作者 | 刘帅军、徐帆江、刘立祥、王大鹏
单位 | 中国科学院软件研究所，天基综合信息系统重点实验室
一、 概述
2020年6月13日，SpaceX公司发射第9批共计58颗代号为Starlink 8的卫星，（不含早起发射的两颗试验星）在轨卫星共计538颗。尽管此后的一个多月内都未能实现再次发射，然而从最近公开诸多关于用户终端的消息便可看出，Starlink卫星网络的内测服务正在如火如荼开展。当前星座的服务能力如何？终端可达速率多大？将是Starlink内测/公测的重要方面，本文以Starlink星地链路为分析研究对象，重点关注如下两点：
（1）Starlink星地用户链路的性能分析，在结合星载4副相控阵天线、用户终端天线、频率/带宽/传输损耗等因素下，分析了终端的传输速率。
（2）Starlink星地用户链路的动态特性及切换性能，以当前在轨538颗卫星和预期第一阶段1584星为场景，分析终端与卫星间用户链路的指向变化、不同切换机制下的性能。
后文内容安排如下：第二部分介绍Starlink卫星、终端硬件结构，重点对两侧天线进行介绍；第三部分首先分析星地链路传输速率，其次分析星地链路动态性及切换机制影响；第四部分对本文进行了总结。
二、Starlink卫星及终端介绍
Starlink系统作为卫星互联网，网络主要节点包括卫星、关口站和终端，至于这张卫星互联网如何为终端提供服务、能提供什么质量的服务（容量、时延等），我们已在前述文章对此进行了讨论。区别于前述对整网容量、时延、覆盖等性能评估，本节重点讨论Starlink单星、终端侧的天线，并介绍Starlink公布的相控阵方案。
2.1卫星侧天线
Starlink当前已发射9个批次共计538颗卫星（不含2018年2月发射的两颗试验星），除却第1次发射的V0.9 Demo版本，第2~9次发射的均为V1.0正式版本。根据资料，Demo版本Starlink卫星仅配备了星载Ku相控阵天线，而正式版本中在Ku基础上增加了Ka天线。
关于Starlink星载天线的资料，当前所能知道的并不多，而能确定的有如下三点：1-采用了星上相控阵天线，且为4副平板相控阵；2-相控阵天线支持对地Ku、Ka频率；3-在其申请的一份专利US20180241122透露的一些相控阵天线工作机理（部分文献中提出该专利是终端侧相控阵天线方案，至于星上能否用这套方案，我们会继续跟进也欢迎学者不吝赐教）。至于该4副相控阵天线具体平板尺寸大小、阵元个数及排列方式、可形成Ku/Ka波束个数及形状等内容，我们不得而知。尽管如此，我们通过对Starlink卫星硬件构造及4副相控阵平板进行了推敲，将一些基本事实和猜想也跟大家分享。
Starlink单星及相控阵平板相关尺寸如图1所示，图1左图即为Starlink单星平台图，可看出其主要包含4副相控阵平板天线、氪离子推进器、卫星跟踪装置、自动避撞系统及单翼太阳能帆板。
图1 Starlink单星及相控阵平板示意图
受限于猎鹰9 Block 5火箭整流罩的尺寸（高13.1米，直径5.2米），再结合一箭60星的Starlink堆叠方式，估算Starlink单星尺寸厚度在0.3~0.4米左右，长宽尺寸方面一种可行的方案为4米*1.7米，具体长宽数值可能有所取舍，可如图1右侧两图所示。
结合Starlink卫星长宽大概范围，我们估算4副相控阵平板天线尺寸大概为0.7米左右，后续如有更新材料我们再进一步核实。至于此4副天线是否相同，现在看来应该可以进一步分为3类，其中平板1和平板2相同。至于，哪些是Ku、Ka，哪些是用户侧、馈电侧，是否区分点波束、宽波束等疑问，现在尚不能给出定论。
2.2终端侧天线
作为面向全球服务的商用卫星互联网系统，终端侧性能、成本对于该服务能否“飞入寻常百姓家”至关重要。自2019.05.24第一批Starlink发射以来，关于用户终端的消息就陆续进入公众视野；近来，随着Starlink逐步开启系统测试，我们也得以了解了更多关于用户终端及天线的信息。基于SpaceX公布的信息，终端侧天线如图2所示：
图2 Starlink用户终端天线相关信息
关于此反映出的若干信息有如下几点：
（1）天线具有一个电机，具有自动的机械调整能力。需知，此电机调整仅有一个方向的机械调整能力，基本上可以确定的是此电机调整仅用于调整俯仰角，终端可根据自身所处的经纬度地理位置自动调整俯仰角（如终端具备GPS定位及预置星历信息下即可自行调整）。
（2）终端采用圆形平板天线，直径0.48米左右，且采用相控阵实现收发信号的自动跟踪，可参考公布专利US20180241122内容。
（3）卫星信号进一步可转化为Wifi信号，且支持2.4/5GHz双频段常用的802.11制式。不过，当前仅能做到Wifi5（802.11 ac），尚不支持Wifi6（802.11 ax）。终端在Wifi接入侧相关信息如图3所示：
图3 Starlink用户终端的Wifi接入功能参数相关信息
如图3所示，5GHz频段可支持802.11 ac，最大传输速率866.7Mbps，此速率在80MHz信道带宽和2x2传输模式下实现。至于尚不支持Wifi6，可以猜测是因为没必要去支持Wifi6，因为Starlink为每终端提供的星地用户侧速率有限，在采用常规802.11 ac时即可满足星地侧传输速率需求。后文将对Starlink星地用户链路传输速率进行分析，进一步验证此结论。
上述特点使得Starlink终端具备即插即用特性，极大降低了消费者尝试卫星互联网的使用门槛。在资费方面，先前公布的资料显示终端整体售价在200美元，月租80美元，与美国传统电信运营商如Verizon、T-Mobile、AT&T等月资费几十美元接近。
2.3相控阵天线工作机制
相控阵天线区别于传统透镜或反射镜等固定天线，可通过数字域或模拟域的调幅调相，实现更为灵活和精准的天线辐射模式。根据用途的不同，可分为：空间分集以对抗衰落，波束成形以匹配业务需求，空间复用以提升传输效率等。
在Starlink卫星相控阵平板天线中，主要采用波束成形技术，实现面向单星覆盖范围下给指定区域业务提供高增益波束。终端侧圆形平板相控阵天线，通过波束成形技术产生自动跟踪接入卫星的能力，且在多波束情况下可支持同时与多颗卫星连接，为终端在不同星间切换时的无缝通信做保障。
结合SpaceX公布相控阵天线工作机理，其使用模式可由如下图4所示：
图4 Starlink星载相控阵天线公布专利中实现机制
对收发端而言可采用同一套硬件平板结构，而在数字波束域进行不同信号处理。对于发送而言，可生成最多N个波束，即图中250-1到250-N所示，此N路信号经过相位控制因子、低噪放/功放、M个天线阵子完成收发。后续，将结合阵元排列、波束个数等做进一步分析。
三、Starlink星地链路协议探讨
3.1星地链路传输速率分析
针对Starlink系统用户链路进行分析，结合卫星在轨高度、端星仰角、收发天线增益、接收模式等内容，对终端传输速率进行分析，给出一种终端可达速率为822.5Mbps的典型示例。
Starlink系统用户侧传输频率主要采用Ku频段，卫星到终端的下行链路10.7-12.7GHz，总可用带宽2GHz，单载波带宽250MHz；终端到卫星的上行链路14.0-14.5GHz，总可用带宽500MHz，单载波带宽125MHz。系统下行带宽2GHz可同时支持最少8个波束，在采用不同极化方式、空间复用（充分发挥4副星载相控阵天线优势）等情况下，则又可进一步提升可用波束的个数。上下行总体分析方法一致，不失一般性，后文以用户链路下行为研究分析对象。
对于单终端而言，其最大传输速率在单波束信号完全为其服务时达到，端星仰角为25度时的传输速率为822.5Mbps（也就可以回答为什么仅采用802.11 ac而未做Wifi6的问题了），具体传输速率与仰角、链路质量等有关。如下给出在纽约当地，链路可用度99%情况下传输速率分析，如表1所示：
表1 Starlink用户链路下行链路预算与传输速率分析
参数
值
载频（注1）
11.7 GHz
带宽
250 MHz
EIRP（注2）
36.7 dBW
星地距离（25度仰角）
1123.4 km
自由空间损耗
174.8 dB
99%系统可用度雨衰（纽约当地）
2.4 dB
其他损耗（注3）
1 dB
终端天线直径
0.48 m
终端天线增益（注4）
32.8 dBi
系统噪声温度
300 K
接收端载噪比C/N
11.2 dB
接收模型（注2）
DVB-S2X
滚降因子
0.1
频谱效率
3.29 bps/Hz
传输速率
822.5 Mbps
注1：载频取Starlink系统用户链路下行的中心频率；
注2：参考Telesat、OneWeb及SpaceX三个全球宽带低轨卫星星座系统的技术对比；
注3：其他损耗主要考虑大气衰减、插入损耗等；
注4：天线效率取0.55
3.2星地链路动态性分析
Starlink作为低轨LEO星座网络，与高轨GEO卫星的对地静止不同，LEO卫星的在轨高速运动导致了星地链路动态变化、频繁切换问题。如前所述，Starlink用户终端采用具备机械调整能力的天线，前文中我们也指出此电机调整仅用于俯仰面，而终端对卫星的星地链路跟踪采用相控阵方案。本节目的在于分析星地链路动态性，以探究终端所需的跟踪调整能力，并对切换等移动性管理进行探讨。
为实现端星用户链路间高速传输速率需求，终端需对接入卫星实时跟踪，这使得星地链路的空间指向实时变化。对地面的用户终端而言，通常采用方位角、俯仰角来表示对卫星的空间指向，方位角定义为自正北顺时针旋转的角度，俯仰角定义为自水平面向上旋转的角度。星地用户链路方位角、俯仰角变化快慢如图5所示：
图5 Starlink星座纽约当地终端的用户链路动态变化率（左图方位角、右图俯仰角）
由图5可知，终端对Starlink卫星的跟踪随时间变化，且方位角变化率要远大于俯仰角，这主要是由于Starlink星座采用了53度倾斜轨道而导致。对终端而言，卫星更多表现为自西向东（或自东向西）的运动，相比而言俯仰角要小得多。方位角变化率最大为6.8 deg/s，也就是需要终端天线波束指向的动态跟踪能力支持6.8 deg/s。
在讨论完终端对星的跟踪后，一个重要的问题来了，什么问题呢？就是终端需要在不同星间切换的问题。
3.3星地链路动态切换性能分析
由于终端头顶的Starlink卫星可能不止1颗，且所有头顶的卫星均在高速运动，这就使得星地频繁切换。至于端星如何切换，不同策略下对系统性能和复杂度均有不同侧重。如：终端始终与头顶处最大仰角的卫星连接，优点是信号质量好传输速率高，缺点是过于频繁地星间切换；终端始终保持一个卫星连接直到不可用时再切换，优点是最小化切换频率，缺点则是信号质量较差可能影响传输速率。
在终端采用最佳仰角接入策略下，终端与Starlink卫星的切换较频繁。结合当前在轨538颗Starlink卫星分布（数据参考时间：2020.07.18-2000），位于纽约处的终端对Starlink卫星接入与切换如下图6所示：
图6 Starlink星座当前在轨卫星对纽约当地终端的服务情况（终端最佳仰角接入）
由图6可看出，当前Starlink卫星对纽约当地终端的接入服务仅能做到97.64%，尚未实现100%覆盖；单星对终端的平均服务时长为113 s，也意味着平均不到2 min就要切换至一颗新的卫星。中间的两张图分别为方位角俯仰角的变化，可看出在切换过程中会发生较大的空间指向变化。最底的图为终端对接入星的空间指向变化情况，在同一卫星服务期间空间指向变化很小，而在切换的时刻将发生非常大的空间指向变化，如空间上指向需支持近130 deg的调整。
作为对比，进一步分析最大接入时长策略下的切换性能。如图7所示：
图7 Starlink星座当前在轨卫星对纽约当地终端的服务情况（终端最大接入时长）
由图7可看出，在采用最大接入时长情况下，单星对终端的平均服务时长为169 s，也意味着平均3 min左右要切换至一颗新的卫星。与最佳仰角接入/切换策略相比，可大幅降低切换的频繁程度，切换次数可降低33%。然而，终端与卫星的仰角要小于最佳仰角策略时的值。
进一步，以第一阶段1584颗Starlink卫星为分析场景。在最大仰角接入策略下，由于空间段卫星数量的增大，可能不足1s就要发生切换；平均也是不足1 min（具体为58 s）就要发生切换。尽管此策略可提供最佳的传输质量，然而切换过于频繁，并非是较优的策略。况且SpaceX最终的目标是部署近42000颗卫星，如果仅采用最佳仰角接入策略，可能几十个毫秒就要发生端星切换，这是很难接受的。该1584卫星场景及最佳仰角策略下的仿真结果如图8所示：
图8 Starlink星座第一阶段1584卫星对纽约当地终端的服务情况（终端最佳仰角接入）
仍以第一阶段1584颗Starlink卫星为分析场景，在终端最大接入时长策略下，则可显著降低切换频繁程度。由原先平均不到1 min的切换频度，增加到平均3min才发生一次切换。具体如图9所示：
图9 Starlink星座第一阶段1584卫星对纽约当地终端的服务情况（终端最大接入时长）
四、总结与展望
以Starlink星地链路为分析研究对象，通过本文研究主要可得出如下四点结论：
（1）分析Starlink卫星、用户终端硬件结构及天线，星载相控阵平板天线在0.7*0.7米左右，终端相控阵圆形平板天线直径0.48米左右，终端电机调整能力仅用于单维（俯仰面）的调整。
（2）结合Starlink星地用户链路频率、带宽、传输损耗、物理层DVB-S2X协议等因素，分析了单终端的传输速率；以纽约当地终端为例，在系统可用度99%情况下，终端速率为822.5 Mbps，猜测该因素也是用户终端Wifi侧采用866.7 Mbps传输速率的主要原因。
（3）Starlink星地用户链路的动态特性及切换机制，当前在轨538颗卫星在最佳仰角和最大接入时长情况下，平均每2min、3min便需发生切换；而第一阶段1584卫星场景下，最佳仰角接入策略则变为不到1min便需切换，最大接入时长仍为3min左右。
（4）Starlink星地用户链路的频繁切换，需终端对卫星具备快速跟踪调整能力。一个较理想的方式为终端具备不少于2个波束，可同时跟踪对准不同卫星，从而实现频繁切换下的无缝通信服务。
4.2后续工作展望
在上述工作基础上，我们后续将在如下两方面开展工作：
（1）星地链路传输速率分析时是基于ETSI DVB-S2X物理层协议，而卫星5G融合趋势下，开展适用于星地链路的OFDM或其他波形、调制编码等物理层协议研究，是下一步工作重点。
（2）接入与切换考虑了接入星仰角和可服务时长，而切换过程中的信令交互、鉴权等机制如何去做，是下一步的研究重点。
主要参考：
1. UFO上插根棍子——Starlink（星链）的故事（第二期），https://mp.weixin.qq.com/s/fyBW_J8Ird0qE3a0dX_bSA
2. Statlink星座覆盖与时延分析，https://mp.weixin.qq.com/s/c7SePqN3CXnP2iNzMNYTQQ
3. Starlink星座容量分析，https://mp.weixin.qq.com/s/3JVZeWxWnDVYPvjH7sEA-g
4. 关于StarLink，我们需要知道的事，https://zhuanlan.zhihu.com/p/91352915
5. Telesat、OneWeb及SpaceX三个全球宽带低轨卫星星座系统的技术对比，https://mp.weixin.qq.com/s/SsMyk_oE-3V1oGObqeEYaA
6. Starlink终端通过FCC认证，来猜猜这个“飞碟”是个啥结构？https://mp.weixin.qq.com/s/twBO41x9ZRKhAP8OOnb2Zg
7. Starlink星链终端通过了FCC认证；家用版“星链”图片曝光https://mp.weixin.qq.com/s/jyak84FLeNM_v6YQQ2Ysiw
8. 一文看懂电磁波的波段命名，https://mp.weixin.qq.com/s/Y8yi4saA9MP_yVUMOxm3qQ
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