使用轨道卫星进行通信并不是什么新鲜事。20世纪50年代末发射的第一批卫星在设计时就考虑到了通信，而使用轨道卫星进行通信的想法在40年代就已经被提出了。然而，在过去的五年里，当航天器制造商和发射服务提供商SpaceX宣布计划发射和运营卫星互联网服务——星链（Startlink）时，卫星通信发生了翻天覆地的变化。
截至目前，星链是世界上最大的卫星星群，由六千多颗卫星组成，并计划再增加六千颗卫星。其庞大的规模使得星链拥有足够的容量和覆盖范围来提供全球范围的高速连接。由此，星链成为第一个非地面网络，是现有地面通信的有力竞争对手。此外，由于卫星覆盖整个地球，星链可以弥补偏远地区的连通性问题，并将自己定位为“全球互联网服务提供商”。
为了解星链的全球性能以及影响其运行的因素，我们开展了一项全面的主动和被动测量研究，研究结果在2024年ACM网络大会上发表。本文总结了我们测量研究的主要收获，包括：
通过M-Lab和RIPE Atlas测量的全球网络性能（来自34个经济体的近2000万次测量结果）。
实时视频通话和云游戏应用。
通过受控测量了解星链网络的内部运行情况。
星链网络运营
星链卫星在固定的轨道中围绕地球旋转，这可以通过它们与赤道的倾角来描述。在星链运行的4000颗卫星中，大部分卫星位于53°轨道内，仅覆盖全球部分地区（如图1）。70°和97.6°轨道可为两极附近的地区提供服务。不过，这些其他轨道的卫星数量相对很少。
图1 星链通过“弯管”连接到达地面入网点
除了太空中的轨道卫星群之外，星链网络的运行还取决于几个重要的地面组件。终端用户通过“Dishy”用户终端连接到互联网，该终端使用Ku波段天线的相控阵与25度以上可见的卫星进行通信。另一端是星链地面站，通过Ka波段进行通信。这些地面站通过专用网络连接到入网点，使流量能够路由到互联网。
Dishy到卫星再到地面站的链路形成了一个“弯管架构”，要求Dishy和地面站都位于提供弯管路线的卫星覆盖区域（约1000公里）内。通过观察星链地面站和入网点的地理部署，我们知道了弯管连接并非总是可行，尤其是在非洲和南美洲的偏远地区。为了解决这个问题，最近几代星链卫星都配备了基于激光的通信技术，以实现卫星间链路（ISLs），这种链路可以形成一个“延伸”弯管，并将用户连接到更远的地面站。
好的方面
我们研究的一个关键发现是，星链提供的全球服务与地面互联网服务提供商相比具有竞争力。在一些地方，尤其是在美国，星链正在提供与地面服务提供商相当的服务。放眼美国以外，尽管星链的表现通常比现有的地面服务提供商略差，但这种差异通常很小，很少低于可接受的服务水平。
聚焦特定应用，我们发现星链在视频通话和云游戏等实时性要求苛刻的应用中，仍与地面光纤和蜂窝互联网服务提供商保持着同等竞争力。这两种应用都需要低延迟和高带宽。它们的不同之处在于，云游戏的性能在很大程度上取决于往返延迟和下行带宽，而对于视频通话，上行和下行带宽都起着重要作用。我们的研究发现，尽管对于云游戏，星链的性能优于蜂窝5G，但地面网络（光纤和蜂窝）和星链之间的性能基本相差无几。
换个角度，我们着眼于一个特定的地理区域，对位于印度洋的留尼汪岛进行了案例研究。该岛通过两条海底光缆接收地面连接，将流量路由到亚洲或南美洲。虽然星链在留尼汪岛没有任何地面基础设施，但星链用户体验到的往返延迟低于地面服务，这要归功于星链能够使用链路在卫星之间直接路由流量到位于约9000公里外的德国相关入网点。本案例研究展示了星链连接偏远地区的能力，其服务质量高于当前的地面服务。
坏的方面
然而，除了这些好的方向，我们的研究还发现，在特定的地理位置，星链用户的性能可能会显著下降。以欧洲为例，我们发现都柏林、伦敦和柏林的延迟与美国相当，而罗马和巴黎的延迟更大。
我们假设这些差异是由于支持星链的地面基础设施的密度不同造成的，特别是作为所有本地星链流量到达互联网网关的入网点。这一假设通过对菲律宾的纵向案例研究得到了验证，我们观察到了2023年5月部署新入网点的影响。在本地部署入网点之前，访问本地服务的菲律宾用户观察到了高延迟，因为星链流量由菲律宾的地面站接收，但随后通过海底电缆路由到最近的日本入网点，再返回菲律宾到本地服务器。在菲律宾部署新的入网点后，这条非最佳地面路由路径被缩短，延迟显著改善。
虽然我们在上面提到，SpaceX正在优先考虑稳定的全球性能，但这一发现表明，像星链这样的非地面网络并非让互联网服务提供商避免对地面基础设施进行昂贵投资的灵丹妙药。对于非地面网络来说，这种投资是必要的，尽管规模较小，但可以确保可接受和一致的性能。此外，还需要对非地面基础设施，即卫星进行投资。我们还观察到，高纬度地区用户的性能下降，这是因为可以为这些用户提供服务的卫星数量较少。
令人讨厌的方面
虽然上述性能问题可以通过对地面和空间基础设施的投资来缓解，但我们的研究也发现了性能波动的根源，这是星链使用的调度系统不可避免的一部分。调度系统依赖于15秒的重构间隔，使得为每个用户调度的连接能够在固定的15秒间隔中被更新和修改。
细粒度测量显示，重构间隔具有可观察到的影响，特别是在间隔之间的边界处。在这个边界上，我们观察到往返延迟的显著变化，以及可用带宽显著（可能是暂时的）下降。
业界普遍的理解是，星链以这些固定的15秒间隔执行卫星切换，这是性能下降的主要原因。然而，在我们的目标实验中，我们屏蔽了星链碟形天线，使其仅连接到稀疏的72°和97.6°倾角轨道，即使碟形天线仍然连接到同一颗卫星，我们也观察到在重构间隔边界处存在类似的性能波动。
我们还发现，这些波动对星链的应用性能产生了切实的影响。重新审视我们对视频通话和云游戏的实验，我们观察到它们的性能也出现了相应的波动。前者经历了单向延迟的变化，而后者的帧速率偶尔会下降，这两种异常都与重构间隔之间的边界相吻合。也许更重要的是，我们注意到发送的纠错数据包数量发生了变化，并且这些变化同样与间隔边界一致。
结束语
我们试图了解，星链是否是地面互联网服务提供商强有力的竞争对手，结果发现它是一个有竞争力且迅速成熟的网络。然而，非地面网络并不是灵丹妙药。网络投资，无论是在卫星上，还是在地面基础设施上（也许被忽视了），都是确保高性能网络的关键。我们进一步发现，SpaceX使用的内部网络调度和管理的特性会导致性能异常，这是传输层或应用层必须解决的一个问题。
来源：APNIC
作者：安德鲁·弗格森
编译：陈茜
责编：项阳
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