SpaceX 可能永远不会揭露的 Starlink 信息

信息来源自medium，略有修改，作者Mike Puchol

我启动starlink.sx已经有18个月了，这是一个个人项目，主要目的是增进我对SpaceX的Starlink工作方式的理解，以及如何将其应用于肯尼亚这样的环境。在肯尼亚，我的初创公司Poa Internet使用固定无线接入(FWA)为贫困社区提供负担得起的宽带。鉴于非洲大部分地区普遍缺乏良好的光纤基础设施，使用Starlink作为FWA分配的回程方法似乎是可行的。

虽然根据我的Loon追踪器，我预计这是一个2-3个月的短期项目，但我很快就发现，将一个近地轨道(LEO)非地球静止轨道(NGSO)星座投入运行涉及的知识很多，不仅仅是航空航天工程、轨道力学或无线通信，还有法律、金融和监管等方面的知识。我在经历一场狂野之旅。

今天，我发布了该网站的2.0版本，首次尝试模拟选定国家的潜在服务能力。

以下是关于这个初始版本的主要注意事项。其中一些可能会在未来的更新中被解决，另一些则会保留，因为它们依赖于非公开信息，而SpaceX可能永远不会披露这些信息。

• 我明确不授权任何组织或实体引用这篇文章，或通过模拟获得的结果，以将其纳入任何管辖范围内的任何监管机构的文件中。

• 模拟的目的是了解不同的技术(我将在下面描述)如何影响服务交付的潜力。本文并不打算就Starlink目前提供的实际服务潜力或其未来变化的潜力(无论是好是坏)提供意见。

• 与现实相比，有些结果会非常乐观，有些则非常悲观。

• 该模拟只关注下行链路的容量。

• 运行单个快照所需的计算可能会非常巨大，占用计算机相当多的CPU资源，并将长时间锁定浏览器。

简单介绍一下Starlink的能力

为了模拟Starlink星座的能力和服务潜力，我们需要了解卫星和地面部分的能力。下面是系统组件的简化图。

从客户端开始，Starlink提供用户终端(UT)，它通常被称为Dishy，是带有机械方位/仰角调整电机的电子操纵天线(ESA)。UT使用相控阵技术在Ku波段(12-14 GHz)形成一个发射(上行)和接收(下行)波束，聚焦在向其所在的基站提供服务的卫星上。为了分割管区，Starlink使用Uber的H3六边形基站系统，你可以在这里看到它的运行情况。反过来，卫星也使用ESA将点波束投射到基站上，并使用两个抛物Ka波段(27-40 GHz)万向天线将流量传递到网关(GW)。每个网关站点通常具有9个天线，分别为3x3、4x5或1x9配置。

八根天线处于活动状态，1根作为备用天线。因此，一个网关可以完全服务于四颗卫星。这些网关依次通过大容量光纤连接到存在点(POP)，流量在这里被传递给互联网主干。

卫星容量

从FCC文件、AMAs和其他文章等公开的信息中，我们知道每颗卫星在Ku波段具有四个ESA，一个用于上行，三个用于下行，每个天线能够以两种极化(RHCP/LHCP)投射8个波束，总共有48个下行波束和16个上行波束。这导致了75/25的下行链路/上行链路分割率。Starlink在Ku波段的最大可用带宽是8x 250 MHz的下行信道(总2 GHz)，和8x 62.5 MHz的上行信道(总500 MHz)。

网关容量

当连接到网关时，两个Ka波段抛物面天线组合起来可以提供约20 Gbps的吞吐量。每个网关天线在上行链路上最大可提供4x 500 MHz的信道(总2 GHz)，下行链路上最大可提供5x 250 MHz的信道(总1.25 GHz)。

卫星间光学链路(ISL)

自2021年6月的1.5版本，Starlink卫星最近增加了一项卫星间光学链路功能。每颗卫星都有三个光学头，使用红外激光与同一平面的其他卫星通信，也可以跨平面进行通信，如下图所示。

在上述情况下，一颗卫星与一个网关相连。其余的卫星没有直接的网关连接，而是使用平面内和跨平面的ISL来中继通信，因此能够为原本不在覆盖范围内的UT服务。Starlink发布了一张ISL正面的图片：

注意：ISL不是万能的，你仍然需要在某个地方卸载流量。因此，如果一架载有20颗卫星的单机共享一个网关，那么每颗卫星的平衡容量将是一颗独立卫星的5%。

预测：星链和其他大型NGSO星座最终将不得不迁移到光学网关，以提供所需的容量Ka和V/E波段的可用频谱有限，而兆赫的差距正在逼近。

约束和限制

监管机构施加了一些限制，降低了Starlink系统可以提供的服务水平。

频率复用和同频点波束

任何向地球发射射频能量的卫星都必须遵守主要由国际电联规定的在地面上接收到的功率限制，这以等效功率通量密度(EPFD)来衡量。足迹重叠并共享相同频率的光束的功率是相加的，因此，为了遵守限制，必须降低每个光束的发射功率。Starlink被迫使用Nco=1(单个基站上只有一个同频光束)，这实际上意味着只有8个点光束可以同时投射到单个基站上，而同频光束不能重叠。这对频率重复使用和系统容量有相当大的影响。

注意：目前的模拟没有考虑到Nco=1，因为计算的复杂性将大大增加。可以假设Starlink的调度器将确保这些限制得到执行。

网关频谱可用性

在某些地区，由于其他被许可人的优先使用，网关可用的Ka波段频谱减少到了一半。这实际上是将这些网关中的每一个能够提供给连接卫星的吞吐量减半。本模拟确实考虑到了这个问题，并将修正后的可用吞吐量应用到了连接的卫星上——这些卫星的数据可以从监管机构公开获得。否则，网关将被假定具有全部容量。

GSO保护

拥有地球静止同步轨道（GEO）卫星的地球同步轨道（GSO）运营商没有能力移动其卫星以避免内联事件，这可能对卫星电视等客户造成干扰，因为他们与Starlink共享相同的Ku波段频谱片。因此，他们被给予优先保护，以防NGSO运营商与GSO频段一致时停止发射。提供的保护量与波束宽度、发射功率水平和其他因素有关，在Starlink的情况下，一开始是±16º，但最近降低到了±10º，这导致可提供服务的区域迅速增加。

一个简单的容量模拟尝试

如果我们对Starlink星座的容量做一个简单的观察，我们就会知道每颗卫星都有一个直径约1800公里的足迹，48个下行链路的点状波束，以及相应的网关回程。在一颗卫星的视场(FOR)下大约有10,000个大小为5的H3基站。(随高度变化)。在下图中，受GSO保护影响的基站被显示为空白，只剩下大约8000个基站。

我们马上就会问，一颗拥有48个下行波束的卫星怎么可能为8,000个基站提供服务——它需要分裂约20 Gbps的容量，导致每个基站只有2.5 Mbps的速度，假设它可以如此快速地移动波束。最直接的答案是卫星重叠，这可能导致一个基站在任何时候都处于12-14颗卫星的范围内。让我们看看每个基站1个波束的模拟，将100%的时间用于该基站，会是什么样

灰色的格子代表那些根本没有得到任何服务的基站。那些得到卫星资源任务的基站，根据他们得到的平均容量的高低，阴影从绿色到红色。黄色意味着该基站得到的容量正好是所有已服务基站的平均容量。如果我们放大，我们可以看到这两颗卫星分别服务于48个基站，波束容量为417 Mbps：

原则上，任何被服务的基站都应该是黄色的，因为卫星完全为每个基站都提供了一个点状波束——为什么有些基站是红色的呢？提供这些服务的卫星没有直接的网关链接，而是通过ISL链接：

在这些情况下，模拟器假定卫星具有完全网关覆盖下的正常容量的10%。因此，每个基站只接收42 Mbps，远低于平均水平，因此是红色的。

最终的结果有些令人沮丧：

在近37000个基站中，我们只能为6K，即总数的16%提供服务。

注意：无论我们做什么，阿拉斯加的许多基站都没有被覆盖，原因是在高倾角的外壳上缺乏卫星密度。我们还不能实现对美国模拟的100%的基站覆盖。

在这个过程中，我们使用了131颗卫星和5992个点波束。从所用卫星的理论总容量来看，我们使用了99%，即2.3 Tbps。一个基站能达到的最大容量是700 Mbps (250 MHz信道)，平均几乎是380 Mbps。在每个UT 5 Mbps的承诺信息速率(CIR)下，我们可以服务超过450k个终端，即每个基站75个终端。

资源分配机制

为了克服为每个基站分配单个点波束的局限性，并且能够用相同数量的卫星覆盖更多的基站，我们可以引入各种方法。其中一些，例如频分复用(FDM)在本文中没有讨论，因为它们不允许增加覆盖的基站数。

时分多路复用(TDM)

TDM在传统卫星工业中也被称为“波束跳跃”，它允许波束在一个基站上执行一段时间的任务，然后在另一个基站上执行另一段时间的任务，以此类推。每个时隙的持续时间乘以信道容量定义了每个基站分配的容量。以这种方式分配资源就产生了时分多址(Time Division Multiple Access, TDMA)，这是一种通过在时域上进行分片，让多个实体共享一个公共资源的方法。例如，如果一个700mbps的点波束分配给每个基站10%的时间，它可以服务10个小基站，每个基站70 Mbps。

光束传播

Starlink最低点的点波束的轮廓几乎是圆形的，只覆盖了一个H3基站。当你引导光束远离最低点时，轮廓变得更加椭圆。你可以尝试用手电筒从不同的角度照在墙上：

在六边形基站格上绘制，这些模式看起来像这样：

波束A只覆盖一个基站，而波束B在远离最低点时变得高椭圆，并覆盖了主基站，但也覆盖四个附加基站。

从技术上讲，点波束轮廓内的所有UT都有足够的链路预算来与卫星通信，因此“分布”在5个基站中的波束能够为其中任何一个基站的UT提供服务。然而，资源调度器可以决定在波束的FOR内，哪些基站将允许服务，并拒绝访问其余的基站，从而限制了通过波束的过度扩展对CIR的损害。在最大的转向角度下，一个波束可以覆盖30个基站-我们的700 Mbps波束平均只能为每个基站分配约23 Mbps。

需求预测

在监管机构允许使用动态地面站(ESIM)之前，UT必须处于静止状态才能接收服务。尽管早期测试显示动态使用是有效的，但SpaceX在最近的固件更新中禁用了这一功能。如果将UT分配给一个特定的基站，并且有一小部分能够使用RV服务进行漫游，那么调度器就可以相对容易地确定为了实现CIR必须向哪个基站分配多少容量。Burning Man这样的特定事件可能会导致大量RV用户突然出现在一个意想不到的位置，但调度器会检测到这一点，并增加分配给该区域的资源。模拟器通过使用人口密度作为UT密度的代理来解决这个问题。利用Kontur的出色工作和他们的全球人口密度，我将数据集汇总到5个H3基站中，并把每个基站的人口暴露在模拟中。我们可以选择从每基站1人到无限密度的任何地方，以调整候选基站的数量。如果我们将模拟调整为只覆盖包含1到1000人的基站，即那些人口最稀少的基站，我们将只需要覆盖大约16000个基站：

最“空白”的地方是显而易见的。虽然我们已经将候选基站的数量减少了2万个，但剩余的基站是聚集在一起的，而且大多数基站(67%)仍然没有服务。增加卫星密度将明显改善情况——我们必须记住，完整的Gen1星座包括4400颗卫星，而目前只有大约2000颗在运行。

注意：到目前为止，我们只给每个基站分配了一个波束，而我们确定每个基站至少有一个主波束和一个备用波束，如果需要的话，可能还会有更多。

复杂模拟

我们可以使用上面描述的方法来查看它们对容量和服务覆盖范围的影响。让我们一步一步来。

仅使用TDM进行模拟

如果我们再次对所有基站进行第一次模拟，但分配了25%的TDM分割(因此，因此，每个基站获得25%的波束容量)，并且每个基站有两个波束，则结果会大不相同：

我们现在能够覆盖35%的基站，而不是16%，仍然能够以5 Mbps的CIR为接近46万个UT提供服务，并使用98%的卫星容量。然而，平均基站容量从约380 Mbps下降到约180 Mbps。放大来看，我们可以看到两个卫星的两个专用波束是如何为一个特定的基站提供服务的，每个波束贡献了104 Mbps的容量：

如果我们将TDM分割率增加到10%，我们可以覆盖71%的基站，每个基站87 Mbps，并且仍然可以服务相同数量的UT，使用的总容量相同：

仅使用波束扩散进行模拟

如果我们将每个基站的占空比恢复到100%，但使波束扩散到5个基站，我们将服务的将基站增加到41%，同时使用95%的卫星容量，并再次为约46万UT提供服务。从逻辑上讲，每个基站的平均容量已经下降到约153 Mbps。

如果我们将波束扩散增加到10个基站，我们将覆盖的基站增加到52%，代价是卫星容量使用率降低，平均基站容量约113 Mbps。

下面的基站由一个主波束(绿色)提供208 Mbps的容量，和一个“piece of 10”波束(粉红色)提供60 Mpbs的容量。

与TDM一样，如果我们把刻度拨到11，并允许无限的波束传播，我们可以以85 Mbps服务62%的基站，但我们的总体使用容量将下降到1.9 Tbps，即89%，且我们只能为约38.8万 UT提供服务。

如果我们不得不选择一种方法的话，似乎TDM是赢家，因为我们在波束扩散时损失了近16%的UT。

结合TDM和波束扩散进行模拟

通常情况下，答案可能介于两者之间。让我们从50%的TDM和和5个基站的波束扩散开始，看看会发生什么：

确实处于中间位置，但不是我们预期的那样。我们以88 Mbps的速度覆盖了67%的基站，并利用92%的容量为约43万个UT提供服务。

你现在可能会问自己：“为什么被覆盖的基站如此密集？”答案是一个额外的模拟设置：接近最低点的基站格优先于最大倾斜的基站格。在迄今为止的所有模拟中，我们都使用了最低点优先级，这意味着模拟器将把资源分配给接近卫星最低点的基站，并向外移动。通过将优先级更改为最大倾斜，这个过程从卫星覆盖边缘的基站开始。如果你还记得前面的两个点光束的图表，转向角度和倾斜范围越大，光束FOR就越椭圆，它覆盖的基站就越多。

注意：即使我们允许无限的光束扩散，当光束接近最低点时，FOR最多只能扩散到2-3个基站。为了看到光束扩散的真正效果，请优先考虑最大倾斜。

让我们以最大倾斜优先级重新运行模拟：

多么大的变化！74%的基站被覆盖，使用94%的容量，每个基站75 Mbps，约41.2万 UT被服务，每个基站15 UT。如果我们将波束扩散增加到无限，我们就能覆盖几乎所有的基站，但基站吞吐量会下降到49 Mpbs，服务的UT下降到约31万。

你可能还注意到，我们现在只使用了85%的卫星容量，在105颗卫星上使用了3632个波束，即每颗卫星约35个波束。以每颗卫星为基础，我们“浪费”了13个点波束。对此我们能做些什么呢？让我们试着将每个基站的波束数量增加到6个，并将TDM设置为25%：

我们覆盖了87%的基站，平均速率为71 Mbps，并为约45万个UT提供服务，同时使用了87%的卫星容量。

调整人口密度

一个H3基站的平均表面积为252平方公里。根据Cartesian为光纤宽带协会和农村宽带协会准备的一份关于Starlink和RDOF的研究，Starlink赢得的RDOF的88.3%是农村地区，即人口密度低于500人/平方英里的地区。一平方英里等于2.59平方公里，所以一个农村基站的人口少于48650人。如果我们将模拟配置为忽略少于10人的基站和超过49000人的基站，保持所有其他设置不变，我们就能够为相同数量的UT提供服务，但每个基站的平均速率更高，为84 Mbps。

一个有趣的模式开始出现。将以上结果与Starlink官方覆盖地图进行对比：

你注意到了南部和中西部的大部分地区显示为“2023年扩展”，以及它如何与我们最新模拟运行的结果相匹配？造成这种情况的主要原因不是卫星密度——你可以在一天中的任何时间运行模拟并得到相同的结果——而是该地区的许多网关以50%的容量运行，这是由于先前的许可方优先使用频谱。SpaceX要解决这个问题的唯一选择是增加服务于该地区的网关数量，转移到V/E波段等其他频谱，或者在空间到地面段采用光学技术。

容量模拟器解释

模拟设置

点击工具栏中的“容量模拟”图标，会弹出模拟设置窗口：

在选择国家时，如果其中包含的基站数有可能导致长时间的模拟运行，你将会收到警告。根据其他设置的不同，处理这些设置可能需要一分钟以上的时间。你分配的资源越多，例如更高的TDM分割，或更宽的波束分布，所需的计算就越多。

• 绘制点波束链接：在每个卫星与其覆盖的主基站之间显示一条绿色细线。当使用TDM时，它将显示与TDM分配一样多的波束，例如在10%的情况下，每颗卫星投射480条线路。

• 模拟模式：优先级最低点将开始向覆盖边缘的卫星子点（最大斜度）分配资源。

• 波束扩散：波束FOR中可以扩散的基站数。无论FOR中有多少个基站，都将无限扩散。

• 每个UT的供应率：设置CIR，CIR反过来用于计算有多少UT可以得到服务。

• 可用的250 MHz信道：此设置尚未实施，对模拟器没有影响。

• 每个基站的TDM分配：在时域中分割每个波束的次数。50%相当于50/50分割。

• 每个基站的波束数：每个基站分配的最大波束数。模拟器将尝试达到这个值，但一旦卫星的容量耗尽，基站将使用更少的波束，这反映在最终结果中。

• 基站人口范围：可以在无人和无限之间设置，以限制模拟中使用的基站数量。

模拟结果探讨

首先要讨论的是模拟统计：

在模拟运行之后，我们将看到使用了多少个基站，多少个基站至少被一个波束覆盖，使用了多少卫星资源，以及总共分配了多少点波束。

下一行显示的是使用的总容量，通过将每个分配的波束相加，并根据使用的卫星数量和各自的容量相加得出理论最大容量的百分比。最大基站容量是基于设置的单个基站可以接收的理论最大值，以及被服务的所有基站的最终平均容量。终端数量为总容量除以配置的CIR。

如果我们放大到足够近，单个基站的边缘会显示出来，工具提示会显示分配的波束数量、基站容量和人口：

如果我们点击任何一个基站，我们可以看到波束对整个基站容量的贡献，以及这来自哪些卫星。绿线表示主波束分配，粉线显示从另一个波束分配到该基站的情况：

当基站由ISL卫星提供服务时，波束容量会减少到正常情况下的10%。如果我们放大到阿留申群岛，我们可以看到一个基站是如何由三颗ISL卫星提供服务的，每颗卫星都向基站提供了多个波束：

导出模拟数据

一旦模拟生成后，你可以使用export按钮以CSV格式导出数据。你将收到一个按人口数和每个基站模拟数据排序的包含所有基站的文件：

其他有趣的模拟

巴西

这与Starlink的覆盖图不太匹配，这可能是由于某些网关还没有运行：

通过关闭网关(右键单击，然后选择“禁用”)，我们可以模拟对潜在容量的影响：

肯尼亚

仅使用ISL卫星，就可以使用两颗卫星的全部容量，以5Mbps的速度为1200个UT提供服务。只有65%的基站可以被覆盖。

已知的问题

• 似乎澳大利亚的基站没有正确的预计算，所以目前模拟在那里不起作用。

• 模拟器有时可能不会生成结果，在这种情况下，需要重新加载页面。

• 每次模拟运行都是同步的，因此会将浏览器锁定较长时间，导致在某些浏览器中出现“等待或退出”警告。在这些情况下，点击“等待”是安全的。更改“常规设置”中的“模拟暂停”计时器，以给点击暂停按钮或更改其他设置留出喘息空间。

• 这是第一个版本，预计会有其他问题和错误