一、Starlink星鏈計(jì)劃是什么？
　　1. 目標(biāo)：4.2 萬顆衛(wèi)星
　　2. 性能測(cè)試
　　二、5G 通信性能
　　1. 通信速度
　　2. 通信時(shí)延
　　3. 速度快的主要原因
　　4. 系統(tǒng)容量
　　三、Starlink 與 5G 的對(duì)比
　　1. 覆蓋范圍
　　2. 通信速度
　　四、Starlink 的優(yōu)勢(shì)
　　1. 偏遠(yuǎn)地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)
　　2. 軍事目的
　　一、Starlink星鏈計(jì)劃是什么？
　　今年的 3.15 晚會(huì)，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(gè)宏偉藍(lán)圖：Starlink（星鏈）項(xiàng)目，聽起來就異常的高大上。
　　

　　星鏈（Starlink）是太空服務(wù)公司 SpaceX 計(jì)劃推出的一項(xiàng)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(wù)。這是馬斯克在 2015 年宣布推出的一項(xiàng)太空高速互聯(lián)網(wǎng)計(jì)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(gè)人提供高速互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。
　　這個(gè)計(jì)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(shí)：
　　馬斯克的星鏈（Starlink）是什么？想做什么？
　　5G 通信技術(shù)，為什么這么厲害？
　　Starlink項(xiàng)目為什么無法與 5G 抗衡？
　　Starlink 的優(yōu)勢(shì)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(xiàng)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(hào)火箭從佛羅里達(dá)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(dāng)于報(bào)廢了。有報(bào)道稱：在設(shè)計(jì)壽命只過了這樣小的一部分之后，就出現(xiàn)如此高的實(shí)際報(bào)廢率，意味著星鏈衛(wèi)星在整個(gè)任務(wù)期內(nèi)的報(bào)廢率“樂觀地說，也將會(huì)高達(dá)令人吃驚的22%”。
　　從 SpaceX 透露的長遠(yuǎn)計(jì)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(zhǔn)，3 萬顆已提交申請(qǐng)。
　　地球低軌的軌道、頻率資源是有限的，就像大學(xué)校園的自習(xí)室一樣，國際衛(wèi)星界遵循“先占先得”的理念，但因?yàn)樾擎溣?jì)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(duì)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(dòng)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(jì)劃分成三個(gè)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(wù)，所以后面也會(huì)提到 Beta 測(cè)試階段，只為這些地區(qū)提供服務(wù)；
　　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(wù)；
　　這 1.2 萬顆衛(wèi)星必須要在 2027 年發(fā)射完成。
　　　2. 性能測(cè)試
　　SpaceX 的官員曾經(jīng)表達(dá)過下圖中的觀點(diǎn)（星鏈項(xiàng)目服務(wù)于全球 4 億人口）。
　　2020年11月，星鏈的 Beta 公測(cè)開始，費(fèi)用是 99 美元外加 499 美元的接收設(shè)備（鍋蓋形狀的接收天線 + WiFi路由器），就是下面這個(gè)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(cè)試服務(wù)。截至 202年2月5日，SpaceX 公司宣稱，目前大概有超過 1 萬名測(cè)試者在使用星鏈提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。
　　這里有幾個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)：
　　美國網(wǎng)絡(luò)測(cè)速統(tǒng)計(jì)公司 Ookla 的數(shù)據(jù)，最新 Beta 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)上傳速度達(dá)到 23 Mbps，下載速度達(dá)到 160Mbps。
　　外媒 wccfetch 2021年1月17日消息，SpaceX 公司的 Starlink 星鏈網(wǎng)絡(luò)近日在地面測(cè)試中達(dá)到了 190Mbps 的網(wǎng)速，這個(gè)測(cè)試結(jié)果是由居住在美國蒙大拿州的 Beta 版測(cè)試用戶得到的。
　　一名用戶的測(cè)試結(jié)果：Starlink 星鏈網(wǎng)絡(luò)平均速度接近 80Mbps，上傳速度 14Mbps，通俗講，相當(dāng)于國內(nèi)的150M光纖寬帶水平，速度還可以，但最突出的是時(shí)間延遲（38ms）。
　　可以看到，每個(gè)測(cè)試結(jié)果略有不同，這主要與測(cè)試地點(diǎn)有關(guān)系。比如其中的最高測(cè)試速度是上行 190 Mbps，因?yàn)槊纱竽弥菔?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(duì)于這個(gè)結(jié)果，美國人其實(shí)是非常開心、非常期待的，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果與美國最大的傳統(tǒng)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營商 Viasat 一比較，就得出了顯著的優(yōu)勢(shì)：
　　Viasat 的 Unlimited Silver 25 套餐，月費(fèi) $100，標(biāo)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(jì)，該公司標(biāo)稱帶寬 100 Mbps的套餐（月費(fèi)$200），實(shí)際用戶測(cè)試的平均結(jié)果，只有 33 Mbps。
　　但是，我們先想象一下，假設(shè)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(huì)不會(huì)集中所有的資源來為測(cè)試者服務(wù)，來得到一份漂亮的成績單？
　　也就是說，我們基本上可以認(rèn)為上面的測(cè)試結(jié)果是在非常理想的條件下得到的。我們?cè)偌僭O(shè)一下目前的 1325 顆衛(wèi)星，都為參與測(cè)試的 1 萬個(gè)人服務(wù)，平均就是每顆衛(wèi)星服務(wù) 7 個(gè)人。這樣計(jì)算肯定不嚴(yán)謹(jǐn)，但是目前的測(cè)試結(jié)果基本上就是在這個(gè)量級(jí)上得到的。
　　　二、5G 通信性能
　　5G 的性能目標(biāo)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(shè)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(duì)比圖表：
　　在一項(xiàng) 15 個(gè)國家和地區(qū)中，追蹤調(diào)查的 5G 速度的調(diào)查中顯示，5G 網(wǎng)絡(luò)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(luò) 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(luò)在追蹤調(diào)查期間的平均下載速度為 336.1 Mbps，是 4G 網(wǎng)絡(luò) 60.5Mbps 平均下載速度的 5.6 倍。
　　我國的實(shí)測(cè)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(gè)速度跟星鏈相比，是不是壓倒性的優(yōu)勢(shì)??！
　　2.通信時(shí)延
　　先說一個(gè)概念：4G 通信的時(shí)延是 20 ms，5G 的時(shí)延是 1ms。感受一下這里的差距，很強(qiáng)悍！
　　什么是通信時(shí)延？
　　　上圖是手機(jī)和基站之間，上行（手機(jī)主動(dòng)發(fā)起）通信時(shí)的交互流程，圖中的每一個(gè)紅色方塊，用來表示處理時(shí)間，這些處理時(shí)間累加起來，就是上行通信的時(shí)延，下行通信（基站主動(dòng)發(fā)起）同樣如此。
　　對(duì)于 4G 來說，上行時(shí)延 12.5ms，下行時(shí)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(yù)期目標(biāo)，星鏈的所有衛(wèi)星部署完畢后，最最理想的時(shí)延是低于 10 ms，這也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 5G 的時(shí)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(duì)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(dāng)于在 4G 的基礎(chǔ)上，又增添了好多倍的寬度。
　　（2） Massive MIMO（大規(guī)模天線技術(shù)）
　　MIMO 的全稱是：Multiple Input Multiple Output，意為多入多出，主要靠在空中同時(shí)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(jī)的接收天線數(shù)。
　　電磁波的顯著特點(diǎn)：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(zhì)中的衰減也越大。
　　在中學(xué)物理課本上，學(xué)過這樣一個(gè)公式：速度 = 波長 * 頻率。頻率越高，波長越短，信號(hào)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(dǎo)航（波長1cm左右），如果有遮擋物，就沒有信號(hào)了。
　　對(duì)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(jī)時(shí)代，每一臺(tái)手機(jī)上都長著一根天線，現(xiàn)在的手機(jī)天線都被隱藏在內(nèi)部了。
　　既然天線變短了，那么就意味著在手機(jī)內(nèi)部有更多的空間放置更多的天線了！
　　在 5G 時(shí)代，天線不是按照“根”來計(jì)算的，而是按照“陣列”來計(jì)算。所以，我們?cè)谝恍┬盘?hào)塔上，可以看到一個(gè)小基站身上，看到好多根天線。
　　空間復(fù)用
　　傳統(tǒng)的 MIMO 稱之為2D-MIMO，信號(hào)在做覆蓋時(shí)，只能在水平方向移動(dòng)，垂直方向是不動(dòng)的，信號(hào)類似一個(gè)平面發(fā)射出去，而 Massive MIMO，是信號(hào)水平維度空間基礎(chǔ)上引入垂直維度的空域進(jìn)行利用，信號(hào)的輻射狀是個(gè)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(shí)傳輸多個(gè)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(shè)天線陣列，通過對(duì)射頻信號(hào)相位的控制，它能將無線信號(hào)聚集到特定方向，而不是擴(kuò)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(wù)的手機(jī)，而且能跟據(jù)手機(jī)的移動(dòng)而轉(zhuǎn)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(gè)屋子里的人，后者則可以持續(xù)指向或追蹤單個(gè)用戶。
　　4. 系統(tǒng)容量
　　每一個(gè)基站的覆蓋范圍、服務(wù)能力都是有一定限制的：

　　從覆蓋的范圍上來計(jì)算，5G 基站的數(shù)量應(yīng)該是 4G 基站的 100 倍，才能達(dá)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(gè)5G基站，郊區(qū)大概每 500 米到 1 公里左右需建 1 個(gè)5G基站，農(nóng)村則需要每 1.5 公里到 2.5 公里建一個(gè) 5G 基站。

　　因?yàn)?5G 信號(hào)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(shè)更密集的 5G 室內(nèi)基站。
　　5G 基站分為 2 種：微基站和宏基站?？疵志椭?，微基站很?。ㄔ靸r(jià)低），宏基站很大（造價(jià)高）！據(jù)工信部介紹，我國已經(jīng)建設(shè)完成了大約 71.8 萬個(gè) 5G 基站，預(yù)計(jì) 2030 年將會(huì)達(dá)到 1500 萬個(gè)。
　　據(jù)預(yù)測(cè)，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(duì)于設(shè)備商來說，真的是一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)！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(duì)運(yùn)營商來說也是一個(gè)巨大的成本。
　　這里有一個(gè)小知識(shí)普及一下：有些人認(rèn)為基站這么多，其輻射是否對(duì)人體產(chǎn)生更大的影響？這一點(diǎn)可以放心，和傳統(tǒng)認(rèn)知恰好相反，事實(shí)上基站數(shù)量越多，輻射反而越小！你想象一下，冬天一群人在房子里取暖，是一個(gè)大功率取暖器好，還是幾個(gè)小功率取暖器好？
　　從網(wǎng)上找了下面 2 張圖：

　　所以，關(guān)于輻射這一點(diǎn)是不用擔(dān)心的！
　　三、Starlink 與 5G 的對(duì)比
　　1. 覆蓋范圍
　　一個(gè)基站的容量有有限制的，一個(gè) 4G 基站從技術(shù)上通常是可以支持最大連接 1200 個(gè)用戶，但是如果接入的用戶多，速度和穩(wěn)定性肯定會(huì)下降。
　　我們就來做個(gè)最粗暴的對(duì)比，中國有 450 萬個(gè)左右的 4G 基站，連接的移動(dòng)用戶數(shù)按 10 億計(jì)算，一個(gè)基站平均連接用戶 222 個(gè)左右。
　　那么星鏈系統(tǒng)呢？按照 SpaceX 所說的 1 億用戶、4.2 萬個(gè)衛(wèi)星計(jì)算，相當(dāng)于一顆衛(wèi)星連接 2381 個(gè)鍋蓋（終端），這個(gè)數(shù)字已經(jīng)是中國 4G 基站的設(shè)計(jì)最大連接標(biāo)準(zhǔn)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(luò)，這個(gè)承載根本就是不現(xiàn)實(shí)的。
　　初步估算，4.2 萬顆衛(wèi)星，頂多可能支撐到 1000 萬級(jí)別的用戶，而且在這個(gè)數(shù)量的級(jí)別，通信速度可能會(huì)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(cè)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(shí)延，Starlink 與 5G 都不在一個(gè)層次上。
　　而且 Startlink 還需要背著一個(gè)鍋?zhàn)邅碜呷?，上班、旅游、做地鐵怎么辦？讓你在大街上背著這個(gè)鍋上網(wǎng)，給你錢估計(jì)都不會(huì)愿意。
　　四、Starlink 的優(yōu)勢(shì)
　　1. 局部地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)
　　如果 Starlink 的所有 4.2 萬顆衛(wèi)星部署完畢，平均服務(wù)于全球范圍，顯然是不太現(xiàn)實(shí)的。
　　對(duì)于一些地廣人稀、人跡罕至的局部地區(qū)，固網(wǎng)鋪設(shè)成本很高，營運(yùn)商沒有激勵(lì)，導(dǎo)致寬頻很貴。在這些地方，可靠的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)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(jī)，背后其實(shí)都是衛(wèi)星網(wǎng)路。
　　4G、5G 網(wǎng)絡(luò)不能覆蓋到的偏遠(yuǎn)地區(qū)、荒漠、大洋；
　　美國、加拿大那些人口密度低的農(nóng)場(chǎng)；
　　亞非拉那些比較小的、網(wǎng)絡(luò)不完善的國家；
　　偏遠(yuǎn)山區(qū)；
　　在這些地方推廣衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，比推廣 5G 更劃算，因?yàn)槿丝诿芏鹊停?G 設(shè)備覆蓋一平方公里可能只有 10 個(gè)用戶使用。相對(duì)于5G來說，星鏈由于采用衛(wèi)星傳輸?shù)姆绞?，因此信?hào)覆蓋將不會(huì)受到地形、地貌和所在區(qū)域的限制。
　　2. 軍事服務(wù)
　　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(jìn)行軍事通訊。在馬斯克鼓勵(lì)全球都使用 Starlink 同時(shí)，又率先和軍方建立聯(lián)系，難免讓全世界多個(gè)心眼。
　　如果使用他的星鏈，沒人能保證如果戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，美方會(huì)不會(huì)切斷對(duì)手的通訊？畢竟這是有過先例的。
　　在1996大演習(xí)中，我國在進(jìn)行導(dǎo)彈試射時(shí)，出現(xiàn)了兩顆導(dǎo)彈試射后失去信號(hào)的情況，我國導(dǎo)彈之所以會(huì)失去控制，這是因?yàn)槊绹矫鎸⑽覀冄萘?xí)地區(qū)的衛(wèi)星定位信號(hào)關(guān)閉了。
　　后來，在一次導(dǎo)彈試射中，我國正進(jìn)行一次東風(fēng)21C的打靶試驗(yàn)，美國再次將 GPS 制導(dǎo)信號(hào)切斷，美軍以為中國依然會(huì)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(hào)的東風(fēng)21C，并沒有出現(xiàn)無法精確定位的情況，其依舊準(zhǔn)確的命中了目標(biāo)，因?yàn)橐呀?jīng)用上了北斗！
　　因此，如果對(duì)于星鏈所提供的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)依賴太深，會(huì)不會(huì)在關(guān)鍵時(shí)刻也會(huì)成為刀俎上的魚肉？
　　不過，我倒覺得星鏈項(xiàng)目中的這么多顆衛(wèi)星（4.2 萬顆），在關(guān)鍵時(shí)刻是不是可以充當(dāng)人肉炸彈的功能？
　　比如在軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中，直接向?qū)Ψ降膶?dǎo)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(yuǎn)景
　　最后，請(qǐng)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(huì)出現(xiàn)這樣奇幻的景象？似乎又回到了小時(shí)候，躺在院子里的小床上，仰望著點(diǎn)點(diǎn)星空！

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