Starlink星座系统测试及链路层协议探讨

2020-03-24刘帅军徐帆江刘立祥王大鹏凌腾

卫星与网络 2020年10期

+刘帅军徐帆江刘立祥王大鹏凌腾

（中国科学院软件研究所，天基综合信息系统重点实验室）

2020年10月24日晚23:31，第15批代号为Starlink 14的卫星发射升空，此时距离该星座上一次发射仅6天，同时也成就了一个星座18天内完成三次发射的壮举。在当时，距4月23日马斯克所说的“3个月内测，6个月公测”已半年多了，内测性能如何？公测是否启动？当前在轨卫星运行状态如何？公测阶段更大数量的终端接入将如何应对？带着这些问题，本文将对Starlink星座在轨状态、内测公测信息进行分析，并对链路层协议进行探讨。

一、Starlink星座最新状态跟进

1.在轨分布

截止2020年10月25日，SpaceX共进行了15次发射，其中，第9～11次是一箭58、57、58星，其余12个批次均为一箭60星。历次发射信息，如表1所示。

当前，Starlink在轨正常运行的720颗卫星如图1所示。

在表1所示893颗卫星中，尚有173颗卫星未能在图1中显示，这些卫星或是由于尚未公布TLE数据，或是由于已失效，具体如下：

●120颗星尚未公布TLE卫星：第14、15批卫星由于新发射，尚未获得公开的TLE数据。

●5 3 颗星已失效：第1 批4 6 颗，第2、4、5、6、8 各1 颗（NORAD编号：44745、45055、45211、45363、45657），第3批2颗（NORAD编号：44948、44965）。测试版本则失效率达76.67%，正式版本失效率仅0.98%，所有卫星失效率为6.86%。

表1 Starlink卫星历次发射信息表

图1 Starlink正常运行卫星的在轨分布（截止2020年10月25日）

在轨正常运行卫星，在轨道高度与升交点赤经RAAN二维分布如图2所示。

从图2中可以看出，在轨卫星已较为均匀地分布在27个轨道面上。其中，第2～8批次各完成3个轨道面的部署，共计21个轨道面；第9～10批次各完成近2个面的部署，共计4个轨道面；第11～12批次卫星则仅完成1个轨道面部署，共计2个轨道面。

同一轨道面内卫星是否均匀分布，仿真分析结果如图3所示。

第2～8批卫星在同一轨道面内卫星的分布较为均匀，而第9～13批次卫星仍有扎堆现象，与图2中结论一致。

就卫星当前运行轨道高度而言，进入预定550km的卫星516颗，占比72%，各批次发射的卫星在轨高度如图4所示。

2.轨道爬升分析

对发射的共计13批次Starlink卫星自发射之日起至今（时间跨度：520.4天，约为1年5月5天）的轨道高度变化过程进行分析，结果如图5所示。

从图5中可以看出：

●星链系统的部署进度加快：由第1～2批次发射间隔171.5天，缩短至平均不到15天，再至最近一次间隔仅6天；

●第1批次测试版本Starlink卫星在221天、365天两个时间点开始下降，从下降轨迹推断系开展主动降轨测试；自440天开始，陆续约44颗卫星开始离轨而坠入大气层；

●正式版本卫星仍是分三组进行轨道爬升，三组爬升速度及间隔与前述文章分析时结论基本一致。

图2 Starlink卫星在轨高度及升交点赤经RAAN分布

图3 Starlink卫星轨道面内相位角及升交点赤经RAAN分布

图4 Starlink卫星在轨高度分批次统计

二、Starlink测试情况

关于Starlink系统内测和公测的消息，需要追溯到2020年4月23日马斯克发布的一条推特“内测将在约三个月后，公测约六个月后”，即7月23日内测、10月23日公测。然而，实际情况究竟如何呢？

1.Starlink内测

事实上，7月中旬星链官网内部测试信息泄露，而7月23日，星链商业销售副总裁Jonathan Hofeller公开表示，目前SpaceX员工的亲朋好友们正在对Starlink网络进行测试。

在内测阶段，关于Starlink测试性能基本都是来源于测试截图。我们主要参考reddit网、testmy.net网。其中，reddit网中对Starlink内测过程中的速率截图进行中整理工作，从大量测试截图中发现：

●最低Ping延迟：18 ms

●最大下载速率：203.74 Mbps

●最大上传速率：42.58 Mbps

详细结果如图6所示。

另据testmy.net网址对Starlink速率的统计，从近1000次测试结果来看，下载和上传速率最大为14 9.2Mbps、4 2.5Mbps，平均为42.4Mbps、11.7Mbps。详细的测试结果如图7、图8所示。

从内测性能来看，近一个月来的149.2Mbps峰值速率小于203.74Mbps历史峰值速率。可能的原因是，越来越多的北美用户申请加入了Starlink测试，而在轨卫星数量增长相对缓慢，这就使得卫星平均服务终端数量增多，峰值速率下降。

2.Starlink公测

10月2日马斯克在Twitter中回复了关于Starlink何时公测的问题，表示“将非常快了”。

图5 Starlink卫星自T0时刻轨道变化过程

图6 Reddit网关于Starlink测试速率的整理

据CNBC报道，10月26日，SpaceX公司发送给未指定数量用户的电子邮件，主要内容包括：

●Starlink卫星互联网服务的价格为每月99美元，而终端套件（含天线、WiFi路由器等）的预付价格为499美元；

●随着Starlink系统的不断增强，接下来的几个月中，数据速率可达50～150Mbps，延迟可达20～40 ms，然而也将有短暂的无法连接时间；

●收到电子邮件的人，需要在Starlink网站上填写表格，以提供潜在订户的联系方式和位置信息。

公布服务质量及售价，并向更大范围潜在用户群体发送邮件，标志着SpaceX对新兴互联网服务的公开Beta测试的启动。

需要说明的是，卫星数量增多及在轨更为均匀分布尽管提升了通信可靠性，然而也仅能做到98.8%通信可用性。这也就意味着，1天内大约17.3分钟是无法连接的，与SpaceX在群发邮件中指明“短暂无法连接”契合。

三、Starlink卫星链路层协议探讨

协议即规范，约定系统内部信息的流通和处理机制。随着Starlink系统公测的启动，将有更大数量的终端通过卫星提供服务，而卫星链路层协议正是面向单星下多终端连接的解决方案，包括如何支持多终端连接、数据可靠有序交付等内容。单星（/波束）同时为多个终端服务的示意图参见图9。

1.链路层功能与定位

图7 testmy.net网关于Starlink平均下载和上传速率统计

图8 testmy.net网关于Starlink最大下载和上传速率统计

链路层即数据链路层，定义了通过通信媒介互连的设备间传输的规范，如通过网线互连的计算机间传输采用的以太网协议、通过无线互连的基站-手机间传输采用的无线通信链路层协议（4G/5G等）。链路层在OSI参考模型中位于第二层，与上层网络层和下层物理层交互。根据通信介质是否共享可分为共享介质网络、非共享介质网络。前者如同基站与多个手机间的通信，也就需要多个终端间共享同一基站的无线通信链路资源；后者如同直接采用网线直连的两个计算机，通信对端的两个主机独占此有线链路资源。相比而言，共享介质网络要解决如何共享介质的问题，Starlink卫星系统采取此模式。

对共享介质链路层而言，链路层协议重点解决共享资源争用与调度（即媒体接入控制，MAC），具体为如下三点：

（1）传输对象标识的问题：由于存在多个终端（/主机）在同一链路上传输信号，收发端需具备身份识别能力，以确认该信息是否发给自己。

（2）传输格式定义的问题：两端需规范好以什么格式对传输信息进行规范，以及在此格式中至关重要的同步问题。

（3）传输差错控制的问题：共享介质中可能存在不当的争用方式，而导致传输信息碰撞，如同在一个道路上一旦有车辆不遵守交通规则，将可能导致多个车辆无法正常行驶。也就要求传输过程中出现差错时，可实现差错控制的机制。

2.例举链路层协议

以有线以太网和无线LTE协议的链路层为例，说明两个系统是如何解决上述三个问题的。

首先，需明确链路层传输格式的基本单元为“帧”，类似于网络层的基本传输单元“包”。以太网面向的是无数计算机相连组成的网络，LTE面向的是基站与多个终端相连组成的网络。从这个角度来看，以太网与LTE的MAC存在如下区别：以太网MAC面向多个对等实体间链路共享，而LTE MAC面向基站与多终端间的链路共享。

从以太网链路层帧结构可看出：前导码实现帧同步，供接收端能获得帧起始位置；首部实现目标与源地址，供接收端判断是否是发给自己的帧；帧校验和FCS提供差错控制。而LTE中帧结构可看出：主同步P-sch/辅同步S-sch实现帧同步，RNTI标识所传输的内容及对象，帧序号及重传机制等实现差错控制。

3.Starlink链路层协议探讨

当前Starlink在轨运行卫星720颗，任一时刻下美国区域内可见卫星有限，平均可见卫星55颗，相当于总数的7.6%。仿真如图10所示。

即便最终实现42000颗卫星的部署，同时在美国区域上空的卫星也仅为3192颗（=42000*7.6%），考虑单星16点波束的工作模式，则可提供最多5.1万个波束。而SpaceX当前测试阶段在北美地区的终端数就已申请100万个，以此估算，也需要每个波束为近20个终端服务。考虑到Starlink卫星的分阶段部署、终端数量的潜在增长需求，实际单波束服务终端数量将远大于此值。因此，链路层协议是必需且至关重要的，需重点考虑如下两个问题：

（1）共享资源如何切分的问题：为支持大量终端在共享无线资源上的复用问题，可通过细颗粒度、多维度的资源切割实现。即：通过更小带宽的频域信道（/更小时长的时域时隙等）实现一个帧内更多终端的调度，通过联合时频空等多域进行资源调度。更为精细的资源切割与调度，在支持终端数量和快速调度方面虽有优势，然而也为此需补偿额外的控制开销。为此，需合理设计链路层资源分割粒度。

图9 Starlink卫星多个终端间链路层调度共享示意图

（2）共享资源如何调度的问题：以太网协议中MAC机制都采用分布式协商机制，这是因为所有对端都是对等实体；而无线LTE中MAC都采用集中控制机制，即终端的收发行为都已被基站统一安排好。对Starlink系统而言，可以预见其将采用集中控制的资源调度机制，即多个终端在单星（/波束）内的传输调度将统一由网络决定。而如何实现统一调度，合理规划传输调度时频空资源将是设计的难点。