- 一、Starlink星链计划是什么？
- 1. 目标：4.2 万颗卫星
- 2. 性能测试
- 二、5G 通信性能
- 1. 通信速度
- 2. 通信时延
- 3. 速度快的主要原因
- 4. 系统容量
- 三、Starlink 与 5G 的对比
- 1. 覆盖范围
- 2. 通信速度
- 四、Starlink 的优势
- 1. 偏远地区的网络服务
- 2. 军事目的
一、Starlink星链计划是什么？
今年的 3.15 晚会，很多人都觉得缺少了特斯拉的一席之地，最近马斯克忙的很，又是在中国辟谣没有监控车主，又是在推特上跟网友“干架”，这么成功的商人，精力还这么充沛，真的让我们佩服！
今天我们来了解一下马斯克的另一个宏伟蓝图：Starlink(星链)项目，听起来就异常的高大上。
星链（Starlink）是太空服务公司 SpaceX 计划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接入服务。这是马斯克在 2015 年宣布推出的一项太空高速互联网计划，通过在地球近地轨道部署 42000 颗卫星，为地球上的每一个人提供高速互联网服务。
这个计划到底是否靠谱？是否可以与 5G 来抗衡？通过这篇文章，你可以了解下面这些知识：
- 马斯克的星链(Starlink)是什么？想做什么？
- 5G 通信技术，为什么这么厉害？
- Starlink项目为什么无法与 5G 抗衡？
- Starlink 的优势是什么？
1. 卫星发射情况
在天气晴朗的夜晚，如果你在天空中看到排成一条直线的星星，千万不要诧异，那不是天有异象，极有可能就是星链项目中的卫星群。
自从 2019年5月，SpaceX 发射第一批卫星(60颗)以来，到 2021.3月14日，第 22 批(60 颗)星链卫星搭乘猎鹰 9 号火箭从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空，SpaceX 一共发射了 1325 颗星链卫星。
据说：第一批的 60 颗卫星中，已经有 39 颗偏离轨道了，也就是相当于报废了。有报道称：在设计寿命只过了这样小的一部分之后，就出现如此高的实际报废率，意味着星链卫星在整个任务期内的报废率“乐观地说，也将会高达令人吃惊的22%”。
从 SpaceX 透露的长远计划来看，一共要向近地轨道发射 42000 颗卫星。其中 1.2 万颗已获批准，3 万颗已提交申请。
地球低轨的轨道、频率资源是有限的，就像大学校园的自习室一样，国际卫星界遵循“先占先得”的理念，但因为星链计划卫星数量庞大，跟以前的地球静止轨道卫星概念不同，星链对于低轨的占据几乎是“先占永得”。
在2019年与法国的一颗卫星相遇，但SpaceX为了保住自己的轨道资源，采取了“不避让”原则，最终逼得法国的卫星主动避让。不知道是不是马斯克太有钱了，还是研究透了“胆小鬼博弈”里的规则。
在 1.2 万颗卫星中，星链计划分成三个阶段：
第一阶段：发射 1600 颗卫星，为美国北部和加拿大的客户提供服务，所以后面也会提到 Beta 测试阶段，只为这些地区提供服务； 第二阶段：发射 2825 颗卫星，完成全球组网； 第三阶段：发射 7518 颗卫星组成星座，为全球提供天基互联网服务；
这 1.2 万颗卫星必须要在 2027 年发射完成。
2. 性能测试
SpaceX 的官员曾经表达过下图中的观点（星链项目服务于全球 4 亿人口）。
2020年11月，星链的 Beta 公测开始，费用是 99 美元外加 499 美元的接收设备（锅盖形状的接收天线 WiFi路由器），就是下面这个样子:
实物图如下：
目前已经发射的卫星，部署在美国和加拿大，因此也只向这些地区的用户提供测试服务。截至 202年2月5日，SpaceX 公司宣称，目前大概有超过 1 万名测试者在使用星链提供的网络服务。
这里有几个测试数据：
- 美国网络测速统计公司 Ookla 的数据，最新 Beta 测试网络上传速度达到 23 Mbps，下载速度达到 160Mbps。
- 外媒 wccfetch 2021年1月17日消息，SpaceX 公司的 Starlink 星链网络近日在地面测试中达到了 190Mbps 的网速，这个测试结果是由居住在美国蒙大拿州的 Beta 版测试用户得到的。
- 一名用户的测试结果：Starlink 星链网络平均速度接近 80Mbps，上传速度 14Mbps，通俗讲，相当于国内的150M光纤宽带水平，速度还可以，但最突出的是时间延迟（38ms）。
可以看到，每个测试结果略有不同，这主要与测试地点有关系。比如其中的最高测试速度是上行 190 Mbps，因为蒙大拿州是 SpaceX 最早建立地球接收站以及数据中继中心的地区之一。
对于这个结果，美国人其实是非常开心、非常期待的，因为这个结果与美国最大的传统卫星互联网运营商 Viasat 一比较，就得出了显著的优势：
Viasat 的 Unlimited Silver 25 套餐，月费 100，标称带宽只有 25 Mbps，而且还有60GB的数据封顶；而根据第三方统计，该公司标称带宽 100 Mbps的套餐（月费200），实际用户测试的平均结果，只有 33 Mbps。
但是，我们先想象一下，假设你就是马斯克，为了得到更多的融资，现在需要秀一下肌肉，把星链的初步成果向世界展示，你会不会集中所有的资源来为测试者服务，来得到一份漂亮的成绩单？
也就是说，我们基本上可以认为上面的测试结果是在非常理想的条件下得到的。我们再假设一下目前的 1325 颗卫星，都为参与测试的 1 万个人服务，平均就是每颗卫星服务 7 个人。这样计算肯定不严谨，但是目前的测试结果基本上就是在这个量级上得到的。
二、5G 通信性能
5G 的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接，下面就把这几方面拆开来分析一下。
1. 通信速度
先放一张从 1G 到 4G 的通信速度对比图表：
在一项 15 个国家和地区中，追踪调查的 5G 速度的调查中显示，5G 网络平均下载速度最快的是沙特，平均下载速度为 377.2 Mbps，是 4G 网络 30.1 Mbps 的 12.5 倍。
平均下载速度仅次于沙特的是韩国，其 5G 网络在追踪调查期间的平均下载速度为 336.1 Mbps，是 4G 网络 60.5Mbps 平均下载速度的 5.6 倍。
我国的实测情况：5G的下行速率平均 538.5Mbps，较 4G 下行速率普遍快 10 倍以上，虽然比理论上的峰值还有很大的差距，但是这个速度跟星链相比，是不是压倒性的优势啊！
2.通信时延
先说一个概念：4G 通信的时延是 20 ms，5G 的时延是 1ms。感受一下这里的差距，很强悍！
什么是通信时延?
上图是手机和基站之间，上行(手机主动发起)通信时的交互流程，图中的每一个红色方块，用来表示处理时间，这些处理时间累加起来，就是上行通信的时延，下行通信(基站主动发起)同样如此。
对于 4G 来说，上行时延 12.5ms，下行时延 7.5ms，一共是 20ms。
看一下下面这张图，是马斯克在一次发言中所说的：
根据图中的预期目标，星链的所有卫星部署完毕后，最最理想的时延是低于 10 ms，这也远远大于 5G 的时延！
3. 速度快的主要原因
(1) 频谱更宽
5G的频谱分为两段:
FR1（Frequency Range 1）: 低于 6GHz, 带宽是 100 M。 FR2（Frequency Range 2）: 高于 6GHz，毫米波，带宽最多是 400M。
直接看数字好像没有感觉，但是一对比感觉就出来了：4G 的带宽是 20M。
带宽就像高速公路，数据就像在高速公路上跑的汽车。5G 这条高速公路，就相当于在 4G 的基础上，又增添了好多倍的宽度。
(2) Massive MIMO(大规模天线技术)
MIMO 的全称是：Multiple Input Multiple Output，意为多入多出，主要靠在空中同时传输多路不同的数据来成倍地提升网速，下行 MIMO 取决于基站的发射天线数和手机的接收天线数。
电磁波的显著特点：频率越高，波长越短，越趋近于直线传播（绕射和穿墙能力越差）。频率越高，在传播介质中的衰减也越大。
在中学物理课本上，学过这样一个公式：速度 = 波长 * 频率。频率越高，波长越短，信号就越容易被挡住。
比如激光笔，波长大概是 635nm 左右，射出的就是一条直线，用手挡住就穿不过去了。再比如卫星通信和 GPS 导航（波长1cm左右），如果有遮挡物，就没有信号了。
对于 5G 来说，频率更高，波长更短，绕射和穿透能力就更差了，因此需要部署更多的基站。另一方面，波长变短了，于是天线也就跟着变短了！
天线数量
有过生活阅历的朋友一定都记得，在之前的功能机时代，每一台手机上都长着一根天线，现在的手机天线都被隐藏在内部了。
既然天线变短了，那么就意味着在手机内部有更多的空间放置更多的天线了！
在 5G 时代，天线不是按照“根”来计算的，而是按照“阵列”来计算。所以，我们在一些信号塔上，可以看到一个小基站身上，看到好多根天线。
空间复用
传统的 MIMO 称之为2D-MIMO，信号在做覆盖时，只能在水平方向移动，垂直方向是不动的，信号类似一个平面发射出去，而 Massive MIMO，是信号水平维度空间基础上引入垂直维度的空域进行利用，信号的辐射状是个电磁波束。
简而言之，就是通过在不同传播路径或空间路径上发送相同数据来提高系统的可靠性，不仅能通过空中信道的多样化来提升性能，还可以同时传输多个消息，并在传输过程中各行其道，互不干扰。
波束成形
在基站上布设天线阵列，通过对射频信号相位的控制，它能将无线信号聚集到特定方向，而不是扩散到广域中。这样就使得相互作用后的电磁波的波瓣变得非常狭窄，并指向它所提供服务的手机，而且能跟据手机的移动而转变方向。
就像手电筒与激光笔之间的区别，前者可以照亮整个屋子里的人，后者则可以持续指向或追踪单个用户。
4. 系统容量
每一个基站的覆盖范围、服务能力都是有一定限制的：
从覆盖的范围上来计算，5G 基站的数量应该是 4G 基站的 100 倍，才能达到 4G 基站的覆盖范围。
据估算，在城市中心区域大概每 200 米到 300 米就需建 1 个5G基站，郊区大概每 500 米到 1 公里左右需建 1 个5G基站，农村则需要每 1.5 公里到 2.5 公里建一个 5G 基站。
因为 5G 信号的穿透力大幅减弱，未来在人群分布密集的写字楼、居住区、商业区等区域，还需要建设更密集的 5G 室内基站。
5G 基站分为 2 种：微基站和宏基站。看名字就知道，微基站很小(造价低)，宏基站很大(造价高)！据工信部介绍，我国已经建设完成了大约 71.8 万个 5G 基站，预计 2030 年将会达到 1500 万个。
据预测，5G 宏基站数量约为 4G 基站数量的 2 倍以上，小基站数量约为 4G 宏基站数量的 2倍到3倍。
这么庞大的数量，对于设备商来说，真的是一个巨大的机会！另一方面，同样的基站，5G 的功耗大小是 4G 的 3-4 倍左右，这对运营商来说也是一个巨大的成本。
这里有一个小知识普及一下：有些人认为基站这么多，其辐射是否对人体产生更大的影响？这一点可以放心，和传统认知恰好相反，事实上基站数量越多，辐射反而越小！你想象一下，冬天一群人在房子里取暖，是一个大功率取暖器好，还是几个小功率取暖器好？
从网上找了下面 2 张图：
所以，关于辐射这一点是不用担心的！
三、Starlink 与 5G 的对比
1. 覆盖范围
一个基站的容量有有限制的，一个 4G 基站从技术上通常是可以支持最大连接 1200 个用户，但是如果接入的用户多，速度和稳定性肯定会下降。
我们就来做个最粗暴的对比，中国有 450 万个左右的 4G 基站，连接的移动用户数按 10 亿计算，一个基站平均连接用户 222 个左右。
那么星链系统呢？按照 SpaceX 所说的 1 亿用户、4.2 万个卫星计算，相当于一颗卫星连接 2381 个锅盖（终端），这个数字已经是中国 4G 基站的设计最大连接标准的 2 倍。况且卫星离地面至少四五百公里、卫星既要连接锅盖（终端）还要接入地面的骨干通信网络，这个承载根本就是不现实的。
初步估算，4.2 万颗卫星，顶多可能支撑到 1000 万级别的用户，而且在这个数量的级别，通信速度可能会下降很多，更不可能与我们的 4G 相比，更别说 5G 了。
2. 通信速度
从上面的测试数据中已经看出，无论是下行、上行速度，还是通信时延，Starlink 与 5G 都不在一个层次上。
而且 Startlink 还需要背着一个锅走来走去，上班、旅游、做地铁怎么办？让你在大街上背着这个锅上网，给你钱估计都不会愿意。
四、Starlink 的优势
1. 局部地区的网络服务
如果 Starlink 的所有 4.2 万颗卫星部署完毕，平均服务于全球范围，显然是不太现实的。
对于一些地广人稀、人迹罕至的局部地区，固网铺设成本很高，营运商没有激励，导致宽频很贵。在这些地方，可靠的物联网服务仍然是一种奢侈品。
因此，卫星网路就成为了一种替代方案。比如在美国的中西部，很多商户，比如旅馆提供的 Wi-Fi，以及餐馆超市的 POS 机，背后其实都是卫星网路。
- 4G、5G 网络不能覆盖到的偏远地区、荒漠、大洋；
- 美国、加拿大那些人口密度低的农场；
- 亚非拉那些比较小的、网络不完善的国家；
- 偏远山区；
在这些地方推广卫星网络，比推广 5G 更划算，因为人口密度低，5G 设备覆盖一平方公里可能只有 10 个用户使用。相对于5G来说，星链由于采用卫星传输的方式，因此信号覆盖将不会受到地形、地貌和所在区域的限制。
2. 军事服务
美国陆军于 2020年5月，与 SpaceX 签署了 CRADA 这样一份合同研发协议，将用星链来帮他们进行军事通讯。在马斯克鼓励全球都使用 Starlink 同时，又率先和军方建立联系，难免让全世界多个心眼。
如果使用他的星链，没人能保证如果战争爆发，美方会不会切断对手的通讯？毕竟这是有过先例的。
在1996大演习中，我国在进行导弹试射时，出现了两颗导弹试射后失去信号的情况，我国导弹之所以会失去控制，这是因为美国方面将我们演习地区的卫星定位信号关闭了。
后来，在一次导弹试射中，我国正进行一次东风21C的打靶试验，美国再次将 GPS 制导信号切断，美军以为中国依然会发射失败，于是暗自窃喜。让人意外的事情发生了，被切断信号的东风21C，并没有出现无法精确定位的情况，其依旧准确的命中了目标，因为已经用上了北斗！
因此，如果对于星链所提供的网络接入服务依赖太深，会不会在关键时刻也会成为刀俎上的鱼肉？
不过，我倒觉得星链项目中的这么多颗卫星(4.2 万颗)，在关键时刻是不是可以充当人肉炸弹的功能？
比如在军事战争中，直接向对方的导弹、卫星等撞过去，毕竟数量多啊，损失掉 1 万颗，还剩下 3.2 万颗，谁敢跟我比？！
3. 未来远景
最后，请大家再欣赏一下 2 张效果图，不知道在多年之后的地球上空，是否真的会出现这样奇幻的景象？似乎又回到了小时候，躺在院子里的小床上，仰望着点点星空！
大家如果感兴趣，可以到这个网站上查一下，在自己的所在地，什么时候能一睹星链的一字长蛇阵：https://findstarlink.com/。
参考文献：
- https://www.bbc.com/news/science-environment-51049746
- https://www.thespacereview.com/article/3849/1
- https://cybertakes.com/advantages-of-the-spacex-starlink-satellite/
- https://armaghplanet.com/starlink-good-or-bad.html
- https://phys.org/news/2020-05-costly-collateral-elonmusk-starlink-satellite.html
- https://www.reviews.org/internet-service/spacex-starlink-satellite-internet-review/
