于雨衰更大，第1代Starlink卫星系统仅将Ka频段用于固定的、能力更强的网关和下行遥测跟踪与控制（TT&C）链路中；但随着用户容量需求的增加，第2代Starlink卫星系统开始规划将Ka频段用于用户上下行链路。此外，由于卫星通信频段协调难度日益加大，以及对通信能力和带宽的要求越来越高，Starlink卫星系统规划增加使用36～56GHz的V频段和71～86GHz的E频段，这两种频段的地面和太空应用尚未广泛推广，能保证和其他系统之间较好的电磁兼容性。另外需要说明的是，第2代Starlink卫星还将开始使用激光星间链路。表2第1代Starlink卫星系统工作频段总表表3第2代Starlink卫星系统频率规划1.3通信机制1.3.1信息传输流程图4给出了Starlink卫星系统的信息传输流程。如图4所示，用户通过有线或Wi-Fi形式与Starlink用户终端互联；用户终端按要求完成相控阵天线的仰角设置后，自动改变波束追踪卫星位置；星上相控阵天线也允许系统自动引导波束，以优化特定位置的服务；卫星在接收并处理用户终端上传的访问请求后，将指令直接发送到就近的地面站，也可通过星间链路发送给远端的地面站；地面站正确接收后，将请求发送给数据处理中心，进而发送给互联网或云端。图4Starlink通信链路1.3.2网络传输协议脑卒中是中老年人的常见病、多发病,大部分患者会遗留不同程度的功能障碍,偏瘫上肢活动障碍对患者生活质量影响很大[1]。上肢在皮层中占的比例大，受损后脑功能重组难度大，偏瘫上肢常呈屈曲痉挛模式、手抓握状畸形、肩手综合症等是康复难题，临床上常予以肩部悬吊、肌内效贴、磁热疗法、针灸、神经肌肉电刺激等进行对症处理，但效果欠佳。因此，进一步探索新的康复治疗方法，更好地改善偏瘫患者上肢功能，具有十分重要的意义。本研究对脑卒中偏瘫上肢运用新Bobath技术治疗脑卒中偏瘫患者，疗效较好，报道如下。考虑到低轨道卫星过顶速度快、连接时间短、链路切换频繁，Starlink卫星系统没有应用IPv4和IPv6技术，而是采用了一种报头简洁的、新型的、轻量级连接协议，并支持P2P网络传输。1.3.3数据加密协议Starlink卫星系统采用端对端的硬件加密技术，属于硬件级别的终端对终端加密传输设计，可以更好确保黑客或其他恶意行为无法随意拦截或者解密数据包。2传输链路性能分析在分析传输链路性能之前，首先计算能够反映终端性能的关键参数——品质因数G/T。G/T的分贝形式为[G/T]，其计算公式为：式中：T为系统噪声温度，一般取值290K；G为终端天线增益，单位为dB。G的计算公式为：式中：η为天线效率；A为用户终端天线有效面积；D为天线直径；λ为工作波长，与工作频率f的乘积为光速c。根据SpaceX发布的数据，取D=0.48m，f=12.7GHz，典型天线效率一般为55%～70%，但Starlink终端采用相控阵，其效率可达到73%。通过计算，可得G=35.89dB，G/T=11.27dB/K。鉴于[G/T]值越大，性能越好，从计算结果可知，相比其他同类系统的终端，Starlink终端的品质因数较好。下面继续计算空间损耗。以下行链路为例，LD为下行链路总损耗，包括下行自由空间损耗LDF和其他各项损耗的总和L∑di（∑di表示云雾、降雨、馈线等），即LD=LDF+L∑di。自由空间损耗与频率、距离有关，其分贝表示形式为：式中：频率f取值为12.7GHz；星地距离d的单位为km。d的计算式为：式中：α为天线仰角，当仰角值取25°，地球半径RE取6378km时，可得星地距离为1123.4km。进一步计算可得LDF=175.5dB。考虑下行云雾损耗、雨衰损耗及馈线损耗等值总计为1.5dB（较理想情况），则LD=177.0dB。在此基础上，可计算接收端的载噪比C/N，其计算式为：式中：[EIRP]为星上全向有效辐射功率，取值为37dBW；地面接收机的[G/T]为11.27dB/K；玻尔兹曼常数k取值1.38×10-23J/K；B为下行带宽，取值为1000MHz。计算得到，终端接收载噪比为9.87dB。下面利用卫星仿真工具包（SatelliteToolKit，STK）进行仿真验证。设置星上发射机和地面接收机频率为12.7GHz，星上[EIRP]为37dBW，地面接收天线增益为35.89dB，下行带宽为1000MHz，系统噪声为290K，加入雨衰模型。在链路建立时间得到的结果如图5所示。图5链路预算（部分时间）将图5中的载噪比C/N与误码率BER进行关联分析，得到全局的载噪比与误码率关系，如图6所示。放大局部图像，可得到误码率随载噪比的增大而减小的关系，如图7所示。由图6可知，接收的C/N值均保持在7.1dB以上（由于软件雨衰模型值波动，与计算值9.87dB有一定偏差）。此外，如图7所示，最大误码率达到了2.6×10-6左右，但仍属于可正常通信的范围。图6载噪比与误码率关系（全局）图7载噪比与误码率关系（局部）3链路切换性能分析作为LEO与VLEO组成的双层星座，Starlink卫星的高速运行会导致星地链路快速变化、端星频繁切换，因此为了分析Starlink的通信服务能力，有必要对Starlink端星切换性能进行分析。对于单一用户的切换问题，一般主要考虑两种典型的切换因素，即仰角限制策略（也称最小通信距离或最大仰角策略）[4]和单星保持策略（也称最大服务时间策略）[5-6]。仰角限制策略是指终端总是与处于一定仰角（40°）之上的过顶卫星连接，以确保信号质量和较高的传输速率，但是切换频率过高；单星保持策略是指在链路达到不能使用状态并进行切换前，终端从头至尾与一颗卫星保持连接，这是因为接入时间长可以使切换频率处于较低水平，但是信号的品质和传输速率难以得到保障。考虑到仰角限制策略能够保证较高的传输速率，以下内容分别针对初始建网阶段（400颗卫星星座场景）和当前部署阶段（2987颗卫星星座场景）的策略性能进行分析。3.1初始建网阶段如图8、图9、图10所示，在最初400颗Starlink卫星在轨服务场景下，由于卫星数量较少，切换时终端天线空间指向变化幅度大，端星切换成功需要5min时间，而接入服务的中断率高达31%。图8最佳仰角策略链路切换图9链路存在时间图10单链路存在图示3.2当前部署阶段如图11、图12、图13所示，在当前2987颗Starlink卫星在轨服务场景下，已实现不间断的无缝连接。由于空间段卫星数量的增加，平均1min左右就会出现一次切换，卫星切换最快1s左右即可完成。图11最佳仰角策略链路切换图12链路存在时间图13单链路存在图示4用户速率波动分析根据全球各地用户的使用状况报道，Starlink用户下载速率并不稳定，存在间隔数十分钟的速率大幅下降情况，并具有一定的规律性。造成速率波动的原因很多，如切换问题。但从用户终端的角度看，Starlink卫星从地平线上出现、过顶、消失于另一侧地平线，总时间不足10min，而满足连接条件并真正能提供服务的时间约为5～6min。若是卫星切换导致的速率下降，其间隔应是5～6min，还会伴随着丢包等情况，与实际情况并不相符。排除卫星切换，Starlink卫星系统的速率波动可能是以下原因造成的：（1）覆盖得不均匀。当前Starlink卫星的分布并不均衡，既体现在单个轨道面上几十颗卫星分布的不均匀性，又体现在多个轨道面对地面覆盖的不均匀性。图14给出了欧洲与北美地区卫星的覆盖情况。如图14所示，北半球中纬度地区的Starlink卫星密集，而北半球高低维度及南半球的Starlink卫星数量相对稀少。需要指出的是，即使在美国本土，Starlink卫星的覆盖程度也不相同，美国中部和南部地区有一些区域的卫星数量相对稀少。图14欧洲与北美地区地面站情况（2）用户到地面站距离过远。Starlink卫星系统的策略是尽可能将用户与其最近的地面站互联，以减少卫星中继的数量。因此，要想达到高速、低延时，就必须在方圆数百千米范围内建立一个地面站，否则必须通过多颗卫星中继转发，这会增大数据传输延迟，也增大了用户对Starlink星座的资源占用率。（3）同时在线用户数量的波动。Starlink卫星和地面站的容量都是由系统服务的所有用户共享的，如果在同一时间接入的用户数量增多，突增的流量可能引起网络节点拥塞与服务速率下降。如果有较远的用户来占用同一个地面站的带宽，对Starlink卫星系统资源调度能力也是一种考验。图15地面站覆盖范围5启示建议通过对Starlink的星地链路等性能进行分析可知，随着在轨卫星数量的逐渐增多，Starlink的传输能力、覆盖能力以及星座弹性都将进一步提高，其发射成本低、网络带宽大、覆盖范围广、商业价值大和军事用途广等优点将得到进一步凸显，但也暴露了一些问题，这些都为我国后续发展自己的卫星互联网计划提供了启示。（1）轻量化传输协议是未来低轨互联网协议的重要选项。传统卫星网络使用传输控制协议/网间协议（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，TCP/IP）协议，由于卫星链路误码率高，会造成数据传输“假拥塞”现象，促使TCP协议启动拥塞控制、流量控制等操作，严重影响传输性能。由于低轨互联网端星切换频繁、传输速率要求高，使用轻量化传输协议成为重要方向。2022年8月25日，我国率先完成了全球首次星地链路QUIC协议实时传输实验，测试和数据分析表明，与传统技术相比，星地应用平均响应时间缩短2倍，星地链路传输效率提升30%，为星载高实时、高负载业务部署提供了重要支撑。（2）去中心化网络是未来低轨互联网的基本样式。传统卫星网络依赖地面信关站进行数据转发、回传、调度等功能，当并发数据量过大后，会导致更大的时延和更低的数据速率。如果使用去中心化的连接网络，用户与卫星可具备服务器或者客户端的功能，并且由于基于先进的协议，也能够保证准确地确定用户的地理坐标，从而进行更合理的数据链路分配，实现数据的自流通，进而达到最佳的访问延迟与传输速率。（3）混合切换策略是低轨互联网的必然选择。根据前文分析可以推断，若使用单一的仰角限制策略，当Starlink卫星系统部署量达到4.2万颗卫星时，端星切换的频率将变为毫秒级。显然，这种切换方式对终端的快速跟踪调整能力提出了较高的要求。而且，当切换过于频繁时，信令开销将