【最新】Statlink星座覆盖与时延分析
Starlink星座覆盖与时延分析
作者 | 刘帅军 徐帆江 刘立祥 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4月23日，SpaceX发射第七批共计60颗星链（Starlink）卫星，也使得星链星座在轨卫星达到420颗。Starlink星座定位是全球卫星互联网，据马斯克所说是要实现50ms以内的时延，与地面光纤网络相当。那么，当前420颗卫星所能提供的互联网服务时延能达到多少呢？完成部署第一阶段1584颗卫星时，所能提供的服务时延能降低到多少？
针对这些问题，项目组基于自研“天智网络仿真测试床”对Starlink星座的覆盖特性、业务时延进行分析。初步的结论是，当前在轨420颗Starlink卫星在南北纬30-55度之间可形成较好覆盖，但仍无法提供连续无缝覆盖。以美国纽约到西雅图的端到端通信，仅可保证59%的端到端链路，平均端到端往返时延（roundtrip time, RTT）为51.8ms。
本文第二部分详细分析了覆盖能力，第三部分对端到端往返时延RTT进行了分析。如无特别说明，本文所有仿真图均出自天智网络仿真测试床。
当前，Starlink在轨420颗卫星空间段分布如图1左图所示（数据的参考时间为2020.05.17-12:00）。作为对比，第一阶段完整的1584颗卫星星座如图1右图所示。
图1 Starlink星座在轨420卫星及第一阶段1584卫星分布（红点-Starlink卫星，绿x-全球分布采样点）
对Starlink星座覆盖特性的分析，以全球分布的终端为采样点，以2纬度*2经度的方式进行部署，即图1中地球表面分布的绿色x所示。覆盖特性分析取1天的仿真周期，步长60秒，当前在轨420颗Starlink卫星全球覆盖特性如图2所示。
图2 当前在轨420颗Starlink卫星覆盖特性—可见卫星个数在全球范围的分布
由图2可看出，Starlink星座在南北纬53度附近可形成最优的覆盖（平均覆盖重数为4左右），这是由于其采用了53度的轨道倾角。而对于高纬度区域（高于60度），无法提供覆盖，该部分区域将由后续规划的较大倾角（包括74/70/81度）卫星提供覆盖服务；对于中低纬度区域（低于30度），基本上可提供平均1.5-2重覆盖。
图2中覆盖特性呈现典型的纬度相关特性，即全球同一纬度的区域在覆盖上具有强相关性。为此，进一步分析了Starlink星座在各纬度上的覆盖特性，如图3所示。
图3 当前在轨420颗Starlink卫星覆盖特性—可见卫星个数随纬度变化
由图3可以更清晰的看出当前Starlink星座在南北纬30-55度之间覆盖较好。由图3可看出，不同纬度上最大覆盖重数波动较大，如在北纬30度处最大覆盖重数在11~15之间波动，这时同一纬度的不同经度上最大覆盖重数有较大差异。同时，当前Starlink星座对地覆盖最小重数为0，也表明未能实现连续覆盖，这是由于当前Starlink卫星分布不够均匀而导致，通过图1左图在轨分布也可看出。（关于Starlink在轨卫星跟进与分析已在前述文章《Starlink星座卫星在轨实时跟进与分析》提及，感兴趣的读者请点击阅读）。
作为对比，我们进一步分析了完整Starlink第一阶段1584颗卫星的全球覆盖特性，如图4所示。与图3相比，第一阶段1584颗卫星实现了南北纬60度范围的连续覆盖，提供了任意时间下最小2重覆盖；同时，不同纬度上最大覆盖重数也不再波动，如对于北纬30度区域而言，不同经度的最大覆盖重数均为10重，这主要是由于第一阶段1584颗卫星在轨分布均匀。南北纬30-50度是重点覆盖区域，可提供6重以上覆盖，之所以重点在此区域提供多重覆盖，主要考虑了全球人口的分布。
图4 第一阶段1584颗Starlink卫星覆盖特性—可见卫星个数随纬度变化
空间段考虑当前在轨420颗Starlink卫星，无星间链路，地面段为26个Ka关口站（参考杨红俊学者分享的资料《SpaceX公司将为Starlink星座新建21个关口站》，感兴趣的读者请点击阅读），用户段为纽约到西雅图的通信业务。总体仿真场景及业务流如图5所示：
图5 当前在轨420颗卫星提供端到端服务的场景和业务流
由图5可看出，由纽约到西雅图通信业务流为端-星-站-……-星-端，因为没有星间链路，所以关口站和卫星间通过多跳中继的方式提供了端到端的服务。进一步，以1天为仿真时长，端到端往返时延RTT如图6所示：
图6 当前在轨420颗卫星提供端到端服务的往返时延RTT分析
由图6上图可看出，对于纽约到西雅图之间的通信时间占比为59%，即仍有41%时间内没有可达链路。端到端RTT平均为51.8ms，且RTT波动较大，该原因仍是由于当前Starlink星座分布不够均匀而导致。作为对比，纽约到西雅图的大圆距离3869.5km光纤传播往返时延RTT为37.4ms（实际上，纽约到西雅图两点间光纤肯定大于地球大圆对应的距离，故实际RTT肯定要大于37.4ms）。
进一步以第一阶段1584颗卫星为分析场景，且存在星间链路，此时端到端服务的场景和业务流如图7所示。与图5的主要区别在于，端到端的通信业务流可通过星间链路，即此时的通信业务流为端-星-星/站-……-星-端。
图6 第一阶段1584颗Starlink卫星提供端到端服务的场景和业务流
图7 第一阶段1584颗Starlink卫星提供端到端服务的往返时延RTT分析
同样地，仿真时长1天内的端到端往返时延RTT分析如图7所示。此时，纽约到西雅图之间的可通信时间占比为100%，即保证了连续服务。端到端RTT平均为38.8ms，且RTT波动很小，与地面大圆对应的37.4ms光纤往返时延RTT相当。
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，分析了覆盖和端到端往返时延RTT的性能。形成如下结论：
在覆盖方面
当前在轨420颗Starlink卫星在南北纬30-55度之间可形成较好覆盖，而高于南北纬60度区域尚无覆盖，中低纬度区域覆盖较差；同时，尚未形成对地的连续覆盖。而第一阶段1584颗卫星可形成南北纬60度以内区域无缝连续的多重覆盖，特别地，在人口密集的南北纬30-55度之间，提供了平均不小于9重的覆盖。
02端到端往返时延RTT方面
结合当前SpaceX在美国规划的26个Ka关口站，当前在轨420颗Starlink卫星互联网服务能力可达59%，也意味着剩余41%时间没有端到端的有效传输路径；同时，纽约到西雅图端到端往返时延RTT平均为51.8ms。而第一阶段1584颗卫星的场景下，则可保证端到端的100%通信，平均端到端往返时延RTT也降至38.8ms，与地面光纤网络相当。
在上述工作基础上，我们后续将重点针对如下三方面开展工作：
（1）当前分析端到端往返时延RTT是较为理想的值，实际RTT值则需考虑接入/切换协议、星间/星地路由、队列调度等机制，下一步工作将结合星间/星地路由等协议分析时延等性能。
（2）除却覆盖和时延这两项指标，整网所能提供的通信容量也至关重要，下一步工作将结合全球业务量需求、Starlink卫星用户/馈电/星间链路承载能力等因素，分析整网可达容量。
（3）未来Starlink将在天上进行组网运行，下一步工作将着重分析Starlink的组网体系和协议模型。
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