一、Starlink星鏈計劃是什么？
　　1. 目標：4.2 萬顆衛(wèi)星
　　2. 性能測試
　　二、5G 通信性能
　　1. 通信速度
　　2. 通信時延
　　3. 速度快的主要原因
　　4. 系統(tǒng)容量
　　三、Starlink 與 5G 的對比
　　1. 覆蓋范圍
　　2. 通信速度
　　四、Starlink 的優(yōu)勢
　　1. 偏遠地區(qū)的網(wǎng)絡服務
　　2. 軍事目的
　　一、Starlink星鏈計劃是什么？
　　今年的 3.15 晚會，很多人都覺得缺少了特斯拉的一席之地，最近馬斯克忙的很，又是在中國辟謠沒有監(jiān)控車主，又是在推特上跟網(wǎng)友“干架”，這么成功的商人，精力還這么充沛，真的讓我們佩服！
　　今天我們來了解一下馬斯克的另一個宏偉藍圖：Starlink（星鏈）項目，聽起來就異常的高大上。
　　

　　星鏈（Starlink）是太空服務公司 SpaceX 計劃推出的一項通過近地軌道衛(wèi)星群，提供覆蓋全球的高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務。這是馬斯克在 2015 年宣布推出的一項太空高速互聯(lián)網(wǎng)計劃，通過在地球近地軌道部署 42000 顆衛(wèi)星，為地球上的每一個人提供高速互聯(lián)網(wǎng)服務。
　　這個計劃到底是否靠譜？是否可以與 5G 來抗衡？通過這篇文章，你可以了解下面這些知識：
　　馬斯克的星鏈（Starlink）是什么？想做什么？
　　5G 通信技術，為什么這么厲害？
　　Starlink項目為什么無法與 5G 抗衡？
　　Starlink 的優(yōu)勢是什么？
　　1. 衛(wèi)星發(fā)射情況
　　在天氣晴朗的夜晚，如果你在天空中看到排成一條直線的星星，千萬不要詫異，那不是天有異象，極有可能就是星鏈項目中的衛(wèi)星群。
　　自從 2019年5月，SpaceX 發(fā)射第一批衛(wèi)星（60顆）以來，到 2021.3月14日，第 22 批（60 顆）星鏈衛(wèi)星搭乘獵鷹 9 號火箭從佛羅里達州肯尼迪航天中心發(fā)射升空，SpaceX 一共發(fā)射了 1325 顆星鏈衛(wèi)星。
　　據(jù)說：第一批的 60 顆衛(wèi)星中，已經(jīng)有 39 顆偏離軌道了，也就是相當于報廢了。有報道稱：在設計壽命只過了這樣小的一部分之后，就出現(xiàn)如此高的實際報廢率，意味著星鏈衛(wèi)星在整個任務期內的報廢率“樂觀地說，也將會高達令人吃驚的22%”。
　　從 SpaceX 透露的長遠計劃來看，一共要向近地軌道發(fā)射 42000 顆衛(wèi)星。其中 1.2 萬顆已獲批準，3 萬顆已提交申請。
　　地球低軌的軌道、頻率資源是有限的，就像大學校園的自習室一樣，國際衛(wèi)星界遵循“先占先得”的理念，但因為星鏈計劃衛(wèi)星數(shù)量龐大，跟以前的地球靜止軌道衛(wèi)星概念不同，星鏈對于低軌的占據(jù)幾乎是“先占永得”。
　　在2019年與法國的一顆衛(wèi)星相遇，但SpaceX為了保住自己的軌道資源，采取了“不避讓”原則，最終逼得法國的衛(wèi)星主動避讓。不知道是不是馬斯克太有錢了，還是研究透了“膽小鬼博弈”里的規(guī)則。
　　在 1.2 萬顆衛(wèi)星中，星鏈計劃分成三個階段：
　　

　　第一階段：發(fā)射 1600 顆衛(wèi)星，為美國北部和加拿大的客戶提供服務，所以后面也會提到 Beta 測試階段，只為這些地區(qū)提供服務；
　　第二階段：發(fā)射 2825 顆衛(wèi)星，完成全球組網(wǎng)；
　　第三階段：發(fā)射 7518 顆衛(wèi)星組成星座，為全球提供天基互聯(lián)網(wǎng)服務；
　　這 1.2 萬顆衛(wèi)星必須要在 2027 年發(fā)射完成。
　　　2. 性能測試
　　SpaceX 的官員曾經(jīng)表達過下圖中的觀點（星鏈項目服務于全球 4 億人口）。
　　2020年11月，星鏈的 Beta 公測開始，費用是 99 美元外加 499 美元的接收設備（鍋蓋形狀的接收天線 + WiFi路由器），就是下面這個樣子：
　　目前已經(jīng)發(fā)射的衛(wèi)星，部署在美國和加拿大，因此也只向這些地區(qū)的用戶提供測試服務。截至 202年2月5日，SpaceX 公司宣稱，目前大概有超過 1 萬名測試者在使用星鏈提供的網(wǎng)絡服務。
　　這里有幾個測試數(shù)據(jù)：
　　美國網(wǎng)絡測速統(tǒng)計公司 Ookla 的數(shù)據(jù)，最新 Beta 測試網(wǎng)絡上傳速度達到 23 Mbps，下載速度達到 160Mbps。
　　外媒 wccfetch 2021年1月17日消息，SpaceX 公司的 Starlink 星鏈網(wǎng)絡近日在地面測試中達到了 190Mbps 的網(wǎng)速，這個測試結果是由居住在美國蒙大拿州的 Beta 版測試用戶得到的。
　　一名用戶的測試結果：Starlink 星鏈網(wǎng)絡平均速度接近 80Mbps，上傳速度 14Mbps，通俗講，相當于國內的150M光纖寬帶水平，速度還可以，但最突出的是時間延遲（38ms）。
　　可以看到，每個測試結果略有不同，這主要與測試地點有關系。比如其中的最高測試速度是上行 190 Mbps，因為蒙大拿州是 SpaceX 最早建立地球接收站以及數(shù)據(jù)中繼中心的地區(qū)之一。
　　對于這個結果，美國人其實是非常開心、非常期待的，因為這個結果與美國最大的傳統(tǒng)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)運營商 Viasat 一比較，就得出了顯著的優(yōu)勢：
　　Viasat 的 Unlimited Silver 25 套餐，月費 $100，標稱帶寬只有 25 Mbps，而且還有60GB的數(shù)據(jù)封頂；而根據(jù)第三方統(tǒng)計，該公司標稱帶寬 100 Mbps的套餐（月費$200），實際用戶測試的平均結果，只有 33 Mbps。
　　但是，我們先想象一下，假設你就是馬斯克，為了得到更多的融資，現(xiàn)在需要秀一下肌肉，把星鏈的初步成果向世界展示，你會不會集中所有的資源來為測試者服務，來得到一份漂亮的成績單？
　　也就是說，我們基本上可以認為上面的測試結果是在非常理想的條件下得到的。我們再假設一下目前的 1325 顆衛(wèi)星，都為參與測試的 1 萬個人服務，平均就是每顆衛(wèi)星服務 7 個人。這樣計算肯定不嚴謹，但是目前的測試結果基本上就是在這個量級上得到的。
　　　二、5G 通信性能
　　5G 的性能目標是高數(shù)據(jù)速率、減少延遲、節(jié)省能源、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設備連接，下面就把這幾方面拆開來分析一下。
　　1. 通信速度
　　先放一張從 1G 到 4G 的通信速度對比圖表：
　　在一項 15 個國家和地區(qū)中，追蹤調查的 5G 速度的調查中顯示，5G 網(wǎng)絡平均下載速度最快的是沙特，平均下載速度為 377.2 Mbps，是 4G 網(wǎng)絡 30.1 Mbps 的 12.5 倍。
　　平均下載速度僅次于沙特的是韓國，其 5G 網(wǎng)絡在追蹤調查期間的平均下載速度為 336.1 Mbps，是 4G 網(wǎng)絡 60.5Mbps 平均下載速度的 5.6 倍。
　　我國的實測情況：5G的下行速率平均 538.5Mbps，較 4G 下行速率普遍快 10 倍以上，雖然比理論上的峰值還有很大的差距，但是這個速度跟星鏈相比，是不是壓倒性的優(yōu)勢??！
　　2.通信時延
　　先說一個概念：4G 通信的時延是 20 ms，5G 的時延是 1ms。感受一下這里的差距，很強悍！
　　什么是通信時延？
　　　上圖是手機和基站之間，上行（手機主動發(fā)起）通信時的交互流程，圖中的每一個紅色方塊，用來表示處理時間，這些處理時間累加起來，就是上行通信的時延，下行通信（基站主動發(fā)起）同樣如此。
　　對于 4G 來說，上行時延 12.5ms，下行時延 7.5ms，一共是 20ms。
　　看一下下面這張圖，是馬斯克在一次發(fā)言中所說的：
　　根據(jù)圖中的預期目標，星鏈的所有衛(wèi)星部署完畢后，最最理想的時延是低于 10 ms，這也遠遠大于 5G 的時延！
　　3. 速度快的主要原因
　?。?） 頻譜更寬
　　5G的頻譜分為兩段：
　　FR1（Frequency Range 1）： 低于 6GHz, 帶寬是 100 M。
　　FR2（Frequency Range 2）： 高于 6GHz，毫米波，帶寬最多是 400M。
　　直接看數(shù)字好像沒有感覺，但是一對比感覺就出來了：4G 的帶寬是 20M。
　　帶寬就像高速公路，數(shù)據(jù)就像在高速公路上跑的汽車。5G 這條高速公路，就相當于在 4G 的基礎上，又增添了好多倍的寬度。
　?。?） Massive MIMO（大規(guī)模天線技術）
　　MIMO 的全稱是：Multiple Input Multiple Output，意為多入多出，主要靠在空中同時傳輸多路不同的數(shù)據(jù)來成倍地提升網(wǎng)速，下行 MIMO 取決于基站的發(fā)射天線數(shù)和手機的接收天線數(shù)。
　　電磁波的顯著特點：頻率越高，波長越短，越趨近于直線傳播（繞射和穿墻能力越差）。頻率越高，在傳播介質中的衰減也越大。
　　在中學物理課本上，學過這樣一個公式：速度 = 波長 * 頻率。頻率越高，波長越短，信號就越容易被擋住。
　　比如激光筆，波長大概是 635nm 左右，射出的就是一條直線，用手擋住就穿不過去了。再比如衛(wèi)星通信和 GPS 導航（波長1cm左右），如果有遮擋物，就沒有信號了。
　　對于 5G 來說，頻率更高，波長更短，繞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，波長變短了，于是天線也就跟著變短了！
　　天線數(shù)量
　　有過生活閱歷的朋友一定都記得，在之前的功能機時代，每一臺手機上都長著一根天線，現(xiàn)在的手機天線都被隱藏在內部了。
　　既然天線變短了，那么就意味著在手機內部有更多的空間放置更多的天線了！
　　在 5G 時代，天線不是按照“根”來計算的，而是按照“陣列”來計算。所以，我們在一些信號塔上，可以看到一個小基站身上，看到好多根天線。
　　空間復用
　　傳統(tǒng)的 MIMO 稱之為2D-MIMO，信號在做覆蓋時，只能在水平方向移動，垂直方向是不動的，信號類似一個平面發(fā)射出去，而 Massive MIMO，是信號水平維度空間基礎上引入垂直維度的空域進行利用，信號的輻射狀是個電磁波束。
　　簡而言之，就是通過在不同傳播路徑或空間路徑上發(fā)送相同數(shù)據(jù)來提高系統(tǒng)的可靠性，不僅能通過空中信道的多樣化來提升性能，還可以同時傳輸多個消息，并在傳輸過程中各行其道，互不干擾。
　　波束成形
　　在基站上布設天線陣列，通過對射頻信號相位的控制，它能將無線信號聚集到特定方向，而不是擴散到廣域中。這樣就使得相互作用后的電磁波的波瓣變得非常狹窄，并指向它所提供服務的手機，而且能跟據(jù)手機的移動而轉變方向。
　　就像手電筒與激光筆之間的區(qū)別，前者可以照亮整個屋子里的人，后者則可以持續(xù)指向或追蹤單個用戶。
　　4. 系統(tǒng)容量
　　每一個基站的覆蓋范圍、服務能力都是有一定限制的：

　　從覆蓋的范圍上來計算，5G 基站的數(shù)量應該是 4G 基站的 100 倍，才能達到 4G 基站的覆蓋范圍。
　　據(jù)估算，在城市中心區(qū)域大概每 200 米到 300 米就需建 1 個5G基站，郊區(qū)大概每 500 米到 1 公里左右需建 1 個5G基站，農(nóng)村則需要每 1.5 公里到 2.5 公里建一個 5G 基站。

　　因為 5G 信號的穿透力大幅減弱，未來在人群分布密集的寫字樓、居住區(qū)、商業(yè)區(qū)等區(qū)域，還需要建設更密集的 5G 室內基站。
　　5G 基站分為 2 種：微基站和宏基站?？疵志椭溃⒒竞苄。ㄔ靸r低），宏基站很大（造價高）！據(jù)工信部介紹，我國已經(jīng)建設完成了大約 71.8 萬個 5G 基站，預計 2030 年將會達到 1500 萬個。
　　據(jù)預測，5G 宏基站數(shù)量約為 4G 基站數(shù)量的 2 倍以上，小基站數(shù)量約為 4G 宏基站數(shù)量的 2倍到3倍。
　　這么龐大的數(shù)量，對于設備商來說，真的是一個巨大的機會！另一方面，同樣的基站，5G 的功耗大小是 4G 的 3-4 倍左右，這對運營商來說也是一個巨大的成本。
　　這里有一個小知識普及一下：有些人認為基站這么多，其輻射是否對人體產(chǎn)生更大的影響？這一點可以放心，和傳統(tǒng)認知恰好相反，事實上基站數(shù)量越多，輻射反而越??！你想象一下，冬天一群人在房子里取暖，是一個大功率取暖器好，還是幾個小功率取暖器好？
　　從網(wǎng)上找了下面 2 張圖：

　　所以，關于輻射這一點是不用擔心的！
　　三、Starlink 與 5G 的對比
　　1. 覆蓋范圍
　　一個基站的容量有有限制的，一個 4G 基站從技術上通常是可以支持最大連接 1200 個用戶，但是如果接入的用戶多，速度和穩(wěn)定性肯定會下降。
　　我們就來做個最粗暴的對比，中國有 450 萬個左右的 4G 基站，連接的移動用戶數(shù)按 10 億計算，一個基站平均連接用戶 222 個左右。
　　那么星鏈系統(tǒng)呢？按照 SpaceX 所說的 1 億用戶、4.2 萬個衛(wèi)星計算，相當于一顆衛(wèi)星連接 2381 個鍋蓋（終端），這個數(shù)字已經(jīng)是中國 4G 基站的設計最大連接標準的 2 倍。況且衛(wèi)星離地面至少四五百公里、衛(wèi)星既要連接鍋蓋（終端）還要接入地面的骨干通信網(wǎng)絡，這個承載根本就是不現(xiàn)實的。
　　初步估算，4.2 萬顆衛(wèi)星，頂多可能支撐到 1000 萬級別的用戶，而且在這個數(shù)量的級別，通信速度可能會下降很多，更不可能與我們的 4G 相比，更別說 5G 了。
　　2. 通信速度
　　從上面的測試數(shù)據(jù)中已經(jīng)看出，無論是下行、上行速度，還是通信時延，Starlink 與 5G 都不在一個層次上。
　　而且 Startlink 還需要背著一個鍋走來走去，上班、旅游、做地鐵怎么辦？讓你在大街上背著這個鍋上網(wǎng)，給你錢估計都不會愿意。
　　四、Starlink 的優(yōu)勢
　　1. 局部地區(qū)的網(wǎng)絡服務
　　如果 Starlink 的所有 4.2 萬顆衛(wèi)星部署完畢，平均服務于全球范圍，顯然是不太現(xiàn)實的。
　　對于一些地廣人稀、人跡罕至的局部地區(qū)，固網(wǎng)鋪設成本很高，營運商沒有激勵，導致寬頻很貴。在這些地方，可靠的物聯(lián)網(wǎng)服務仍然是一種奢侈品。
　　因此，衛(wèi)星網(wǎng)路就成為了一種替代方案。比如在美國的中西部，很多商戶，比如旅館提供的 Wi-Fi，以及餐館超市的 POS 機，背后其實都是衛(wèi)星網(wǎng)路。
　　4G、5G 網(wǎng)絡不能覆蓋到的偏遠地區(qū)、荒漠、大洋；
　　美國、加拿大那些人口密度低的農(nóng)場；
　　亞非拉那些比較小的、網(wǎng)絡不完善的國家；
　　偏遠山區(qū)；
　　在這些地方推廣衛(wèi)星網(wǎng)絡，比推廣 5G 更劃算，因為人口密度低，5G 設備覆蓋一平方公里可能只有 10 個用戶使用。相對于5G來說，星鏈由于采用衛(wèi)星傳輸?shù)姆绞剑虼诵盘柛采w將不會受到地形、地貌和所在區(qū)域的限制。
　　2. 軍事服務
　　美國陸軍于 2020年5月，與 SpaceX 簽署了 CRADA 這樣一份合同研發(fā)協(xié)議，將用星鏈來幫他們進行軍事通訊。在馬斯克鼓勵全球都使用 Starlink 同時，又率先和軍方建立聯(lián)系，難免讓全世界多個心眼。
　　如果使用他的星鏈，沒人能保證如果戰(zhàn)爭爆發(fā)，美方會不會切斷對手的通訊？畢竟這是有過先例的。
　　在1996大演習中，我國在進行導彈試射時，出現(xiàn)了兩顆導彈試射后失去信號的情況，我國導彈之所以會失去控制，這是因為美國方面將我們演習地區(qū)的衛(wèi)星定位信號關閉了。
　　后來，在一次導彈試射中，我國正進行一次東風21C的打靶試驗，美國再次將 GPS 制導信號切斷，美軍以為中國依然會發(fā)射失敗，于是暗自竊喜。讓人意外的事情發(fā)生了，被切斷信號的東風21C，并沒有出現(xiàn)無法精確定位的情況，其依舊準確的命中了目標，因為已經(jīng)用上了北斗！
　　因此，如果對于星鏈所提供的網(wǎng)絡接入服務依賴太深，會不會在關鍵時刻也會成為刀俎上的魚肉？
　　不過，我倒覺得星鏈項目中的這么多顆衛(wèi)星（4.2 萬顆），在關鍵時刻是不是可以充當人肉炸彈的功能？
　　比如在軍事戰(zhàn)爭中，直接向對方的導彈、衛(wèi)星等撞過去，畢竟數(shù)量多啊，損失掉 1 萬顆，還剩下 3.2 萬顆，誰敢跟我比？！
　　3. 未來遠景
　　最后，請大家再欣賞一下 2 張效果圖，不知道在多年之后的地球上空，是否真的會出現(xiàn)這樣奇幻的景象？似乎又回到了小時候，躺在院子里的小床上，仰望著點點星空！

　　大家如果感興趣，可以到這個網(wǎng)站上查一下，在自己的所在地，什么時候能一睹星鏈的一字長蛇陣：https://findstarlink.com/。
　　參考文獻：
　　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/

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