图解通信原理与案例分析-29：埃隆.马斯克的“星链”Starlink计划是卫星语音通信向卫星互联网的演进
埃隆.马斯克一个值得技术人员尊敬的科技狂人，他把现实、科幻、理想、情怀、未来有机的融合在了一起。他有很多伟大的、革命性的构想与实现，“星链”Starlink计划就是其中之一。
本文就从通信的角度解读一下这个看似不可思议的计划。
目录
第1章 什么是“星链”Startlink计划？
第2章 “星链”计划的网络架构？
第3章 “星链”计划的卫星
第4章 “星链”计划的网络运营
第5章 “星链”计划与传统的卫星通信（如铱星计划）的比较
第6章 “星链”计划与传统的卫星导航的比较
第7章 “星链”计划与蜂窝移动互联网的比较
第8章 “星链”计划的目标与优势
第9章 “星链”计划的困境
第1章 什么是“星链”Starlink计划？
“星链”Starlink计划 是 SpaceX 推出的一项通过近地轨道卫星群，提供覆盖全球的高速互联网无线微波接入的项目，其初衷是为了在全球范围内提供网络服务，尤其是目前网络不可及的偏远地区。
我们先解读上述描述中几个关键词：
- “星链”中的“星”：是卫星，是一种卫星通信，也是“星星”，为什么这么说呢？当人造卫星的数量多到一定程度，就看来来像“星星”了。
- “星链”中的“链”：意味着，需要实现卫星与卫星之间的互联互通，不仅仅提供卫星的无线微波接入，而且要实现数据在太空中的路由与转发的功能，这是传统的卫星通信所不具备的能力。
- 近地轨道：这就意味着，“星链”Starlink计划中的卫星的轨道不是35800公里的同步卫星轨道，表明离地表比较近，近到什么程度呢？最近的只有550千米左右。北京到上海是1200公里。
- 卫星群：这就意味着“星链”Starlink计划不是像传统的卫星通信或GPS导航一样，只需要几十颗卫星或上百颗卫星，而是需要成千上万颗卫星，预定轨道部署由 1.2 万颗卫星组成的巨型卫星群，密密麻麻的把地球包裹着。
- 覆盖全球：不同由不同国家运营商提供的4G/5G接入，“星链”这是一个由单一设备供应商提供的全球性的高速微波无线接入。
- 高速：高速意味着不同于传统的卫星通信，“星链”Starlink计划能够提供50M-100M的无线接入，这个速率远远超过了当前的卫星通信的水平，达到了4G LTE的传输速率的水平。
- 互联网：传统的卫星通信，主要提供语音服务，部分数据业务，“星链”Starlink计划要提供目前移动互联网水平的视频服务。
- 偏远：但根据联合国最新数据，当前全球仍有57%人口（42亿）未实现互联网连接，“星链”真正为他们提供互联网服务，这也是其主要动机之一。
总之，“星链”Starlink把移动互联网从地面上拓展到太空中，这与6G蜂窝移动通信有着异曲同工之妙，甚至比6G更加超级，“星链”Starlink是完全可以替代现在的蜂窝移动通信网，作为一种新型的正在的全球覆盖的无线接入、移动网络，要颠覆传统的无线接入运营商和设备网。
这就是埃隆-马斯克，这埃隆-马斯克的疯狂的“星链”Starlink计划。
第2章 “星链”计划的网络架构？
（1）卫星的数量与位置
- 最初的设想是在地球上空的预定轨道部署由 1.2 万颗卫星组成的巨型卫星星座。
- 8 千颗卫星放置在距离地面 550 公里的低轨道上，
- 4 千颗星放置在高 1200 公里的轨道上，
截至目前，SpaceX 已经成功发射了 15 批星链互联网卫星，入轨卫星总数达到 893 颗，如果包括 2018 年发射的 2 颗原型卫星，入轨卫星总数则为 895 颗。
虽暂时不足以覆盖全球，但已经能为美国西北地区提供网络服务。
（2）卫星部署的手段
SpaceX会利用猎鹰9号可回收火箭，将12,000颗卫星送到轨道平面，然后组成卫星通信群。
（3）网络指标
- 网络数据传输速度预计在 50Mbps 至 100Mbps 之间
- 网络延迟控制在 16ms 至 40ms
（4）网络架构
终端-低星-激光-高星-激光-低星-终端，用户连接p2p,数据包无需拆开分析跟再次打包，端对端直接硬件加密连接。
（5）网络协议
- 网络传输协议：
星链计划中卫星跟终端用户通讯使用的是一种全新的网络协议，并不是传统的IPv4或IPv6技术，据马斯克声称是一种比IPv6技术更加轻量化并且原生支持p2p的全新连接协议。
星链计划2个星座一共12000颗互联网卫星离地面非常近，分布在距离地面为336-1325公里的近地轨道范围内。
卫星飞掠过每个用户所在的地区速度会很快，连接时间极短，数据链会迅速切换到下一个卫星上，这就要求每个数据包的报文报头简单简洁。
因此星链计划推出的一种全新的网络通讯协议专门应用在其互联网星座上，其p2p的技术细节显示了这是一种去中心化的连接网络，比较类似区块链，每个用户包括卫星都具备服务器或者客户机的功能，数据在这些服务器上通过新的协议自动流通，达到最佳的访问延迟跟传送速度，卫星应能精确了解每个用户物理位置经纬度合理的分布其数据链路，解决p2p技术的先天不足，巨大的延迟性的问题。
- 数据加密协议：
星链互联网星座采用端对端的硬件加密技术，现有的电脑黑客技术安全无法破解，假设未来有黑客（或者“政府”）有这种能力也能通过推出加密补丁全球范围同步升级硬件固件的方式巩固信息传输的安全性 。硬件级别的终端对终端加密传输设计，保证黑客或者某些组织再也不能拦截或者解密你的数据包。也就是说，在这种技术下，除了断绝物理上的网络连接，不存在某些“墙”的问题。
这是一套全新的INTERNET系统，从硬件芯片到协议全新的，是对目前地面上使用的老旧的互联网技术的一次全新全面升级。
假设这套系统运营良好，那么这套设计甚至可能会颠覆跟影响现有跟未来的地面互联网架构，至少从技术上来看，SpaceX公司采用了最新的技术来打造其互联网系统，这是运营了几十年建立在老旧的IPv4网络协议与根路由器跟无数复杂网关上的地面因特网所不能比拟的。
第3章 “星链”计划的卫星
每一颗卫星，实际就是一个无线接入的基站，是一个无线的路由器。
Starlink卫星外形特征为平板设计，
- 总量：SpaceX计划发射的通信卫星重量约为386公斤（备注：星链v0.9卫星每颗重约225公斤）。
- 规格：4m×1.8m×1.2m，相当于一辆迷你Cooper汽车。
- 电源：每颗卫星有两块太阳能电池阵，每块的面积为12平方米，为设备提供电源。
- 寿命：大约为 5 到 7 年。
- 驱动：卫星在运载整流罩内采用堆栈叠放方式，不需要分配器，其推进装置和轨道维持装置同时也是离轨装置，是一种以氪为工质的霍尔推进器。
- 运行：卫星被设计成具有自主避撞控制能力。
- 销毁：寿命末期，卫星将执行离轨程序，推进器为卫星减速促使其脱轨，脱轨后的卫星会坠入大气层烧毁。目前，StarLink卫星能够做到燃烧掉 95% 的重量，随着技术的迭代，未来能够做到 100% 的大气层中销毁，不对地面上的人或建筑造成任何可能的伤害。
- 频点：无线接入通信频点采用Ku和Ka波段
- 通信：卫星采用星间链路、相控天线阵列与波束赋形、DSP数字处理技术。
第4章 “星链”计划的网络运营
（1）民用
- 入网：499 美元，购买 “星链” 上网设备，包含终端接收设备、三脚架和 WiFi 路由器等。
- 月租：99 美元 / 月
- App：一款名为 “Starlink” 的 App 也已经在 Android 及 iOS 应用商店上架。
- 运营收入预计：预计到2025年该服务的用户将超过4000万，当年收入就会达到300亿美元
（2）军用
- 在军事网络中使用“星链” 来传输数据
第5章 “星链”计划与传统的卫星通信（如铱星计划）的比较
（1）普通同步静止卫星通信
卫星轨道高度达到35800千米km，并沿地球赤道上空与地球自转同一方向飞行时，卫星绕地球旋转周期与地球自转周期完全相同，相对位置保持不变。
此卫星在地球上看来是静止地挂在高空，称为地球静止轨道卫星，简称静止卫星。
这种卫星可实现卫星与地面站之间的不间断的信息交换，并大大简化地面站的设备。
绝大多数通过卫星的电视转播和转发通信是由静止通信卫星实现的。
由于在高达35800千米km上空，理论上讲只需要3颗卫星，就可以覆盖全球。
同步卫星的主要缺点是：
- 传输距离远
- 传输时延大：500毫秒~800毫秒的时延；
- 终端体积大，主要是“锅形“天线，汇集、接收、微弱的卫星信号
- 终端的发送功率大
（2）“铱星计划”
铱星系统是美国摩托罗拉公司设计的全球移动通信系统。
它的天上部分是运行在7条轨道上的卫星，每条轨道上均匀分布着11颗卫星，组成一个完整的星座。它们就像化学元素铱（Ir）原子核外的77个电子围绕其运转一样，因此被称为铱星。
后来经过计算证实，6条轨道就够了，于是，卫星总数减少到66颗，但仍习惯称为铱星。
铱星通过南北极运行在780千米的轨道上，每条轨道上除布星11颗外，还多布1至2颗作为备用。
这些卫星可以覆盖全球，用户用手持话机直接接通卫星进行通信，而无需几米直径的抛物面天线就可以进行全球范围内的通话了.
铱星系统通过铱星网关与陆地蜂窝小区网络相连，当时没有连接互联网。
美国的"德尔它2型"火箭，俄罗斯的"质子k型"火箭和我国的"长征2号丙改进型"火箭分别承担了铱星的发射任务。
1998年5月，布星任务全部完成，11月1日，正式开通了全球通信业务.
铱星系统是美国于1987年提出的第一代卫星通信系统，每颗星质量670千克左右，功率为1200瓦，采取三轴稳定结构，每颗卫星的信道为3480个（同时服务用的用户数），服务寿命5至8年。
铱星系统的最大特点是：通过卫星之间的接力来实现全球通信，相当于把地面蜂窝移动电话系统搬到了天上。
它与使用的静止轨道卫星通信系统比较有两大优势：
- 一是轨道低，传输速度快，信息损耗小，通信质量大大提高；
- 二是铱星系统不需要专门的地面接受站，每部移动电话都可以与卫星联络，这就使地球上人迹罕至的不毛之地，通信落后的边远地区，自然灾害现场都变得畅通无阻。所以说，铱星系统开始了个人卫星通信的新时代.
（3）“星链”计划
- 最初的设想是在地球上空的预定轨道部署由 1.2 万颗卫星组成的巨型卫星星座。
- 8 千颗卫星放置在距离地面 550 公里的低轨道上。
- 4 千颗星放置在高 1200 公里的轨道上。
单单就这卫星的数量，就可以碾压现有任何的卫星通信系统
最重要的是，传统的卫星之间不直接通信，而 “星链”计划卫星，构成的是一个“太空互联网”，他们是可以直接进行数据路由与转发的。
第6章 “星链”计划与传统的卫星导航的比较
主流的4大卫星导航系统，包括美国GPS、俄罗斯格洛纳斯GLONASS、欧洲伽利略GALILEO、和中国北斗COMPASS。
（1）卫星个数与部署
以GPS为例，24颗卫星均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗）。北斗的卫星数目较多，也就是30几颗卫星而已，相对于“星链”Starlink上万颗卫星言，简直可以忽略不计。
（2）提供的业务
- 定时/授时（主要业务）
- 定位（主要业务）
- 消息（辅助业务）
（3）“星链”计划
完全可以在高纬度的的卫星上安装原子钟，并提供定时与定位服务，完全可以取代GPS服务。
第7章 “星链”计划与蜂窝移动互联网的比较
（1）无线接入的速率
- LTE: 下行100M-1G
- 5G: 下行1G-10G
- “星链”计划：50-150M，最终目标得到1G.
（2）空口信号传输延时
- LTE：10Km时的传输延时为66us
- 5G： 1Km时的传输延时为6.6us
- “星链”计划：550 公里的时延接近 4 毫秒，1200 公里的时延大概 8 毫秒。
（3）蜂窝移动互联网的网络架构
（1）移动终端
（2）无线接入网RAN：提供高速的陆地无线接入，包括访问互联网，这是移动互联网的控制入口。
（3）无线核心网：提供不同区域的无线接入用户之间的互联互通，提供访问互联网的网关。
（4）互联网：有各种电脑相互连接并沟通而成的庞大的数据网络。
第8章 “星链”计划的目标与优势
- 无线接入：给全球提供稳定又便宜的卫星微波无线网络接入。
- 高速接入：初期提供50-100M的接入速度相当于4G LTE的水平，后期提供1Gbps的接入，相当于LTE-Advance或5G的水平。
- 无线传输：将是替代部署成本高昂的地面光纤网络，使用无线进行设备之间的通信。
- 全球部署：真正的全球部署，包括茫茫无边的海洋，荒芜人烟的沙漠，丛山峻岭, 极大改善 4G 和 5G 基站覆盖率不高的国家人民和深入无人区的探险家和科研人员的工作生活体验。虽然卫星卫星通信也是这个目标，但卫星通信提供的低速、大延时的语音业务，无法提供高速的视频业务。
- 可回收火箭发射：SpaceX的可回收火箭发射，把原先卫星通信部署的成本降低到了原先的一半。
- 多卫星发射：一颗火箭可以发射60颗卫星。
- 可以替代GPS，提供全球定位服务
第9章 “星链”计划的困境
（1） 建网成本：单颗卫星的成本总计 1 亿美元，那么 1.2 万颗卫星，就是 1.2 万亿美元
（2） 运营成本高：每次设备的维护，更新成本相当高。
（3）投资回报慢：1.2 万亿美元的投资，需要几十年，甚至上百年才能收回成本。
（4）传输延时：星链计划 1.2 万颗卫星，8 千颗卫星放置在距离地面 550 公里的低轨道上，另外 4 千颗星放置在高 1200 公里的轨道上，而电磁波是有传输速度的。可以想象，从卫星到地面，550 公里的时延接近 4 毫秒，1200 公里的时延大概 8 毫秒。而高可靠低时延的 5G，相同的指标仅 1 毫秒，卫星网络在用户体验方面远远不如常规网络。
（5）终端信号功率：室内是没有卫星信号的，通过专用的设备接收到信号之后，手机等智能设备还需要将数据传送回卫星，这需要相当大的功率，因此我们在电视上看到的卫星通信器材才显得很笨重。
（6）地面基站：星链初期，因为一些物理限制并不能直连手机，还需要在地面建立基站。如今，SpaceX已经申请了100万个地面基站的建设许可。不过这里所说的地面基站，并不是5G信号那种大基站，可能只类似于一个WiFi盒子。
（7）干扰了地面天文的观测： 数量庞大的卫星围绕着地球转，每颗卫星都带有太阳能电池板，有时会将太阳光反射向地球，这会破坏地面天文台拍摄的照片。这些卫星不仅反射太阳光，还发射无线电频率，威胁地球上的射电望远镜观测，另外，密集的卫星本身也会成为观察太空的障碍物。