關於 Starlink,你可能想知道的事與實測心得

作者 | 發布日期 2021 年 04 月 23 日 8:30 | 分類 網路 , 網通設備 Telegram share ! follow us in feedly


你對 Starlink 的想法是什麼呢?住在加拿大渥太華的網友 Leask Wong 在 2021 年於 SpaceX 的 Better Than Nothing Beta 測試計畫拿到設備,他以早期用戶身分,侃侃而談 Starlink 專案體驗。《科技新報》取得授權轉載,一起來看看他的心得。

早在 2020 年,SpaceX 就開始推動 Better Than Nothing Beta 測試計畫。2020 下半年,美國不少符合要求的地址都收到設備。到 2021 年春天,加拿大南部地址的申請陸續透過。筆者就是在這個時候拿到天線,開始體驗。這個過程中,深入了解這套系統的工作方式及背景資料。一番思索之後決定寫出來,給想折騰或感興趣的朋友一個參考。整理這些資料的另一個原因,也是因為很多人對 Starlink 專案有誤解,有無腦黑的,也有期望過高的。有覺得馬老闆專案都是騙人的,有拿著很多年前 PPT 老版本規劃數據在吹噓的,也有各種不切實際的盼望衛星接入會短時間內給人類社會帶來諸如蒸汽機產業革命的。因此身為早期用戶,筆者希望透過整理和分析,給大家更全面的認知。

現狀

Starlink 目前計畫先發射 12,000 顆衛星。其中 1,500 顆在 550 公里軌道,2,800 顆在 1,150 公里軌道,7,500 顆在 340 公里軌道。完成這階段後,會安排另外 30,000 顆,最終達到 42,000 顆衛星,組成全球覆蓋。Starlink 平均每週發射一次,到撰文當日為止在軌衛星有 1,320 顆。每單顆衛星有效覆蓋 2 經度 × 2 緯度 的地表區域,目前主要有效覆蓋集中美國高緯度和加拿大低緯度地區。在這緯度區域的部分歐洲國家用戶也開始陸續收到邀請。更多關於衛星相關的資料可查閱 Wikipedia

速度

很多人關心 Starlink 的實際速度。這個問題比較複雜,Starlink 最新目標速度從 1Gbps 提升到 10Gbps。當然,這估計需要等全部 4 萬顆衛星在軌才能實現。目前計畫最近提速預期發生在 2021 下半年,計畫速度會穩定在 300Mbps,延遲控制 20ms 左右。以上都是畫餅,目前各地用戶的實際速度参差不齊。Reddit 有個愛好者整理的測速列表,可看到各地用戶的實際連接速度,可當參考。總體來說,目前訊號較好的地區達 200Mbps 下載,50Mbps 上傳,15ms 延遲。筆者自己測速基本符合這結果,但筆者所在地區延遲相對大一些,平均 40ms。Starlink 近期已在測試提速能力,訊號特別好的時候,筆者測試最高速度可跑到 400Mbps 左右。

軌道

Starlink 使用的 LEO(Low Earth Orbit,近地軌道)方案是與其他民用級衛星上網方案的最大差別。後來者亞馬遜的方案也學習這設計。大家熟知 35,786 公里的 GSO(Geosynchronous Orbit,地球同步軌道)不一樣。大部分人造衛星工作在 GSO,這是因這軌道衛星旋轉角速度與地球同步,故稱同步軌道。在同步軌道,衛星相對地球是靜止的。所以星歷調整、地面通訊站對準等都相對容易,缺點是距離遠,通訊需要的功率較高,因此需要收發功率和體積都較大的重型天線設備。

需考慮接收設備體積和效率的方案,都傾向採用更低軌道,例如我們熟知的 GPS,就使用 20,180 公里較低軌道。缺點就是更低軌道單星覆蓋的地表區域更小,要全球覆蓋就需要更大規模的衛星群。且更低的軌道,衛星旋轉角速度就比地球更快,高速帶來的離心力平衡地球和衛星間的萬有引力,才能讓衛星停在固定高度。因此越低軌道的衛星,就需要更高繞地旋轉速度。

所以沒有 A-GPS 的年代,傳統 GPS 設備定位前獲得星歷計算位置相當耗時,往往需要幾分鐘到十幾分鐘才能完成首次定位。Starlink 大量採用 340~550 公里軌道,衛星旋轉線速度達 17,500Mph,約每秒 7.8 公里。

所以講這麼多,要理解的其實是 Starlink 用戶端天線通訊時並非連接單一衛星,而是對準整條衛星飛行軌道,然後相控天線根據同步到的星歷,精準與飛過頭頂的衛星收發訊號。用戶上一個網頁,可能是透過頭頂飛過的若干衛星分包傳輸回來,是天線內部暫存拼接完再傳輸給用戶。

不像很多人想的那樣,頭頂固定一個衛星,透過固定鏈路通訊。這個設計增加客戶端天線的複雜度,必須使用相控天線陣列才能實現,而不能使用傳統的定向衛星天線。這是因為相控天線陣列支援波束賦形,更容易對準滑過天空的衛星。Starlink 選了難度更大、但高頻寬和低延遲的方案。感興趣的話可上這個網站,了解 Starlink 衛星的即時位置。

鏈路

Starlink 設計兩種鏈路。第一階段實現的是:

用戶⟷ 衛星⟷地面站⟷網站服務器

以及目前演進的第二階段:

用戶⟷衛星⋯⋯衛星⟷地面站⟷網站服務器

第二階段方案主要引入衛星與衛星通訊,透過衛星間雷射通訊完成。粗略看沒多大差別,但是這才是 Starlink 方案核心體驗最大期望的一環。在第一階段,用戶存取請求會經由衛星轉發到最近的地面站,流量透過地面站轉發到目標服務器,獲得回應後原路返回。這個方案簡單但缺點明顯,因和直接接入光纖沒有差別,且還額外增加用戶到衛星、衛星到地面站的延遲,完成一次迴路就要增加至少 4 個額外的延遲環節。

最終依然透過傳統光纖實現主要路由,走完用戶到網站的物理距離。且更差的情況是第一個地面站沒有適合路由,只能把請求轉到另一個衛星,由另一個衛星從其他地面站落地,於是就會出現反覆在地面站和衛星間跳轉。

目前 Starlink 方案,通訊最慢的階段就是衛星和地面這段,如果需反覆在衛星和地面中繼,延遲將徹底失控。第二階段方案,網路流量將透過頭頂衛星在真空以雷射於衛星間轉發,並在最接近網站服務器的地面站落地,主要透過衛星間的雷射路由走完物理距離。得益於真空光速是光纖光速的 1.5 倍,且軌道衛星路由高機率可得出距離更短、效率更高的轉發方案,因此最終延遲和頻寬都將比第一階段方案好,甚至可能優於傳統光纖。

2020 年底發射的衛星已具備衛星間通訊能力,根據畫餅,完全衛星間通訊達成後,網路延遲可控制在 1.8ms × 4 也就是 10ms 量級。但這要求衛星群覆蓋相當完善才有希望,目前距離所需衛星數量依然相當很遠。事實上目前有效工作的衛星集中在北緯 53 度左右,這就是為什麼只有美加交界地區獲得比較好的連接效果。另外目前 Starlink 只提供 IPv4 連接方式,IPv6 據說即將開放,但沒有看到官方時間表。

階段 1

階段 2

設備

Starlink 安裝相當簡單,會收到共 3 個主要設備:天線,電源,路由器。

天線雖然看上去和一般衛星電視天線差不多,但結構很不一樣。一般民用衛星天線是把訊號反射到中央接收器處理。Starlink 天線不是整體,而是密集天線陣列。對拆解感興趣的可看下面影片。

天線通電後,會轉動到水平位置,然後開始尋找衛星飛行飛軌道,找到之後會轉到對應角度,然後鎖住衛星飛行軌道。衛星軌道和天線的相對位置變動後,天線會轉動尋找新軌道。這個尋找耗時幾十秒到幾分鐘不等,所以目前天線設計不能在移動載具使用。有消息說,針對載具設計的天線已在開發,可支援車、船、飛機使用 Starlink 接入。Starlink 天線運行 Linux 系統,有玩家有辦法連到調試串口監控天線的工作狀態,有完整啟動 log 可供研究。

天線主機不單完成衛星軌道對準和追蹤,同時也完成網路連接,達成 NAT、DHCP 等服務,相當於碟內有個小路由器。天線硬體經過幾版更新,目前收到的天線硬體版本依然是 Beta,但版本號比早期用戶版本號更高。新版天線增加電加熱融雪等功能。由於收到時渥太華已進入冬天的尾巴,沒有經歷過大雪天,筆者會在今年冬天時觀察一下融雪性能再補全此文。

Starlink 電源以 POE(Power over Ethernet)形式為天線和路由器供電,同時連通天線和路由器之間線路。所以體驗上,只需要把網線接好,天線和路由器的供電就同時解決了。電源最高支援 180W 輸出,常規工作消耗大概 100W。

Starlink 路由器其實較雞肋,不是個必需設備,且有傳言路由器會在往後版本拿掉。Starlink 路由器和普通寬頻路由器差別不大,提供 Wi-Fi(802.11a/n/ac),及一個 Ethernet 接口。你可把自己的路由器接到 Starlink 路由器下面,當然你也可以直接把自己的路由器接到天線,然後把 Starlink 路由器扔掉。有點需要注意,Starlink 路由器做到一套 gRPC API,以即時存取天線工作狀態,包括訊號強度、阻擋角度、阻擋強度、阻擋時間、衛星離線時間、Ping 健康度等資訊。實際上 Starlink 官方 App 就是透過這組 API 工作。筆者利用業餘時間開發命令行 Dashboard,用來監控天線狀態,使用的也是路由器提供的這組 API(詳情可參考這裡)。

如果你直接拔掉 Starlink 路由器,將無法監控天線狀態。雖然穩定安裝後,完全不用關心這些資訊,體驗和一般寬頻並沒有差別。

衛星上網並不是 SpaceX 發明的。最早探索的是 Iridium(銥星公司)。Iridium 最初設計 66 顆衛星,從 1997 年開始發射,2000 年破產,2001 年重組。重組後的第二代銥星(Iridium Next)2017 年由 SpaceX 發射,共 75 顆,提供單用戶頻寬只有 512kbps。另外,創始於加拿大渥太華的 Telesat 公司提過 298 顆衛星的接入方案,聲稱 2023 年提供服務。

類似方案還有英國 OneWeb 的 648 顆衛星。OneWeb 也經歷破產重組,也在逐步發射衛星,打算 2022 年開始提供服務。以上這些競爭對手無論衛星規模、技術、覆蓋範圍和速度,都和 Starlink 設計有較大距離。真正能和 SpaceX 競爭的是亞馬遜 Project Kuiper,計畫發射 3,236 顆近地軌道(590  / 610  / 630 公里)衛星,使用類似 Starlink 的高頻相控天線陣列,設計單用戶速率 400Mbps,但距離正式使用還需至少 6 年。

所以即便很多人不樂意看到馬斯克(Elon Musk)畫餅,但目前消費等級衛星上網方案,Starlink 最可用,實際效果也大大領先競品,甚至費用也最經濟。當然,筆者說的只是民用等級方案。顯然這的確是未來接入方式的可行探索。有人誇大說衛星上網會取代光纖和 5G。個人認為這短時間內不會實現,甚至永遠不會發生。除非衛星通訊成本戲劇性下降。

人口密集區域光纖和 5G 成本效益目前還是最好。但在稍稍偏遠的區域,光纖成本就變得很高昂。這些地方可能會成為衛星上網服務更有競爭力的目標市場。但恰如亞馬遜這種公司參與,讓人覺得可能會帶來新可能性。理想情況下,將來衛星間路由有可能比地面路由總體距離更短、效率更高,所以也有人認為未來的骨幹網就在天上。但這一切也只是張大餅。就目前規模,距離質變還有相當大距離,甚至量變都尚未開始,各家只是剛開始探索而已。

缺點

筆者不只一次在 Twitter 說過,不建議大家現階段申請,Starlink 只會快遞給你東西,一切安裝和調試都需要自己搞定,需要自己找到訊號好的角度安裝天線,如果沒有農場那麼大的院子,或靠近河邊的豪宅,對大部分人的房子來說,符合安裝要求的只有屋頂。筆者說的屋頂是指美加平民住宅區的屋頂,市區密集建築群基本上找不到符合條件的安裝地點。

Starlink 目前得地平線約 25 度以內不能有任何阻擋,包括樹梢都會讓訊號劣化。這很容易理解,高頻無線電波繞過障礙物的能力很差。除了安裝很折騰,原理上目前穩定性也不能和光纖媲美。還需要考慮可能的惡劣天氣,風雨雷電雪帶來的影響。對普通人來說,目前更可靠和便利的選擇還是以光纖和同軸為介質的傳統寬頻。以筆者所在地區為例,120 加幣月費正好等於 1GB 的寬頻月租費。因此現階段,的確在用更多錢買一堆麻煩。因此筆者很難向別人推薦這種目前更接近玩具的上網方式,除非你願意被折磨,且覺得有很 cool 的地方,能樂在其中。

中國

到底中國能不能用?目前並不能,但筆者認為將來可以。目前官網用中國地址可申請,官方預計 2022 開始邀請中國用戶測試。但身為營運商,Starlink 在中國也有合法性問題,需要符合中國管制規定,筆者個人覺得 100% 會內建 GFW,有相關想法的,不要抱任何不切實際的幻想。有網友和筆者說,衛星通訊沒辦法加防火牆,筆者只能說,這是對技術的無知,也是對社會無知。

補充一下,中國也有自己的衛星上網方案,叫虹云工程。由 156 顆衛星組成,2018 開始發射第一顆,宣傳說 2019 年首顆衛星到達軌道成功測試,單星已比家庭寬頻還快。要注意的是虹云衛星運行在 1,000 公里軌道。這基本上違反物理學常識,認真看過前文就知道近地軌道要穩定就需更快旋轉速度,對地球自轉就不是同步,單顆衛星完全不可能提供上網服務,所以這讓中國新聞顯得一如既往的魔幻。

玩具

目前的結論是,筆者認為 Starlink 是很好的玩具,如果你對衛星網路有熱情,想體驗不一樣的接入方式,有些折騰網路的經驗,有能力解決實際問題,完全可申請體驗。另外 Starlink 遵循 FCC 規定,提供 30 天全額退款,如果發現所在地區速度和穩定性不理想,可申請退款。但如果只是簡單希望有個可靠的網路,找本地口碑好的電信商,申請一條光纖,同軸或各種 ADSL 是最簡單可靠的方案,且也不折騰,沒必要現階段為探索性的不穩定上萬元方案承擔風險,浪費時間,且帶來可能的體驗劣化風險。

Starlink 工程師在 Reddit 開過 AMA 討論,回答過很多用戶的問題,從系統原理到現狀展望都有,感興趣的可去讀或提出新問題。值得稱讚的是 Starlink 工程師和客服回應都很快,無論發文還是郵件提問,都能很快得到回覆。

雕鳳凰

到撰文此刻,筆者家已是 all in Starlink。4 月稍早就停掉家裡的同軸寬頻,完全透過衛星接入,因家中每個成員都有無限流量的蜂巢式上網設備,連 6 歲兒子身上的 iPad 都是蜂巢式版,筆者毫不擔心 Starlink 會偶爾 down 掉。事實上到目前為止,Starlink 沒有出過任何問題,筆者所在區域,只要把天線掛到屋頂沒有阻擋的地方,連接就十分穩定,並不需要為極端情況多養一條寬頻。

前面說過,冬天可能是真正的挑戰,只能到今年冬天再看看是不是需要其他接入補充。但筆者依然建議,大家如果想嘗試 Starlink,保留一段時間原來的寬頻連接,至少運作幾個月到半年,再進一步決定也不晚。反正不要期望過大,也不要無腦黑。

好比當年賈伯斯(Steve Jobs)拿著一個呼拉圈來回套弄發表支援 Wi-Fi 的 iBook,Wi-Fi(802.11b)當年只有可憐的 11Mbps。人們開始熱烈討論,有人認為這個神奇的技術只有可憐的 11M,完全只是玩具,也有人說這將徹底革命有線網路,開始新時代。然而兩家言論都錯了,22 年後的今天,我們有 10Gbps 量級的 Wi-Fi 6E,Wi-Fi 成為必不可少的連線方式,但也沒有消滅有線網路。

先不說哪家衛星上網最終贏得市場,筆者認為衛星上網大概也是如此,會找到自己的生存空間,成為新接入補充,參與市場競爭,成為新常態的一部分。在這之前,不要像雕鳳凰故事的路人,妄下結論。

(本文由 Leask Wong 授權轉載;首圖來源:Starlink

延伸閱讀:

關鍵字: , , ,