前沿 | Starlink星座容量分析
Starlink星座容量分析
文 | 刘帅军、徐帆江、刘立祥、范媛媛、王大鹏
（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6月4日，SpaceX公司发射第8批共计60颗代号为Starlink7的卫星，实现在轨卫星共计480颗。Starlink作为目前规模最大、发展最快、技术最变革的互联网星座，是我们长期跟进和研究的对象，“它山之石可以攻玉”，希望我们的研究可为我国低轨卫星互联网的建设和发展做一份贡献。
前述文章中我们已对Starlink星座在轨情况、覆盖及端到端时延进行了分析（《【最新】Statlink星座覆盖与时延分析》《【前沿】Starlink星座卫星在轨实时跟进与分析》），本次我们着重对Starlink星座网络容量进行分析。本文待回答如下两个问题：
如何评估星座容量
低轨星座网络所能提供容量应如何定量评估？应考虑哪些因素，这些因素又如何影响容量？
Starlink星座容量有多大
当前Starlink及第一阶段规划1584颗卫星能达到多大容量？系统容量的瓶颈在哪？
作为面向全球服务的卫星互联网系统，如何为潜在用户提供按需的接入服务，是Starlink星座建设的首要目的。卫星互联网的容量主要取决于两个方面，即“供给侧——网络能提供的容量”、“需求侧——市场（/用户）所需求的带宽”。
（1）对于供给侧而言，Starlink所能提供的容量需考虑两点：一是系统工作体制（取决于是纯透明转发，还是采用了星上路由交换）、二是链路能力（用户链路、星间链路、馈电链路传输速率）。
系统工作体制的差异决定了整个网络工作模式及业务流处理机制的不同，当前在轨420颗Starlink卫星还没有提供星间链路，（可认为）工作在透明转发模式；而根据其规划41927颗Starlink卫星的星链计划具备星间链路，此时系统则通过星上路由交换处理提供服务。整网所能提供的容量（以前向链路为例，可理解为用户终端从网络中接收的数据速率）为所有关口站的输出，同样等于所有用户终端的输入，这两种工作体制下网络所能提供的容量分析方法略有不同，流程如图1所示。
图1 透明转发与星上路由交换下的容量分析机制示意图
由图1可看出，对于透明转发卫星系统，用户终端从网络获取服务只能通过一跳的关口站；换言之，没有关口站部署的地方，即便有卫星也是无法提供服务的。相比而言，星上路由交换体制则不需要全球布设关口站，这是因为其可通过星间链路的星间/星地路由实现面向全球的互联网服务。至于网络所能提供的容量，则可理解为关口站处流量入口的总传输速率（T_IN），同样也等于所有用户终端流量出口的总传输速率（T_OUT）。显然，网络容量的大小严重依赖于工作体制、用户/星间/馈电链路能力。
供给侧仅能从理论上给出整网的容量上限，并非网络实际所能提供的容量值。比如Starlink所规划单星用户侧链路速率可达17-23Gbps（后文分析中暂取20Gbps），那么第一阶段1584颗星座就能提供20Gbps * 1584 = 31.68 Tbps，完整的41927颗卫星就能提供838.50Tbps，这样评估是否合理呢？答案是不够合理。原因在于，这1584颗（/41927颗）卫星在多数时间内会位于广袤的海洋上空，无法真正发挥单星20Gbps的作用。所以，实际网络容量评估时不仅需考虑网络能提供的，还必须考虑用户侧所需要的。这就是下面要讨论的需求侧业务建模问题。
（2）对于需求侧而言，则需要知道全球潜在的业务需求。业务需求的建模更多地需要考虑全球人口分布、经济发展、当地通信设施普及率、卫星通信渗透率等因素。我们此处暂且不讨论如何建立精准的业务需求模型，先基于全球人口分布该因素进行业务需求建模。
以2020年全球人口分布为基准、人均10Mbps传输速率、同时激活率为1%的场景为例，则全球总传输速率带宽需求：796.97Tbps。业务需求的全球分布如图2所示：
图2基于人口分布的全球业务需求量分布
全球业务需求量在纬度带上的分布如图3所示，可看出在北纬30度附近业务量需求最大。其中，北纬15-45度之间总业务需求为493.03Tbps，占全球总业务需求量的61.86%，这也是Starlink星座为什么采用倾斜轨道（53度倾角）而非极轨道的主要考虑，类似的还有Telesat星座（37.4度倾角）。
图3 全球业务需求量在不同纬度的分布
在第一部分所描述的星座容量分析机制基础上，本部分以Starlink现阶段在轨420颗卫星（数据参考时间：2020.05.30-14:00）、第一阶段规划1584颗卫星为两个场景。主要的场景参数如下：
表1 Starlink星座容量分析的场景输入
注1：关于此26个关口站部署，可参考文章《SpaceX公司将为Starlink星座新建21个关口站》
注2：馈电（/用户）链路速率考虑站星距离、调制编码方式、链路发端EIRP等参数，参考文章《Telesat、OneWeb及SpaceX三个全球宽带低轨卫星星座系统的技术对比》，馈电链路前向（即站发送到星）链路速率为2682.1Mbps*8=21.46Gbps。
注3：根据SpaceX提交给FCC文件，单星可提供用户侧速率为17-23Gbps，此处容量分析时取20Gbps；至于单终端/波束的速率，在注2的文献中表明为674.3Mbps（波束边缘处）。（作为对比，我们国家低轨星座用户侧链路速率在最近实验中取得了可喜成就，可参考《中国信通院联合银河航天和华力创通完成5G信号上星试验》，摘出两句如下：“日前，中国信息通信研究院联合银河航天和华力创通完成了优化的5G信号体制在低轨卫星星座上应用的技术试验”，“试验结果表明优化的5G信号体制单终端峰值通信速率达到900Mbps，为世界领先水平。”）。
在上述表1主要配置下，场景1-420及场景2-1584两种配置下的网络容量如下图所示：
图4 Starlink星座当前及第一阶段情况下的可达网络容量
由图4可看出，场景1下可达网络容量均值为502.36Gbps，相当于502个地面5G基站的容量（地面4G基站面向用户提供速率在几百兆，此处分析暂取5G网络单基站传输速率为1Gbps，不严谨之处敬请批评指正）。而场景2可达网络容量为2.17Tbps，网络容量的提升基本上与星座规模成正比（容量提升2.17/0.50=4.34倍，星座规模1584/420=3.77倍），相当于2170个地面5G基站（美国4G基站数量约为20万个，5G网络所需的基站或许更多）。
图3中场景1-420的网络容量波动较大，且有较为明显的周期特性，如在0-10h内出现6个峰值，而卫星运行周期大约是1.6h，基本吻合。而在10-24h仿真时间内，周期性不再那么明显，这是因为当前阶段420颗卫星并非都工作在550km高度，多数仍处于轨道爬升阶段，也就使得这些卫星周期不一致，在运行过程中也便将整个周期特性打破了。（后文关于容量瓶颈分析时将得知，此处容量取决于馈电侧容量，而当前在轨卫星分布不均匀，当较多卫星经过美国区域上空时，馈电侧容量增加。）
对场景1-420中各星在运行过程中实际传输的速率进行统计，如图4所示。由于Starlink卫星采用53度轨道倾角，星下点轨迹会在南北纬53度之间变化，所以图5中仅南北纬53度内才有有效值。场景1中没有星间链路，也就使得仅位于美国部署关口站附近的卫星才能提供服务，图4中容量分布也可印证此点。
图5 Starlink星座当前420星情况下的卫星用户侧容量在全球的分布
场景2-1584中各星在运行过程中传输速率如图6所示。与场景1-420对比，在夏威夷群岛等区域上空的卫星仍能提供服务，这得益于星间路由转发。
图6 Starlink星座第一阶段情况下的卫星用户侧容量在全球的分布
由表1中可知两种场景均部署26个Ka关口站，同时每个关口站可最大连接8个卫星，每个站星馈电链路传输速率为21.46Gbps，也就是说流量入口处（参考图1）的峰值可达4.46Tbps。同时，对于用户侧而言，单星用户侧可提供20Gbps，对应流量出口处（参考图2）的峰值速率可达8.4Tbps（场景1-420星）、31.68Tbps（场景2-1584星）。然而，实际仿真中得出的可达网络容量仅为502.36Gbps、2.17Tbps。
那么，究竟是哪里限制了网络容量？
通过进一步对整网用户侧、馈电侧可达峰值速率进行分析，先说结论：当前网络容量瓶颈在于馈电侧。
分析过程如下：
对Starlink星座而言，每颗卫星大约1.6h绕地球转一圈，这使得每颗卫星有超过一半的时间位于海洋上空，业务需求量非常少。此时，即便单星可提供20Gbps的通信容量，也难以真正发挥作用。我们对两个场景中的各星进行统计，单星用户侧可达峰值速率平均值如图7所示：
图7 Starlink星座单星用户侧可达峰值速率统计
由图7看出，场景1-420颗星的各星用户侧峰值速率在4.59~14.13Gbps之间（仿真时间一天内的均值），波动较大，均值为11.65Gbps；场景2-1584颗星的单星用户侧峰值速率波动较小，均值为9.71Gbps。这是由于，场景1-420星分布不够均匀，当分布较为密集的一簇卫星经过业务区域上空时，导致了该簇卫星实际所摊分的业务量变少；而场景2-1584星分布非常均匀，也使得波动非常小。
两种情况下整网用户侧可达峰值速率如图8所示：
图8 Starlink星座整网用户侧可达峰值速率
由图8可看出，两个场景下的整网用户侧可达速率峰值分别为5.90Tbps、15.38Tbps。然而，图4中的网络容量为502.36Gbps、2.17Tbps，远低于整网用户侧可达速率。由此可看出，网络容量的瓶颈并不在用户侧。
当前规划的26个Ka关口站均位于美国，而Starlink星座在全球呈现较为均匀的部署，这就导致了任意时刻在美国上空的Starlink卫星仅为一小部分。通过仿真分析，我们可得到场景1-420和场景2-1584情况下，平均每个站所连接卫星的个数，如图9所示：
图9 Starlink规划的26个Ka关口站实际有效馈电天线连接数
由图9可看出，场景1-420下各关口站平均连接卫星的个数在0-3之间变化，所有站的平均接入卫星个数为1.00。对于场景2-1584而言，各关口站平均连接卫星个数在0-8之间变化，所有站的平均接入卫星个数为3.94。
值得注意的是，关口站阿拉斯加州PrudhoeBay（图中关口站ID=24）始终未能与卫星建立馈电连接，这是因为其部署于70.25的纬度上，在站星仰角25度约束下未能与（高550km、倾角53度）Starlink星建立连接。（至于此原因，一则可能是Starlink星载馈电侧天线可支持更小的站星仰角，二则可能是面向后续规划的较大倾角的卫星，三则可能别有用途。）
整网馈电侧可达峰值速率如图10所示：
图10 Starlink星座整网馈电侧可达峰值速率
由图10可看出，场景1和场景2中的馈电侧可达峰值速率与网络容量完全一致。也就是说，当前网络容量瓶颈在馈电侧。在此情况下，提升馈电链路传输速率，或是在全球多个地方部署关口站等方法可提升网络容量。
前述的分析中表明网络容量的瓶颈在于馈电侧，此时通过在全球多个地方部署关口站可提升网络容量。当馈电侧不再是制约网络容量的瓶颈时，仅第一阶段1584颗Starlink卫星就能提供15.38Tbps，完整的41927颗Starlink卫星组成的网络将提供407.09Tbps（当然，这样的评估准确度有待进一步提升，因为卫星轨道高度、星座构型、单星容量等都会有所差别，后续研究中将给出更严谨的数值）。这就相当于40.7万个5G基站的，而美国4G网络的基站约20万个，相当于构建了两张能承载美国区域的卫星互联网。
本文对当前在轨420颗卫星及预期第一阶段1584颗卫星为研究对象，结合当前规划的26个Ka关口站，分析了网络容量。形成如下结论：
（1）本文给出了低轨星座网络容量定量评估的方法，从网络供给侧与业务需求侧两个方面出发，结合低轨星座网络工作体制及链路能力，给出了容量定量评估的流程。
（2）在基于全球人口分布的业务需求及当前规划关口站基础上，Starlink当前在轨420卫星可提供网络容量为502.36Gbps，第一阶段1584颗星可提供2.17Tbps；网络容量的瓶颈在馈电链路，通过提升馈电链路传输速率或是在全球多个地方部署关口站等方法，可将1584颗星的网络容量提升至15.38Tbps，预估完整41927颗Starlink卫星可提供407.09Tbps。
前所做工作是面向420颗在轨卫星和第一阶段1584卫星场景，仿真分析41927颗Starlink星座的网络容量将是下一步研究的重点。
一个关键的问题在于（用户/馈电/星间）链路传输速率需要多大就够了？三种链路应如何匹配才能最大发挥各自的作用。
当前所做的分析工作建立在星地链路固定传输速率下，并未考虑站星/端星距离和仰角的变化、当地雨衰等其他衰减，及由此所造成的传输速率降低，后续将基于Starlink链路参数及物理层协议进行分析。