StarLink星座系统测试及链路层协议探讨
StarLink星座系统测试及链路层协议探讨
作者：刘帅军、徐帆江、刘立祥、王大鹏、凌腾
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
概述
2020年10月24日晚23:31，第15批代号为StarLink 14的卫星发射升空，此时距离上一次发射仅6天，同时也成就了18天内完成三次发射的壮举。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，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，本文首先对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
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1.1 在轨分布
截止2020年10月25日SpaceX共计进行了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。关于历次发射时间等信息，如下表所示：
表1：StarLink卫星发射时间表
注1：发射时间指北京当地时间，即国际协调时UTC+0800；
注2：本文对在轨卫星分析的数据参考时间为2020.10.25-21:00。
当前，StarLink在轨正常运行的720颗卫星如下图所示：
图1 StarLink正常运行卫星的在轨分布
在表1所示893颗卫星中，尚有173颗卫星未能在上图中显示，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。
53颗星已失效：第1批46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%。
在轨正常运行卫星，在轨道高度与升交点赤经RAAN二维分布如下图所示：
图2 StarLink卫星在轨高度及升交点赤经RAAN分布
可看出，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批次卫星则刚完成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，仿真分析结果如下所示：
图3 StarLink卫星轨道面内相位角及升交点赤经RAAN分布
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下所示：
图4 StarLink卫星在轨高度分批次统计
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1.2 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，结果如下所示：
图5 StarLink卫星自T0时刻轨道变化过程
可看出：
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。
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消息“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？
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2.1 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的亲朋好友们正在对星链（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
详细结果如下图所示：
图6 Reddit网关于StarLink测试速率的整理
另据testmy.net网址对Starlink速率的统计，近1000次测试结果来看，下载和上传速率最大为149.2 Mbps、42.5 Mbps，平均为42.4 Mbps、11.7 Mbps。详细的测试结果如下图所示：
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
从上述内测性能来看，近一个月来的149.2 Mbps峰值速率小于203.74Mbps历史峰值速率。可能的原因在于，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。
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2.2 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，指出“将非常快了”。
据CNBC报到，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50~150 Mbps，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。
注：先前在09.10发文中指出，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 min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如下所示：
图9 StarLink卫星多个终端间链路层调度共享示意图
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3.1 链路层功能与定位
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。
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3.2 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。
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3.3 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%。仿真如下所示：
图10 StarLink卫星在美国区域可见星个数分布（端星仰角25度）
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。
（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。
四
总结与展望
本文对StarLink系统测试信息及在轨分布进行分析，同时探讨了链路层协议的必要性及设计原则。总结而言，大致有如下结论：
已完成15批次卫星发射，共计893颗；预期部署的36个轨道面，已完成近27个轨道面部署；
前13批次发射共计773颗卫星，在轨正常运行720颗，失效53颗，正式版本失效率为0.98%，总体失效率达6.86%；
StarLink内测最大下载和上传速率203.74 Mbps、42.58 Mbps，最低Ping延迟18 ms；
StarLink公测已启动，且公布价格99美元/月+499美元终端价格，速率50-150Mbps、延迟20-40ms，然仍有短暂无法连接情况；
美国区域内可见卫星个数平均仅7.6%，当前在轨720颗卫星平均55颗在美国上空，链路层协议对实现StarLink系统大量终端服务需求至关重要；
StarLink链路层协议需合理设置共享资源切分粒度和维度，以均衡由此带来的性能提升与控制开销。