星星堆滿天 — 星鏈衛星網路來勢洶洶

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一個平靜的下午,交易員史帝夫突然抬頭,注意到螢幕上通知,台灣的 PTT 股票版上有一群人準備炒作一支美國股票。

「太好了,再一次 Game Stop 之亂!我又可以大賺一筆!」

在鄉民的訂單都還沒送出之前,他已經提前數十毫秒,將自己的訂單輸入 Nasdaq 系統。接著股價果然如預料上漲,他也順利的套利了結。

當交易的腎上腺素褪去,他覺得肚子餓了。於是調轉船頭,開船回澎湖岸上去吃海鮮。他能遠從太平洋上領先眾人交易,是因為使用了衛星網路服務「星鏈」(Starlink)。

星鏈是 SpaceX 的姊妹公司,其實還在測試中。不過已經將完成第一階段的部署。根據 Space.com 報導:

3 月 14 日早上,一架 SpaceX 獵鷹 9 號火箭將 60 顆星鏈人造衛星送至軌道上,並且成功的在海上降落,結束創紀錄的任務。

這一台獵鷹 9 號是 SpaceX 旗下發射與降落共 9 次的老兵,創下紀錄。. . . 不到數日前,另一架獵鷹 9 號也完成遞送 60 顆星鏈衛星至軌道,讓 SpaceX 越來越接近其初步規劃的 1,440 顆衛星「星座」(constellation)。

去年我解釋了地球軌道上有約 2,000 顆人造衛星,而星鏈要額外增加 1,440 顆!事實上根據星鏈最新的計畫,其預計在 2025 年之前發射 1 萬 2 千顆人造衛星。並考慮再發射 3 萬顆,總計 4.2 萬顆人造衛星!

為什麼要這麼多衛星?因為星鏈使用的低軌道(Low Earth Orbit, LEO)衛星,離地面近,因此需要更多顆才能覆蓋全球。這跟傳統衛星非常不同

傳統上,衛星網路是由「地球同步衛星」(geosynchronous satellite,簡稱 GEO 衛星)發送。這類衛星「固定」在地球的相對位置上,離地距離超過 2 萬公里,可以涵蓋很大的區域範圍,因此只要數十顆就能涵蓋整個地球。但相對的頻寬比較小。而且由於衛星離地太高,地面必須用大體積的天線才能接收到訊號。

若改用近地的 LEO 衛星,無法固定在地球的相對位置上,涵蓋範圍也比較小,因此需要大量衛星組成一個「小行星帶」才能服務全地球。但優點是地面接收器可以大幅度縮小,甚至小至一個披薩盒的尺寸。

可以參照《了概》製作的圖。GEO 是下圖中的「高軌道衛星」,而 LEO 是「低軌道衛星」。那傳統衛星網路公司為何不用 LEO 衛星呢?因為他們沒有 SpaceX。SpaceX 與星鏈是魚幫水,水幫魚。

火箭與衛星互補

SpaceX 轉投資星鏈是因為迫不得已。SpaceX 開發出可回收的火箭,大大降低運貨至太空的成本,破壞太空運輸業行情。然而其最大顧客通訊衛星業卻來不及反應。因此 SpaceX 在 2012 年就已預見未來 SpaceX 可能會「無貨可送」。這有點像高山嚮導一年協助數百位登山客爬上玉山。有一天突然出現了高山纜車,一般人卻還不會使用;纜車公司只得趕快找新客戶。

新客戶必須量大,能快速派上用場。LEO 衛星是最好選擇。LEO 離地面近,涵蓋的區域較小 — 就像桌燈的照射區域小於天花板燈的照射區域一樣 — 而且容易因大氣摩擦而損耗,使用期限短。星鏈的衛星預期壽命 5 年。以 3 萬顆衛星計算,每年需補充 6 千顆衛星,對傳統的衛星業者是天文數字。但這些對 SpaceX 都不是問題!它發射成本低,可以不斷的替換衛星。

此外,LEO 衛星更輕,可以標準化與量產。如果說生產傳統 GEO 衛星象是打造手工超跑,那麼做 LEO 衛星就像是量產 Toyota 汽車。一般估計 60 顆星鏈衛星的生產加發射成本低於 3 千萬美金,遠低於競爭者。

換言之,SpaceX 與星鏈是互補品(complementary)。衛星填補了火箭的空艙,降低 SpaceX 的單位成本。而 SpaceX 的低發射成本也提高星鏈的價格優勢。雙方可以擴大彼此的規模,進而持續壓低成本。

而且 SpaceX 還可以用星鏈來測試刪減成本(cost down)— 反正就算爆炸了,也是一家人,好處理。例如一開始提到的獵鷹 9 號,原本規劃是能重複發射 10 次。但到了最後幾次,SpaceX 謹慎的先拿自家產品試飛。

集合黑科技

不過「平價衛星網路」說起來容易,從沒人成功過。星鏈的優勢是能仰仗 SpaceX 做靠山,採取以量取勝的策略。但還要克服許多未知的挑戰。

例如首先,用戶如何連上網路?LEO 衛星無法與地球同步,而是以每小時 17,500 英里的速度劃過天際。而用戶必須一開機就能快速接上衛星,串流資料,然後在衛星消逝於地平線之前「轉接」下一個衛星才行。

要解決此一問題,首先衛星數量要多。在此網站可以看見目前所有顆衛星的位置。未來的數量將是今天的數十倍。其次,用戶付約 500 美金,會取得一個「小耳朵」(phased-array user terminal,相控陣列衛星地面站),大約跟披薩盒一樣大。小耳朵能自動「掃描」天空,找到最適合的衛星,連線,並追著衛星的位置轉動。在衛星「下線」,會通知「小耳朵」下一個要連接的衛星的位置,週而復始。目前第一批用戶反應良好。許多回報下載速率約 160 Mb/s,上傳速度超過 15 Mb/s,而延遲(latency)則在 40 毫秒以內。可說是與傳統寬頻與 4G 網路不相上下,延遲性則更勝一籌。

然而頻寬是衛星的硬傷。未來用戶增加時,會分掉衛星的頻寬怎麼辦?答案還是規模:發射更多衛星!

衛星的頻寬可以疊加。越多衛星覆蓋同一區域,頻寬越大。因此星鏈將在不同高度部署衛星。根據星鏈提交的計畫,其第一階段的衛星將在離地 550 公里至 1,275 公里之間,分 5 層部署 4,408 顆衛星。第二階段則在非常低軌道(Very Low Earth Orbit, VLEO)的 335 ~345 公里,分 3 層部署 7,518 顆衛星。因此同一用戶的頭頂將有數顆不同高度的衛星。

更驚人的是,目前星鏈正在研發衛星與衛星之間(inter-satellite link)的雷射資料傳輸系統。如果成真,則流量可以進一步分散:一顆衛星滿載時,可以「呼叫」其他衛星分擔流量。

衛星之間要傳輸資料,必須同步移動。因此可以想像星鏈的終極型態,是形成包圍地球的 8 個「層」,就像包著巧克力的 8 層包裝紙。這些包裝紙不斷的繞著地球旋轉,每一層包含可互相分擔頻寬的數百顆衛星。資深 NASA 工程師 Casey Handmer 以下圖示例:除了自動追蹤衛星、頻寬疊加、衛星互連技術之外,星鏈的衛星可以在脫離火箭後自己移動到軌道定位、自動趨避碰撞物、自動微調位置,以及在退役時自動脫離軌道,墜下大氣層,並焚燒至少 75%。實在很難想像這一切科技的結晶是一個消費性產品,一般人都能買得起,且打開就能用,月費才 99 美金。

星鏈不只是燃料與材料上的創新,它也奠基於晶片、感測器、軟體、電力與連網技術的進步之上。SpaceX 估計部署前 1.2 萬顆衛星需要 100 億美金,其實還低於美國每年更新寬頻系統的成本。

不過星鏈要怎麼賺錢?

船員、交易員、卡車司機

許多人第一個想到的是傳統網路的生意,例如跟中華電信競爭。但馬斯克強調雙方並不衝突

「我要澄清,星鏈不會是電信商的什麼巨大威脅。我要強調它不是,」馬斯克說。「事實上,星鏈對電信業有利,因為星鏈將會服務那些電信商原本很難透過線路或 . . . 電信塔服務的族群。」

星鏈最有可能服務那些「電信商最難服務到的 3% 至 4% 客戶」以及「那些就是沒網路的人,或者連線品質很差。」馬斯克說:「因此我覺得對傳統電信商將很有幫助,甚至能幫忙分擔負荷。」

這話不盡不實。的確星鏈一開始會最吸引那些需求最高的人,例如偏遠地區缺乏寬頻的人 — 想像你在偏遠地區,會願意為寬頻付多少錢?但以後就未必了。

星鏈的成本模型與傳統電信不同。星鏈建造基礎網路的成本高,但串接每一位顧客的最後一哩成本相同。傳統電信商建造基礎網路的成本低,因為城市的人口密度高,但串接「邊緣」顧客的成本卻會快速增加。此外,星鏈天生是「全球級」服務,也跟傳統電信的市場範疇不同。

因此星鏈一開始會非常吸引邊緣的顧客,因為其服務成本跟服務大城市相同,因此價格也合理。「邊緣」包括地理上的邊緣,例如鄉村、山區、海上等。最先擁抱星鏈的將是發達國家的鄉村,想移向郊區的富豪與科技新貴,接著才是真正的貧窮區域。

而另一種「邊緣」是使用情境上的意外狀況,例如大城市突然出現的流量高峰。星鏈也很適合與電信商合作,作為流量備援或是延伸至偏鄉的輔助。

此外,LEO 低延遲的特性也適合金融交易。這是因為訊號在真空的傳遞速度可以逼近光速,約略是海底光纜傳輸速度的兩倍。如果是跨太平洋傳輸,可以相差數十毫秒。因此高頻交易者(high-frequency trader, HFT)會搶著付錢。

再來,企業也會優先採用。星鏈已經申請將網路用於船、飛機與卡車上,服務飛機乘客、卡車司機與船員們。

最可怕的是,星鏈的成本還在持續降低。不但衛星量產持續加速,而 SpaceX 已經公開了接替獵鷹系列的「星艦」(Starship)火箭。號稱將能一次承載 400 顆衛星,且可以完全回收,就像飛機一樣,進一步降低運送成本。這可說是給其他火箭與衛星業者的一記重拳。

真正的雲服務

不過除了上述容易猜測的應用,我更感興趣的是當衛星網路普及之後,會有什麼意料之外的發展?

第一個思考角度是雲。星鏈常被拿來跟貝佐斯的 Project Kuiper 相提並論,並指出衛星網路將來可以支援 AWS。那如果反過來呢 — 星鏈轉成一家雲服務公司?

目前衛星網路只能轉傳資料。但隨著運算能力持續提高、成本與耗電量降低,或許將來也可以在衛星上儲存跟運算資料?那麼星鏈就有機會成為一個全球級的,不受地理限制的雲服務。

如此一來,企業或政府不只可以用星鏈作為地震或軍事攻擊下的緊急網路,也可以拿來備份資料。富豪可以「買」下一排衛星,擁有獨家的網路與儲存服務。

或許可以在衛星上做交易?JP Morgan 成功的在兩顆 LEO 衛星之間完成加密貨幣交易。未來星鏈可能成為加貨幣交易網絡,並且協助地面的物聯網裝置清算。當然衛星也可以作為加密貨幣的錢包。理論上最低延遲的交易應該是在衛星上完成,此時沒有使用星鏈的交易員就更吃虧了。

換言之,當衛星普及,就不一定是拿來服務地面上的人類;反而可以把原本在地上的工作轉移到衛星上。衛星科技會更普及。大學或高中生就可以開發太空的工具,然後搭在一顆衛星上送到太空測試。大企業如臉書、蘋果等可能會直接租用專屬衛星,客製化網路服務。

或許有一天我在海上說:「Hey Siri,我迷路了,幫幫我。」Siri 就會呼叫衛星,衛星呼叫救援無人機飛到我所在的位置,空投綠茶跟大腸包小腸給我,而且直接用比特幣結帳了。

https://daodu.tech/03-18-2021-star-studded-sky-starlink-satellite-internet-coming-strong

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