【Wired 硬塞】科普時間:SpaceX 衛星網路是怎麼運作的?

SpaceX 將推出 Starlink 衛星網路系統的重要下一步:把你能打線上遊戲的網路品質帶到地球每個角落。
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Photo Credit: AP/ 達志影像
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本文來自 WIRED《How SpaceX's Satellite Internet Will Actually Work》,作者 Daniel Oberhaus。台灣康泰納仕集團授權提供,INSIDE 編譯。

如果你還沒聽說過的話,現在告訴你,世界正在經歷一場如火如荼的新太空競賽,目標是讓還無法上網的「其他 30 億」人用大型寬頻衛星通訊上網。這其中扮演領頭羊的是 SpaceX 旗下的 StarLink 和 OneWeb。這兩家公司過去是合作夥伴,如今卻為了通過競標,把網路帶上太空軌道,在聯邦通訊委員會(FCC)和 Twitter 分別透過請願書和貼文展開競爭。這種緊張局勢並不難理解,對 OneWeb 來說,讓全球採用以太空為基礎的網路,對該公司生存極度重要。而對 SpaceX 而言,這是為了伊隆・馬斯克(Elon Musk)的火星計畫募集資金的關鍵。

兩家公司去年都把他們的第一顆衛星送入軌道,但 2020 年競爭將更加激烈。今年 2 月,OneWeb 將發射一批多達 34 顆的網路衛星,並且之後還會再發射一波使其總數達到 40 顆。SpaceX 的 StarLink 目前已在軌道上有 182 顆衛星,並計劃從今年現在起再發射 24 顆衛星。

到目前為止,SpaceX 和 OneWeb 都只把網路衛星用在測試(還有讓馬斯克透過網路衛星推文),但 SpaceX 指出,該公司今年夏天就有足夠的衛星提供網路服務了。而 OneWeb 表示,該公司的「衛星系統」(constellation)能在今年年底上線服務。

當然,以太空為基礎的網路,不是什麼了不起的新鮮事。像是 Viasat、HughesNet、Iridium 這樣的公司,數十年以來一直在發展相關技術。但下一代的網路衛星發展可望比前幾代都快得多,而且透過重新思考地球外的網絡,這樣概念使得讓地球上任何地方都可以使用網際網路。

不管你從哪裡得到衛星網路,這些系統的基礎都相同。使用者從家中的天線向衛星傳送數據,衛星再把這些數據轉傳到地球上地面的中繼站。此時,就像其他任何數據一樣,收集到的數據會沿著全球網路光纜傳輸,一旦到達目的地(像是 Google 雲端伺服器),就會把新的數據傳回地面站,再發射到衛星,然後再發射回使用者的家。

美國最大的兩家衛星網路業者 HughesNet、Viasat,都使用和汽車一樣大的衛星來提供服務。它們在和地球運動速度一致的軌道運轉,從地球表面觀察的軌跡保持不變,因而被稱為「對地靜止衛星」。而且,他們具有每秒數百億位元的網路容量。這種方法的優勢是,單顆衛星就能為整片大陸提供網路服務,但缺點是得花費近半秒鐘才能把訊號傳回 2 萬 2000 英里遠的地球。這聽起來也許不算很多,但大概是使用光纖網路速度延遲速度的 10 倍。衛星網路的速度能讓你看 Netflix 的影片,但是速度還不夠快,要玩線上遊戲玩得也不夠過癮。

SpaceX 和 OneWeb 採取的另一種方法是衛星群,把數百或數千顆衛星發射到距離地球幾百英里的軌道上。為了覆蓋全部地表,衛星會散布在圍繞地球的幾十個軌道間。例如,在最初的 1500 個 Starlink 衛星中,分成 22 群在 240 英里的高度上,部署在 72 個不同的軌道;OneWeb 的衛星會占據 12 個軌道,位在 745 英里高度上,每個環有 49 個衛星。

Iridium 執行長麥特・戴施奇(Matt Desch)也指出,「新的太空公司並不是建構在令人難以置信的新科技上,他們實際上只是把具有數百束光束的一顆對地靜止衛星,分解為接近地球軌道上的數百顆衛星。」

這種方法有它的問題在。首先,光從數字上來看,衛星的數量可說非常驚人。SpaceX 的 Starlink 計畫將發射近 1 萬 2000 顆衛星,而 OneWeb 一開始丟出的數字有 648 顆。但這些數字只是用來參考,畢竟目前全球軌道真正在運行的衛星也只有約 2000 顆左右。但隨著 1 月 6 日 Starlink 發射,SpaceX 將超越衛星攝影公司 Plant,成為全球最多衛星的民間廠商。但天文學家很快就發現到,SpaceX 的衛星會反射很多光,可能破壞夜空,讓他們難以觀測星象。(SpaceX 表示,正在努力解決這個問題,最新一批 Starlink 衛星也將測試抗反射塗層。)

另一個問題是與對地靜止衛星相比,單顆衛星可以「看到」的地表面積實在小得多。這代表該系統需倚賴更多地面站,把衛星和全球網路相連。確實,通信公司 Viasat 推出的下一代衛星,將需要「數百個」地面站,才能讓寬頻網路覆蓋全球。但是,SpaceX 最近向聯邦通訊委員會提交申請,最多可以支援 100 萬個地面站。

因為客戶終端和衛星間的訊號只需傳播幾百英里而非上千英里,從結果上來看是減少了延遲。加上下載速度提高,包括 OneWeb 和 SpaceX 都預計可以提供每秒 5000 萬位元的速度,和美國平均網路速度相當,保證你能夠從太空提供的網路玩《要塞英雄》。

還有待觀察的是 SpaceX 和 OneWeb 怎麼處理終端設備,這是客戶和軌道上衛星的實際接觸介面。兩家公司都計劃在終端設備使用相位陣列天線,這種相位陣列天線,會產生可操控的無線電波束,而不用移動天線。這讓終端設備可以在衛星在頭頂上飛行時追蹤衛星,並在衛星間平穩傳遞訊號。

SpaceX 和 OneWeb 都還沒有說他們是怎麼連線終端設備的,但這些和披薩盒大小相當的天線,對於他們衛星網路事業的成功是重要的關鍵。Iridium 執行長戴施奇說明,終端設備很笨重,若價格過高,將如 1990 年代電信衛星系統先驅 Globalstar 般導致倒閉。如果 SpaceX 或 OneWeb 的終端設備太昂貴或太複雜,以致客戶無法順利安裝,像 Globalstar 一樣的命運將等著 SpaceX 或 OneWeb。

SpaceX 總裁葛溫・蕭特威爾(Gwynne Shotwell)在 10 月時向記者闡述 Starlink 的終端設備:「我們還得做很多事,才能讓它運作順暢。我們在使用者終端進行的工程越多,需要雇用的服務人員就越少,認識馬斯克的人都知道,他希望世上一切事物都變得美麗,因此我們也會致力把用戶終端變得美麗。」

不過,即便這兩家公司設法解決所有科技和美學方面的障礙,也不清楚市場是否足夠大,足以營運這些衛星。戴施奇說,「他們就是要跟 Verizon、Comcast、AT&T 等有線寬頻競爭。」這代表他們將不得不大幅降低衛星網路的價格,畢竟衛星網路過去一直是昂貴的商品。同時,還有亞馬遜、Telesat 等其他公司,也在研究大型寬頻衛星通訊上網。

衛星網路市場競爭前所未有的激烈。這對於急需網路的農村人口而言,是個好消息。但除非有人能弄清楚衛星網路如何才能盈利,否則我們可能永遠不會需要火星上的 Wi-Fi 密碼。

責任編輯:Chris
核稿編輯:Mia



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