文 | 魏兴

美国太空探索技术公司（SpaceX）的星链（Starlink）互联网卫星一直是全球航天界和通信界关注的焦点。它的成功与否，给其他的互联网星座运营商树立了一个标杆，也给5G和未来6G标准的制定者们提供了新的思路。

星链从去年2月开放用户预定以来，到今年3月份，全球用户总数已经达到了25万。从世界各地用户的评测来看，星链的互联网服务性能是让人满意的。评测的最主要指标是上下行速率和延迟。

这在各大互联网社区上都有反映。比如，英国星链用户测速结果，下行速率在20Mbps左右到200Mbps左右之间变化。虽然20Mbps也仍然是个十分出色的结果，但已经对用户的一些数据应用产生了影响。

图1 英国用户的星链下行速率测试结果（来自：Reddit/Doowle）

这并不是最差的结果，一位在美国加州Grass Valley的用户公布了测速结果，他在7天之内每15分钟跑一次测速，结果发现最高速率接近299Mbps的峰值，最低速率仅1.23Mbps，平均下行速率为137Mbps。这个差距就非常大了。最低1.23Mbps的速率已经很难称为宽带网络。

图2 美国加州Grass Valley用户的下行速率测试结果（图via Reddit/Nelson Minar）

那么，星链系统为何会出现除此巨大的速率波动呢？

首先需要澄清的一点是，星链服务速率的下降并不是因为卫星切换的问题。星链星座的低轨道卫星，从用户终端的角度看，从地平线上出现到过顶，然后在另一侧地平线上消失，总共时间不到10分钟，真正能提供服务的时间也就在5~6分钟左右，因此必须有多颗卫星接力为用户服务。如果是卫星切换的时候出了问题，那么速率大幅下降应该是每隔五六分钟出现一次，而且还会伴随着丢包。但从世界各地用户的测试结果来看，情况并不是这样的，速率大幅下降的间隔通常是几十分钟，而且有一定的规律。

从这点来看，星链系统在卫星切换上做得是不错的。它有可能使用了类似于移动通信领域里的“软切换”概念，即用户处于两个基站的边缘时，会同时与两个基站建立连接，而不是先断掉与一个基站的连接，然后再建立与另一个基站的连接。星链的用户终端很有可能在一颗服务卫星就要飞出天线的可视范围时，先与另一颗卫星建立服务，同时与两颗卫星通信，直到一颗卫星飞出可视范围。

星链系统的速率下降，可能是以下这些原因造成的。

首先，目前星链卫星的分布并不均匀。这种不均匀，既包括在某个轨道面上的几十颗卫星在该轨道上分布不均，也包括多个轨道面对地面覆盖的不均匀。

以下图片来自于网站https://satellitemap.space/，展示了星链卫星的位置图、地面关口站的分布图和星链卫星服务的密集程度。图中绿色区域表示该区域星链卫星密集，黄色色块表示星链卫星稀疏；图中的红点表示地面关口站的位置，绿点表示一定数量的用户，白点表示一颗星链卫星；图中较小的绿色六边形框表示星链能够提供服务的地区。

图3 北美地区，地面关口站比较多

图4 欧洲地区，地面关口站也比较多

图5 美洲西岸和阿根廷也有地面关口站

我们可以看到，哪怕在美国本土，星链卫星的覆盖密度也不全都是最高的绿色，美国中部和南方地区也有些地方是偏黄色的。这种覆盖不均匀的问题可能会随着星链卫星数量的继续增多而得到缓解。

星链系统可能的策略是，通过尽可能少的卫星中继跳转，将用户连接到最近的一个地面关口站。因此星链系统实现高速率和低延迟的关键，就是在用户周围几百公里内建设有地面关口站。如果用户周围几百公里内有地面关口站，就有可能只经过一颗星链卫星的转发，就能接入地面互联网。当然，对于附近没有地面关口站的地区，星链星座是可以通过许多颗卫星中继转发，将用户接入一个遥远的地面关口站的，但是这样做数据延迟就会比较大了，而且这样的用户对星链星座的资源占用较大，应该尽量避免。

图6 将satellitemap.space的图片放大，可见，该时刻美国洛杉矶地区有两个关口站和一颗星链卫星，有很多的用户。至于这些用户使用哪个关口站，完全靠星链系统的算法，选择最优路线。

应该说随着星链卫星数量的增多，覆盖不均匀的问题会得到缓解，但是未来用户的数量也会增加。就像地面移动通信网络一样，星链星座也会面临用户数量增长和系统资源分配的难题，但是与地面移动通信网相比，两者在原理上区别很大，需要的调度算法也不同。随着市场的不断扩大，对SpaceX和星链来说，更大的考验还在后面。

参考：

https://satellitemap.space/

https://www.cnbeta.com/articles/tech/1252165.htm

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