SpaceX 可能永遠不會揭露的Starlink 信息

信息來源自medium，略有修改，作者Mike Puchol

我啟動starlink.sx已經有18個月了，這是一個個人項目，主要目的是增進我對SpaceX的Starlink工作方式的理解，以及如何將其應用於肯尼亞這樣的環境。在肯尼亞，我的初創公司Poa Internet使用固定無線接入(FWA)為貧困社區提供負擔得起的寬帶。鑑於非洲大部分地區普遍缺乏良好的光纖基礎設施，使用Starlink作為FWA分配的回程方法似乎是可行的。

雖然根據我的Loon追踪器，我預計這是一個2-3個月的短期項目，但我很快就發現，將一個近地軌道(LEO)非地球靜止軌道(NGSO)星座投入運行涉及的知識很多，不僅僅是航空航天工程、軌道力學或無線通信，還有法律、金融和監管等方面的知識。我在經歷一場狂野之旅。

今天，我發布了該網站的2.0版本，首次嘗試模擬選定國家的潛在服務能力。

以下是關於這個初始版本的主要注意事項。其中一些可能會在未來的更新中被解決，另一些則會保留，因為它們依賴於非公開信息，而SpaceX可能永遠不會披露這些信息。

• 我明確不授權任何組織或實體引用這篇文章，或通過模擬獲得的結果，以將其納入任何管轄範圍內的任何監管機構的文件中。

• 模擬的目的是了解不同的技術(我將在下面描述)如何影響服務交付的潛力。本文並不打算就Starlink目前提供的實際服務潛力或其未來變化的潛力(無論是好是壞)提供意見。

• 與現實相比，有些結果會非常樂觀，有些則非常悲觀。

• 該模擬只關注下行鏈路的容量。

• 運行單個快照所需的計算可能會非常巨大，佔用計算機相當多的CPU資源，並將長時間鎖定瀏覽器。

簡單介紹一下Starlink的能力

為了模擬Starlink星座的能力和服務潛力，我們需要了解衛星和地面部分的能力。下面是系統組件的簡化圖。

從客戶端開始，Starlink提供用戶終端(UT)，它通常被稱為Dishy，是帶有機械方位/仰角調整電機的電子操縱天線(ESA)。 UT使用相控陣技術在Ku波段(12-14 GHz)形成一個發射(上行)和接收(下行)波束，聚焦在向其所在的基站提供服務的衛星上。為了分割管區，Starlink使用Uber的H3六邊形基站系統，你可以在這裡看到它的運行情況。反過來，衛星也使用ESA將點波束投射到基站上，並使用兩個拋物Ka波段(27-40 GHz)萬向天線將流量傳遞到網關(GW)。每個網關站點通常具有9個天線，分別為3x3、4x5或1x9配置。

八根天線處於活動狀態，1根作為備用天線。因此，一個網關可以完全服務於四顆衛星。這些網關依次通過大容量光纖連接到存在點(POP)，流量在這裡被傳遞給互聯網主幹。

衛星容量

從FCC文件、AMAs和其他文章等公開的信息中，我們知道每顆衛星在Ku波段具有四個ESA，一個用於上行，三個用於下行，每個天線能夠以兩種極化(RHCP/ LHCP)投射8個波束，總共有48個下行波束和16個上行波束。這導致了75/25的下行鏈路/上行鏈路分割率。 Starlink在Ku波段的最大可用帶寬是8x 250 MHz的下行信道(總2 GHz)，和8x 62.5 MHz的上行信道(總500 MHz)。

網關容量

當連接到網關時，兩個Ka波段拋物面天線組合起來可以提供約20 Gbps的吞吐量。每個網關天線在上行鏈路上最大可提供4x 500 MHz的信道(總2 GHz)，下行鏈路上最大可提供5x 250 MHz的信道(總1.25 GHz)。

衛星間光學鏈路(ISL)

自2021年6月的1.5版本，Starlink衛星最近增加了一項衛星間光學鏈路功能。每顆衛星都有三個光學頭，使用紅外激光與同一平面的其他衛星通信，也可以跨平面進行通信，如下圖所示。

在上述情況下，一顆衛星與一個網關相連。其餘的衛星沒有直接的網關連接，而是使用平面內和跨平面的ISL來中繼通信，因此能夠為原本不在覆蓋範圍內的UT服務。 Starlink發布了一張ISL正面的圖片：

注意：ISL不是萬能的，你仍然需要在某個地方卸載流量。因此，如果一架載有20顆衛星的單機共享一個網關，那麼每顆衛星的平衡容量將是一顆獨立衛星的5%。

預測：星鍊和其他大型NGSO星座最終將不得不遷移到光學網關，以提供所需的容量Ka和V/E波段的可用頻譜有限，而兆赫的差距正在逼近。

約束和限制

監管機構施加了一些限制，降低了Starlink系統可以提供的服務水平。

頻率復用和同頻點波束

任何向地球發射射頻能量的衛星都必須遵守主要由國際電聯規定的在地面上接收到的功率限制，這以等效功率通量密度(EPFD)來衡量。足跡重疊並共享相同頻率的光束的功率是相加的，因此，為了遵守限制，必須降低每個光束的發射功率。 Starlink被迫使用Nco=1(單個基站上只有一個同頻光束)，這實際上意味著只有8個點光束可以同時投射到單個基站上，而同頻光束不能重疊。這對頻率重複使用和系統容量有相當大的影響。

注意：目前的模擬沒有考慮到Nco=1，因為計算的複雜性將大大增加。可以假設Starlink的調度器將確保這些限制得到執行。

網關頻譜可用性

在某些地區，由於其他被許可人的優先使用，網關可用的Ka波段頻譜減少到了一半。這實際上是將這些網關中的每一個能夠提供給連接衛星的吞吐量減半。本模擬確實考慮到了這個問題，並將修正後的可用吞吐量應用到了連接的衛星上——這些衛星的數據可以從監管機構公開獲得。否則，網關將被假定具有全部容量。

GSO保護

擁有地球靜止同步軌道（GEO）衛星的地球同步軌道（GSO）運營商沒有能力移動其衛星以避免內聯事件，這可能對衛星電視等客戶造成乾擾，因為他們與Starlink共享相同的Ku波段頻譜片。因此，他們被給予優先保護，以防NGSO運營商與GSO頻段一致時停止發射。提供的保護量與波束寬度、發射功率水平和其他因素有關，在Starlink的情況下，一開始是±16º，但最近降低到了±10º，這導致可提供服務的區域迅速增加。

一個簡單的容量模擬嘗試

如果我們對Starlink星座的容量做一個簡單的觀察，我們就會知道每顆衛星都有一個直徑約1800公里的足跡，48個下行鏈路的點狀波束，以及相應的網關回程。在一顆衛星的視場(FOR)下大約有10,000個大小為5的H3基站。 (隨高度變化)。在下圖中，受GSO保護影響的基站被顯示為空白，只剩下大約8000個基站。

我們馬上就會問，一顆擁有48個下行波束的衛星怎麼可能為8,000個基站提供服務——它需要分裂約20 Gbps的容量，導致每個基站只有2.5 Mbps的速度，假設它可以如此快速地移動波束。最直接的答案是衛星重疊，這可能導致一個基站在任何時候都處於12-14顆衛星的範圍內。讓我們看看每個基站1個波束的模擬，將100%的時間用於該基站，會是什麼樣

灰色的格子代表那些根本沒有得到任何服務的基站。那些得到衛星資源任務的基站，根據他們得到的平均容量的高低，陰影從綠色到紅色。黃色意味著該基站得到的容量正好是所有已服務基站的平均容量。如果我們放大，我們可以看到這兩顆衛星分別服務於48個基站，波束容量為417 Mbps：

原則上，任何被服務的基站都應該是黃色的，因為衛星完全為每個基站都提供了一個點狀波束——為什麼有些基站是紅色的呢？提供這些服務的衛星沒有直接的網關鏈接，而是通過ISL鏈接：

在這些情況下，模擬器假定衛星具有完全網關覆蓋下的正常容量的10%。因此，每個基站只接收42 Mbps，遠低於平均水平，因此是紅色的。

最終的結果有些令人沮喪：

在近37000個基站中，我們只能為6K，即總數的16%提供服務。

注意：無論我們做什麼，阿拉斯加的許多基站都沒有被覆蓋，原因是在高傾角的外殼上缺乏衛星密度。我們還不能實現對美國模擬的100%的基站覆蓋。

在這個過程中，我們使用了131顆衛星和5992個點波束。從所用衛星的理論總容量來看，我們使用了99%，即2.3 Tbps。一個基站能達到的最大容量是700 Mbps (250 MHz信道)，平均幾乎是380 Mbps。在每個UT 5 Mbps的承諾信息速率(CIR)下，我們可以服務超過450k個終端，即每個基站75個終端。

資源分配機制

為了克服為每個基站分配單個點波束的局限性，並且能夠用相同數量的衛星覆蓋更多的基站，我們可以引入各種方法。其中一些，例如頻分複用(FDM)在本文中沒有討論，因為它們不允許增加覆蓋的基站數。

時分多路復用(TDM)

TDM在傳統衛星工業中也被稱為“波束跳躍”，它允許波束在一個基站上執行一段時間的任務，然後在另一個基站上執行另一段時間的任務，以此類推。每個時隙的持續時間乘以信道容量定義了每個基站分配的容量。以這種方式分配資源就產生了時分多址(Time Division Multiple Access, TDMA)，這是一種通過在時域上進行分片，讓多個實體共享一個公共資源的方法。例如，如果一個700mbps的點波束分配給每個基站10%的時間，它可以服務10個小基站，每個基站70 Mbps。

光束傳播

Starlink最低點的點波束的輪廓幾乎是圓形的，只覆蓋了一個H3基站。當你引導光束遠離最低點時，輪廓變得更加橢圓。你可以嘗試用手電筒從不同的角度照在牆上：

在六邊形基站格上繪製，這些模式看起來像這樣：

波束A只覆蓋一個基站，而波束B在遠離最低點時變得高橢圓，並覆蓋了主基站，但也覆蓋四個附加基站。

從技術上講，點波束輪廓內的所有UT都有足夠的鏈路預算來與衛星通信，因此“分佈”在5個基站中的波束能夠為其中任何一個基站的UT提供服務。然而，資源調度器可以決定在波束的FOR內，哪些基站將允許服務，並拒絕訪問其餘的基站，從而限制了通過波束的過度擴展對CIR的損害。在最大的轉向角度下，一個波束可以覆蓋30個基站-我們的700 Mbps波束平均只能為每個基站分配約23 Mbps。

需求預測

在監管機構允許使用動態地面站(ESIM)之前，UT必須處於靜止狀態才能接收服務。儘管早期測試顯示動態使用是有效的，但SpaceX在最近的固件更新中禁用了這一功能。如果將UT分配給一個特定的基站，並且有一小部分能夠使用RV服務進行漫遊，那麼調度器就可以相對容易地確定為了實現CIR必須向哪個基站分配多少容量。 Burning Man這樣的特定事件可能會導致大量RV用戶突然出現在一個意想不到的位置，但調度器會檢測到這一點，並增加分配給該區域的資源。模擬器通過使用人口密度作為UT密度的代理來解決這個問題。利用Kontur的出色工作和他們的全球人口密度，我將數據集匯總到5個H3基站中，並把每個基站的人口暴露在模擬中。我們可以選擇從每基站1人到無限密度的任何地方，以調整候選基站的數量。如果我們將模擬調整為只覆蓋包含1到1000人的基站，即那些人口最稀少的基站，我們將只需要覆蓋大約16000個基站：

最“空白”的地方是顯而易見的。雖然我們已經將候選基站的數量減少了2萬個，但剩餘的基站是聚集在一起的，而且大多數基站(67%)仍然沒有服務。增加衛星密度將明顯改善情況——我們必須記住，完整的Gen1星座包括4400顆衛星，而目前只有大約2000顆在運行。

注意：到目前為止，我們只給每個基站分配了一個波束，而我們確定每個基站至少有一個主波束和一個備用波束，如果需要的話，可能還會有更多。

複雜模擬

我們可以使用上面描述的方法來查看它們對容量和服務覆蓋範圍的影響。讓我們一步一步來。

僅使用TDM進行模擬

如果我們再次對所有基站進行第一次模擬，但分配了25%的TDM分割(因此，因此，每個基站獲得25%的波束容量)，並且每個基站有兩個波束，則結果會大不相同：

我們現在能夠覆蓋35%的基站，而不是16%，仍然能夠以5 Mbps的CIR為接近46萬個UT提供服務，並使用98%的衛星容量。然而，平均基站容量從約380 Mbps下降到約180 Mbps。放大來看，我們可以看到兩個衛星的兩個專用波束是如何為一個特定的基站提供服務的，每個波束貢獻了104 Mbps的容量：

如果我們將TDM分割率增加到10%，我們可以覆蓋71%的基站，每個基站87 Mbps，並且仍然可以服務相同數量的UT，使用的總容量相同：

僅使用波束擴散進行模擬

如果我們將每個基站的佔空比恢復到100%，但使波束擴散到5個基站，我們將服務的將基站增加到41%，同時使用95%的衛星容量，並再次為約46萬UT提供服務。從邏輯上講，每個基站的平均容量已經下降到約153 Mbps。

如果我們將波束擴散增加到10個基站，我們將覆蓋的基站增加到52%，代價是衛星容量使用率降低，平均基站容量約113 Mbps。

下面的基站由一個主波束(綠色)提供208 Mbps的容量，和一個“piece of 10”波束(粉紅色)提供60 Mpbs的容量。

與TDM一樣，如果我們把刻度撥到11，並允許無限的波束傳播，我們可以以85 Mbps服務62%的基站，但我們的總體使用容量將下降到1.9 Tbps，即89%，且我們只能為約38.8萬UT提供服務。

如果我們不得不選擇一種方法的話，似乎TDM是贏家，因為我們在波束擴散時損失了近16%的UT。

結合TDM和波束擴散進行模擬

通常情況下，答案可能介於兩者之間。讓我們從50%的TDM和和5個基站的波束擴散開始，看看會發生什麼：

確實處於中間位置，但不是我們預期的那樣。我們以88 Mbps的速度覆蓋了67%的基站，並利用92%的容量為約43萬個UT提供服務。

你現在可能會問自己：“為什麼被覆蓋的基站如此密集？”答案是一個額外的模擬設置：接近最低點的基站格優先於最大傾斜的基站格。在迄今為止的所有模擬中，我們都使用了最低點優先級，這意味著模擬器將把資源分配給接近衛星最低點的基站，並向外移動。通過將優先級更改為最大傾斜，這個過程從衛星覆蓋邊緣的基站開始。如果你還記得前面的兩個點光束的圖表，轉向角度和傾斜範圍越大，光束FOR就越橢圓，它覆蓋的基站就越多。

注意：即使我們允許無限的光束擴散，當光束接近最低點時，FOR最多只能擴散到2-3個基站。為了看到光束擴散的真正效果，請優先考慮最大傾斜。

讓我們以最大傾斜優先級重新運行模擬：

多麼大的變化！ 74%的基站被覆蓋，使用94%的容量，每個基站75 Mbps，約41.2萬UT被服務，每個基站15 UT。如果我們將波束擴散增加到無限，我們就能覆蓋幾乎所有的基站，但基站吞吐量會下降到49 Mpbs，服務的UT下降到約31萬。

你可能還注意到，我們現在只使用了85%的衛星容量，在105顆衛星上使用了3632個波束，即每顆衛星約35個波束。以每顆衛星為基礎，我們“浪費”了13個點波束。對此我們能做些什麼呢？讓我們試著將每個基站的波束數量增加到6個，並將TDM設置為25%：

我們覆蓋了87%的基站，平均速率為71 Mbps，並為約45萬個UT提供服務，同時使用了87%的衛星容量。

調整人口密度

一個H3基站的平均表面積為252平方公里。根據Cartesian為光纖寬帶協會和農村寬帶協會準備的一份關於Starlink和RDOF的研究，Starlink贏得的RDOF的88.3%是農村地區，即人口密度低於500人/平方英里的地區。一平方英里等於2.59平方公里，所以一個農村基站的人口少於48650人。如果我們將模擬配置為忽略少於10人的基站和超過49000人的基站，保持所有其他設置不變，我們就能夠為相同數量的UT提供服務，但每個基站的平均速率更高，為84 Mbps。

一個有趣的模式開始出現。將以上結果與Starlink官方覆蓋地圖進行對比：

你注意到了南部和中西部的大部分地區顯示為“2023年擴展”，以及它如何與我們最新模擬運行的結果相匹配？造成這種情況的主要原因不是衛星密度——你可以在一天中的任何時間運行模擬並得到相同的結果——而是該地區的許多網關以50%的容量運行，這是由於先前的許可方優先使用頻譜。 SpaceX要解決這個問題的唯一選擇是增加服務於該地區的網關數量，轉移到V/E波段等其他頻譜，或者在空間到地面段採用光學技術。

容量模擬器解釋

模擬設置

點擊工具欄中的“容量模擬”圖標，會彈出模擬設置窗口：

在選擇國家時，如果其中包含的基站數有可能導致長時間的模擬運行，你將會收到警告。根據其他設置的不同，處理這些設置可能需要一分鐘以上的時間。你分配的資源越多，例如更高的TDM分割，或更寬的波束分佈，所需的計算就越多。

• 繪製點波束鏈接：在每個衛星與其覆蓋的主基站之間顯示一條綠色細線。當使用TDM時，它將顯示與TDM分配一樣多的波束，例如在10%的情況下，每顆衛星投射480條線路。

• 模擬模式：優先級最低點將開始向覆蓋邊緣的衛星子點（最大斜度）分配資源。

• 波束擴散：波束FOR中可以擴散的基站數。無論FOR中有多少個基站，都將無限擴散。

• 每個UT的供應率：設置CIR，CIR反過來用於計算有多少UT可以得到服務。

• 可用的250 MHz信道：此設置尚未實施，對模擬器沒有影響。

• 每個基站的TDM分配：在時域中分割每個波束的次數。 50%相當於50/50分割。

• 每個基站的波束數：每個基站分配的最大波束數。模擬器將嘗試達到這個值，但一旦衛星的容量耗盡，基站將使用更少的波束，這反映在最終結果中。

• 基站人口範圍：可以在無人和無限之間設置，以限制模擬中使用的基站數量。

模擬結果探討

首先要討論的是模擬統計：

在模擬運行之後，我們將看到使用了多少個基站，多少個基站至少被一個波束覆蓋，使用了多少衛星資源，以及總共分配了多少點波束。

下一行顯示的是使用的總容量，通過將每個分配的波束相加，並根據使用的衛星數量和各自的容量相加得出理論最大容量的百分比。最大基站容量是基於設置的單個基站可以接收的理論最大值，以及被服務的所有基站的最終平均容量。終端數量為總容量除以配置的CIR。

如果我們放大到足夠近，單個基站的邊緣會顯示出來，工具提示會顯示分配的波束數量、基站容量和人口：

如果我們點擊任何一個基站，我們可以看到波束對整個基站容量的貢獻，以及這來自哪些衛星。綠線表示主波束分配，粉線顯示從另一個波束分配到該基站的情況：

當基站由ISL衛星提供服務時，波束容量會減少到正常情況下的10%。如果我們放大到阿留申群島，我們可以看到一個基站是如何由三顆ISL衛星提供服務的，每顆衛星都向基站提供了多個波束：

導出模擬數據

一旦模擬生成後，你可以使用export按鈕以CSV格式導出數據。你將收到一個按人口數和每個基站模擬數據排序的包含所有基站的文件：

其他有趣的模擬

巴西

這與Starlink的覆蓋圖不太匹配，這可能是由於某些網關還沒有運行：

通過關閉網關(右鍵單擊，然後選擇“禁用”)，我們可以模擬對潛在容量的影響：

肯尼亞

僅使用ISL衛星，就可以使用兩顆衛星的全部容量，以5Mbps的速度為1200個UT提供服務。只有65%的基站可以被覆蓋。

已知的問題

• 似乎澳大利亞的基站沒有正確的預計算，所以目前模擬在那裡不起作用。

• 模擬器有時可能不會生成結果，在這種情況下，需要重新加載頁面。

• 每次模擬運行都是同步的，因此會將瀏覽器鎖定較長時間，導致在某些瀏覽器中出現“等待或退出”警告。在這些情況下，點擊“等待”是安全的。更改“常規設置”中的“模擬暫停”計時器，以給點擊暫停按鈕或更改其他設置留出喘息空間。

• 這是第一個版本，預計會有其他問題和錯誤