StarLink卫星网络如何工作

远望智库预见未来空天大视野

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转自：卫星通讯工程师

作者：曲洪学

SpaceX并未公开详细的工作机制

只是技术角度的一些合理猜测

StarLink卫星的相控天线可以形成并发射几十个独立的波束。在向国际电联提交的最新版StarLink中，统计了一下有48种波束配置。它们全部同时工作并不是事实，也许这些只是卫星天线具备的多波束能力。

可以肯定的是，关口站在每个极化大约2000 MHz（8个480 MHz的波束）向Ka波段的卫星发送信号，从卫星到用户终端的一个波束的宽度为240 MHz。总共，我们可以同时从卫星发射16条波束，宽度为240 MHz（用户终端只能以一种极化方式进行接收）。

星下位置覆盖地表波束区域的直径沿线大约为24 km-3dB（出自SpaceX报告）。随着波束的偏离，其直径增加，因为相控天线阵列的方向图的角度略有增加。在对应于用户终端仰角25度仰角，波束覆盖直径超过70 km。

如果我们采用的波束直径为24 km（或452平方公里的面积），并且每颗卫星上16束波束，那么对于美国（或53个平行线之间的区域）的覆盖率为100％，我们将需要41480颗卫星。这显然是错误的，因为SpaceX承诺将在该项目的第一阶段使用1584颗卫星来做到这一点（覆盖美国大陆100％的覆盖率）。

在测试过程中测得的StarLink网络中的最大速度为240 Mbps。这是在2020年秋季，频段为240 MHz，几乎没有负载，最近（2021年初），当用户越来越多时，再也没有这样的“记录”了。几乎看不到测试结果超过170Mbps（这是240 MHz带宽）的结果。StarLink网络中的信噪比为9-10 dB，对应于8PSK调制和3位/ Hz的频谱效率。也就是说，从卫星到用户终端的方向上的信息速度大约在720 Mbit左右，而用户现在获得的速度不到200 Mbit。

这么少的波束和卫星如何覆盖这么大的面积？StarLink网络与标准卫星网络的明显差异。波束一定范围内按小区跳跃，15秒内（这是在重新计算卫星相对于终端的位置以及重新分配哪个终端给哪个卫星时间周期）每个波束指向在某个范围（凝视）。比如跳跃图案可以是：小区交替为7-8-9-7-8-9-7-8-9，期间会涉及到关口站的切换，每个区域的操作时间不应短于框架（数据包）的长度。例如，假设帧/数据包的长度是10毫秒。这样的帧包含720Mbit * 0.01秒= 7.2兆比特= 900千字节的信息。您还可以将轮询速率提高到每1毫秒1次，然后数据包/帧大小将为100 kB信息。在这种情况下，帧/分组将包含该波束中所有用户终端的信息。但是，如果某小区中只有一个终端在线，那么所有这些kB都是他的。根据每波束的负载，理论上可能会更改小区跳跃图案：由7-8-9-7-8-9切换为7-8-9-8-7-8-9-8，这样第8单元中的终端的速度比第7或9单元中“终端”的速度快2倍。