我們已經聊過兩篇星鏈的文章了，分別談了SpaceX的星鏈計劃如何降低部署成本，以及如何面對太空垃圾問題的糾結，今天智愿君聊聊星鏈的本職工作——衛星通信。

星鏈和之前的銥星一樣，采取了近地軌道（LEO）運行，而且比銥星所在的軌道更低。LEO是一個很大的范圍，作為環繞地球飛行的軌道，只要高度不超過地球半徑的三分之一，都屬于近地軌道范圍，也就是海拔2000公里以下的空間區域。與之對應的還有MEO（中地球軌道）和GEO（地球靜止軌道）。如果要實現全地球覆蓋，GEO只需要3顆衛星，MEO需要6顆，而LEO則可能從幾十顆到數千顆才能做到全球覆蓋。

之所以通信衛星都喜歡擠在LEO，主要的原因還是因為高帶寬和低時延的誘惑。首先將衛星發射到LEO所需要的能耗比較少。而且這種高度下，衛星傳輸的信號在到達地球表面時會更強，這可以為地面用戶提供更好的接收效果和更快的數據傳輸速率。但如果要提到延遲，為什么不距離地面更近一些呢？比如迄今為止，在近地軌道上跑過的最低的衛星是日本發射的一顆超低高度試驗衛星（SLATS），曾經在7個高度上運行，在167.4公里的高度上運行了7天。它通過離子發動機來抵消地球大氣層的空氣阻力，因為這種低于200公里的超低地球軌道（VLEO）中運行，阻力是非常大的。對于通信衛星而言，完全沒有必要這么低，而需要在衛星高度、延遲、覆蓋范圍方面，做一個更為合理的均衡。

星鏈選擇了550公里的高度部署衛星。這個高度對于通信衛星而言，還是非常低的。相對而言，這種高度的衛星在時延信號方面相對理想，在信號強度的把控上也會比較好，而且部署難度相對簡單。這種高度的衛星，大約可以達到100萬平方公里，也就是半徑大約為580公里。但是需要部署較多的星鏈衛星才能實現全球的無縫覆蓋。

我們都知道地面通信是采用無線電電波進行通信。因為地面地形復雜，而且也有各種人造建筑物，需要重點考慮信號的穿透性和繞行能力。無線電波在大氣中的傳播具有相對穩定的特性，能夠穿過大氣層并繞過障礙物，使得地面通信具有較長的傳輸距離和較好的覆蓋能力。

星鏈衛星在設計之初，也是采用的無線電通訊方式。具體來說，星鏈衛星使用的頻率和波段是Ka波段，也稱為千兆赫茲頻段。Ka波段的頻率范圍通常是26.5 GHz到40 GHz。通過使用Ka波段頻率，星鏈衛星能夠實現高速數據傳輸和廣覆蓋的通信。這一頻段在通信領域具有較高的帶寬，可以支持大量的數據傳輸，適用于星鏈衛星提供的高速互聯網服務。同時，Ka波段的傳播特性在大氣中的衰減相對較小，使得信號可以在地球上的接收器和星鏈衛星之間進行可靠的通信連接。如果要實現衛星與衛星之間的通訊，就必須回程到地面網關或橋接節點來實現的。當衛星接收到來自用戶終端的數據時，它會將數據轉發到地面網關站，然后由網關站再將數據傳輸到目標衛星，實現星間的通信。同樣地，當目標衛星要向用戶終端發送數據時，它會將數據發送到地面網關站，再由網關站轉發給目標用戶終端。利用地面網關站作為中繼點來實現星間通信，以提供更廣范圍的覆蓋和更高的可靠性。

但是，這種通訊存在問題，首先星間通訊延遲增大，用戶體驗不好，所有的衛星間通訊都要經過地面站進行橋接，會增加很多不必要的回路。而且，還需要在全球構建大量的地面站。不同國家的政策不同，如果全球各地都要建設地面站，而且隨著衛星數量的攀升，地面站還要存在擴容升級，也是一個龐大的工程量，同時也有巨大的溝通和建設難度。如果要減少星間通訊延遲，提升網絡靈活性和可擴展性，擺脫對地面站的依賴，SpaceX需要有新的解決方案。

從星鏈V1.1 版本開始就支持了激光衛星間鏈路 (Laser Inter-Satellite Links, 簡寫LISL) 。激光衛星間鏈路（LISL）不是星鏈的創新，這個技術最早可以追溯到1990年代。當時 NASA 的地球觀測系統 (EOS) 就使用了LISL。EOS 計劃中涉及的特定衛星，如 Terra、Aqua 和 Aura 衛星，利用基于激光的通信鏈路在彼此之間傳輸科學數據、圖像和其他信息。這有助于改善衛星觀測的協調和同步，提高任務的整體有效性。從那時起，LISL就開始在衛星通信系統中使用開來。但是像星鏈計劃這樣，要在數千數萬顆衛星之間實現LISL，確實是一個巨大的挑戰。

每顆星鏈衛星都配備了五個激光發射器和五個激光接收器。這些激光終端使用先進的激光二極管或固態激光器，能夠產生相干且聚焦的光束，利用激光相位脈沖技術在衛星之間實現雙向通信。所采用的具體方法稱為“相移鍵控”(PSK) 調制。在 PSK 調制中，信息被編碼在激光束的相位中。通過改變激光脈沖的相位，可以表示 0 和 1 的不同模式。這允許在衛星之間傳輸數字數據。五個激光發射器和五個激光接收器意味著每顆 Starlink 衛星都可以與相鄰五顆衛星建立同步激光連接，從而促進衛星間的高效數據傳輸。

不過，在太空中，兩個高速移動的衛星，相互要快速對準對方，還能持續進行通信并非易事。這個技術就是PAT（指向、捕獲和跟蹤，英文：Pointing, Acquisition, and Tracking）。PAT 系統實現從建立到后續持續保持通信衛星之間的對準。PAT使用星跟蹤器和精細制導相機等傳感器來準確跟蹤目標衛星的位置和運動。這使得激光束的精確指向成為可能。為了讓激光束在很遠的距離仍能保證聚焦，星鏈衛星采用了光束發散控制技術。

同時，這么多衛星傳遞消息，一定不能出錯，因此為確保可靠的通信，采用前向糾錯 (FEC) 編碼方案用于檢測和糾正接收數據中的錯誤。此外，還采用同步協議來保持發射衛星和接收衛星之間的時間一致性。為實現這一目標，星鏈衛星利用稱為“星座時鐘”的機載時鐘同步機制。作為一個分布式時鐘同步系統，“星座時鐘”協調星所有星鏈衛星的時間，確保每顆衛星都以高度準確和同步的時鐘參考運行。相鄰衛星之間定期交換定時信號和測量值，不斷調整它們的時鐘以保持同步。

由于星鏈衛星不是地球同步衛星，因此地面接收器不可能持續穩定地和一個衛星保持連接，會經常性地發生通訊衛星的切換。由于衛星高速運動，實現無縫通信切換會更具挑戰性。這具體稱為：“衛星切換”（satellite handover）或“波束切換”（beam handover）。星鏈系統的地面接收站會跟蹤一系列的用戶終端可用范圍內的一系列相鄰衛星狀況，特別是一直在監測用戶終端與當前衛星連接的信號強度和質量QoS。如果信號下降到某個閾值以下或變得不穩定，則可能會觸發切換過程以切換到更強或更可靠的衛星。由于衛星都在持續運動中，所以系統利用軌跡預測算法來估計用戶終端和衛星的移動，例如帶寬、延遲和可靠性。通過分析軌跡，它可以確定當前衛星何時移出范圍或相鄰衛星何時進入范圍，確保平穩過渡。與此同時，系統還會考慮了每顆衛星的容量和負載。如果衛星負載過重或接近其容量，它可能會優先切換到利用率較低的衛星，以平衡網絡流量并優化整體性能，盡量做到整個衛星系統的負載均衡。同時在在切換過程中系統還需要維持或提高 QoS，確保無縫過渡，而不會出現明顯的服務降級。

光在太空中的傳播速度大約為299,792公里/秒。但是在光纖中的傳播速度是200,000公里/秒～230,000公里/秒，也就是降了大約1/3。信號在太空中衛星間可以通過LISL實現直線傳播，但是在地面上傳播，必須要遵循地球表面的曲率進行部署，而且光纖很難完全聯系，還需要很多中繼和轉換器來橋接。所以光在光纖中的速度要比直接發射激光的速度要慢，當通信距離很長的時候，這個優勢就比較突出了。

有人做了一個簡單的理論測算：假設一個在倫敦的人，他想知道納斯達克的實時信息。使用現有的網絡線路，來回大約12800公里，雖然光在玻璃當中的速度跟折射率等都有關系，但我們就簡單按照比真空中慢1.47倍來估算。那么數據包來回需要63毫秒。也就是有63毫秒的延遲。再加上其他因素，比如光電轉換等等，總時間大約是76毫秒。那Starlink的延遲是多少呢？現在沒有辦法實測，所以倫敦大學的馬克漢德里教授就給出了一個估算方法，Starlink面臨的第一個延遲，就是來自從地面到衛星之間的往返。通信它是用相控陣天線來完成的，這種天線可以在不需要移動的情況下，控制傳輸方向，每顆衛星在550公里的軌道上可以覆蓋500公里的范圍，這段時間的延遲大約在3.6毫秒。而數據到達衛星之后，它就開始使用激光通信。根據這些信息估算出來的延遲是43毫秒。那聽起來，光纖傳輸和衛星傳輸相比，就差二三十毫秒，值得搞出這么大動靜嗎？在美國和英國兩個金融市場的數據中心之間，如果使用公有線路，時間的延遲是65毫秒，而提供更低延遲的線路，通信公司專門拉了一條私有光纜，把延遲降低到了59.95毫秒。私有光纖的部署成本是三億美金。用三億美元的成本提高了5毫秒的速度。那么可想而知，大家愿意為二三十毫秒提升花了多少錢了。

星鏈互聯網業務從2020年11月首次發布公測版。現在星鏈的業務覆蓋范圍主要為北美、南美、歐洲、大洋洲、日本、馬來西亞和非洲的一些國家提供衛星通信服務。在很多已經部署星鏈的國家的業務凈推薦值（NPS）調研中，星鏈都能保持在較高的分數。現在星鏈在加拿大的服務使其成為北美最快的衛星供應商。下載速度為93.97Mb/s，比美國66.59Mb/s的下載速度快40%。墨西哥上個季度的平均下載速度為 56.42Mb/s。可能我們習慣了5G通信，對這種性能表現不以為然，但我舉一個例子：墨西哥的固定寬帶下載速度40.07Mbps比星鏈慢得多。

星鏈一直在不停地網絡調優和發射更多衛星，旨在提供更好的下載速度。根據第三方測試Speedtest Intelligence，在美國星鏈的下載速度從2021年第一季度的65.72Mbps到2022年第一季度的90.55Mbps，提升了38%。在加拿大，星鏈的下載速度同期從61.84Mbps躍升了近58%至97.40Mbps。

星鏈還有一個優勢，和傳統的地面通信網絡不同，地面通信網絡由于在城市部署的基站數量密集，所以整體的性能表現要好于郊區，但是星鏈不同，在人跡罕至的地方，恰恰是星鏈性能表現更為突出的地方。

星鏈衛星的數據傳輸速度會因在軌衛星數量、覆蓋范圍、網絡擁塞和技術進步等多種因素而有所不同。星鏈的目標是為其用戶提供高達 1 Gbps 的下載速度和高達 50 Mbps 的上傳速度。為了達到這一目標，星鏈就需要部署足夠數量的衛星，以確保全面覆蓋并增加網絡容量，以最大限度地減少網絡擁塞。這也是為什么星鏈一直發射衛星，并計劃把衛星的數量擴展到42000顆的原因。目前每顆衛星的容量為80Gbps，如果按照42000顆V2衛星來推算的話，總的瞬間帶寬可以做到每秒3360Tbps，如果所有用戶都是平均分布在地球表面，實現100Mbps的下載速度，用戶容量可以做到3360萬，而如果平均達到1Gbps，用戶容量是336萬。當然這是一個非常簡單的估算，星鏈實際網絡性能和容量可能因多種因素而異，包括技術進步、網絡設計、特定區域的用戶密度以及其他運營考慮因素。

星鏈并不是類似GPS一樣的可以集成在手機里面的通信模塊，想要使用星鏈業務，你必須要準備一堆的配，包括：1. 星鏈衛星天線：相對較大的盤形或者方形天線，通常被安裝在房屋、建筑物或地面上的支架上。該天線用于接收來自星鏈衛星的信號并與之通信。2. 星鏈調制解調器：這是與星鏈衛星天線配套的設備，用于連接天線和計算機或路由器。調制解調器接收來自天線的信號，并將其轉換為可在計算機或路由器上使用的互聯網連接，而且還需要網絡電纜、以太網線連接到你已經有的Wi-Fi路由器上。3. 電源適配器：用于為星鏈天線和調制解調器提供電力供應。

有了上述的配備，你才能有了使用星鏈業務的可能。當然，還要看星鏈是否在你所處的地區開通了業務，如果沒有，即便，你準備了一堆的硬件，還是搜不到任何的信號。

這種業務體驗，我理解可能是從發展業務的可控性出發設計的。但是確實極大限制了星鏈業務的使用。本來衛星通信應該是支持移動通信的，但是目前的這種狀況，智能支持裝了上述設備的移動船只、汽車和飛機才可以做到。當然，由于先發優勢，特斯拉汽車支持和星鏈衛星的通信能力，但目前是接受衛星的廣播數據。未來，星鏈衛星還可能用到哪些應用場景，將會給人們的生活、工作和科研帶來怎樣的變革？以及這種龐大的計劃和變革是否還關聯著更大的挑戰和危機？又或者引領我們一種全新的時代？一切都有待時間的考驗。