“星鏈”互聯網星座發展前景分析

+鄒明（中國電科電子科學研究院，中國電科發展戰略研究中心）

蘇小莉（中國電科電子科學研究院，中國電科發展戰略研究中心）

魏凡（中國電科電子科學研究院，中國電科發展戰略研究中心）

受益于批量化衛星制造、火箭重復利用、一箭多星發射等領先技術，“星鏈”互聯網星座成為新一輪低軌衛星浪潮的佼佼者。然而，“星鏈”互聯網星座所瞄準的消費者寬帶市場，面臨地面固定寬帶、蜂窩無線寬帶，以及靜地軌道高通量衛星的多重競爭。本文從建設費用、通信容量、地面終端、落地監管等方面對比“星鏈”互聯網星座與其競爭對手的優劣，分析“星鏈”星座面臨的機遇和挑戰，并研判其發展前景。

1.引言

2020年6月15日，美國太空探索公司（SpaceX）成功將第九批60顆“星鏈”（Starlink）衛星發射升空，至此該星座發射衛星總數已達到540顆，公司表示星座私下測試將在7月左右進行，并最早可能在8月為美國消費者提供衛星寬帶服務。

然而，并非所有低軌星座都能順利落地。2020年3月28日SpaceX公司曾經最大的競爭對手一網公司（OneWeb）正式申請破產保護，僅僅6天前該公司的34顆衛星還搭載“聯盟”號火箭升空，使衛星總數達到74顆。作為新時代大規模低軌衛星星座的開創者，OneWeb公司的破產令人想起20世紀90年代的低軌衛星星座發展浪潮，當時銥星（Iridium）和全球星（Globalstar）公司都經歷了破產和重組。與上次相比，這次低軌衛星互聯網浪潮有不同的時代背景，如新的衛星制造和發射技術（批量化制造、火箭重復利用、一箭多星發射等），新的物聯網、產業互聯網等應用環境，新的經濟全球化水平，以及海洋經濟和太空經濟步伐的加快等[1]。但是歷史再次重演，先是2019年11月原計劃發射78至108顆衛星實現高速互聯網服務的LeoSat公司因缺乏投資而停止運作，后是2020年3月OneWeb公司因新冠疫情引發金融市場動蕩而申請破產。那么Starlink的發展前景如何，能否成為新一代低軌衛星星座的最后贏家？

2.“星鏈”的最大機遇在于美國光纖滲透率偏低

在2020年3月舉辦的“美國2020衛星大會”上，SpaceX公司首席執行官馬斯克接受訪談時表示，Starlink星座無意與成熟的電信廠家去競爭，而是將目標定位為向光纖和手機基站無法或難以覆蓋的人群提供上網服務。事實上，在有光纖覆蓋的城鎮地區，衛星寬帶的競爭力極其有限。例如，現在商用光纖已能以單纖16 Tbps（單波200 Gbps×80個載波）的容量實現3000公里無中繼傳輸[2]，而Starlink第一期計劃部署的4425顆衛星單星容量為17～23 Gbps，整個星座容量才100 Tbps。此外，低軌衛星天然具有全球覆蓋性，而地球表面70%以上為海洋和荒野，因此存在容量浪費。有學者根據地表人口分布模型，測算出StarLink容量利用效率為25.1%，整個星座有效容量約為23 Tbps[3]。假設StarLink第一期星座服務100萬用戶，則戶均容量約為23 Mbps，遠低于光纖寬帶的速率。

美國光纖滲透率不足，地面固定網絡速率偏低，并且農村地區寬帶短缺，為Starlink提供了發展空間。2013年之前，美國和中國的光纖滲透率均較低。在過去的七年中，中國積極推動光纖部署戰略，2019年光纖已經覆蓋了98%的行政村，實際接入光纖的寬帶用戶數達3.96億戶，在固定寬帶中的滲透率約91%[4]；美國2018年光纖覆蓋全國31%的家庭住戶，實際接入光纖的寬帶用戶數為1860萬戶[5]，在固定寬帶中的滲透率僅17%（如圖 1）。光纖短缺導致美國地面固定網絡以同軸電纜為主，2017年其占比約65%；此外有2422萬家庭通過DSL電話線接入固定網絡，其中僅15%的DSL電話線能達到下行/上行25/3 Mbps的標準[6]（如圖 2）。2017年美國固定網絡下行速率分布如圖 3，總計3350萬戶家庭速率低于25 Mbps，占比約31%。此外，美國聯邦通信委員會（FCC）2020年報告顯示，即使將衛星寬帶計算在內，美國仍有22.3%的農村人口和1.5%的城市人口缺乏達到25/3 Mbps的固定寬帶覆蓋[7]。因此，美國光纖滲透率偏低，尤其是農村地區寬帶短缺，為Starlink等衛星寬帶提供了較大的發展空間。

圖1 2014-2018年美國、中國固定寬帶中的光纖滲透率

圖2 2017年美國不同類型固定網絡接入用戶數（單位：百萬戶）

圖3 2017年美國固定網絡各下行速率區間用戶數（單位：百萬戶）

美國光纖到戶部署費用較高，光纖覆蓋率提升緩慢，為Starlink提供了寶貴的部署時間。光纖到戶（FTTH）戶均部署費用包含兩部分：一是家庭覆蓋（Home Passed）費用，包括土建（挖溝、埋管、人井）、光纜（鋪設、熔接、測試）、站點（ODN無源設備及安裝）、有源設備（OLT和ODN有源設備）等，住戶密度越高的地區每戶分攤的家庭覆蓋費用越低；二是家庭接入（Home Connected）費用，包括光纖用戶終端的購買費用和安裝費用，只有在用戶需要服務時才產生。住戶密度較低、路權獲取困難、土建成本高昂，是推高光纖家庭覆蓋費用的主要因素[8]。在2019年的研究中，美國寬帶協會（FBA）將美國按照住戶密度由高至低分為A、B、C、D1、D2五類地區，分析得出前四類地區戶均部署費用依次為1218、1863、2737、4206美元/戶[5]（如表 1）。FCC管理的“農村數字機遇基金”（RDOF）將在2020～2030年間提供204億美元資金，為農村地區家庭和小型企業提供25/3 Mbps以上的寬帶接入，其中一部分資金將用于鋪設光纖。但是美國寬帶協會的研究表明，按照當前增速和資金投入力度，2025年美國光纖家庭覆蓋率僅有望達到50%；如果希望在2029年達到90%，則未來十年需額外投入700億美元，遠超出目前的RDOF資金總額。Starlink預計第1期4425顆衛星于2024年左右完成部署，因此美國緩慢的光纖鋪設進度為其贏得了部署時間。

表1 2019年美國不同住戶密度地區光纖部署費用

衛星通信在美國有較大的潛在市場，Starlink的發展前景比較樂觀。與光纖相比，衛星通信的優點在于其連接成本與地形無關，因此衛星通信在偏遠地區可能具有價格優勢。例如，假設戶均平均速率為10 Mbps，正在建設的Starlink第1期4425顆衛星耗資約68億美元提供23 Tbps有效容量，能夠支持230萬用戶，則其戶均連接成本約3000美元。另外預計衛星通信用戶終端價格在500美元左右，因此Starlink星座戶均連接成本在3500美元左右，高于美國A、B、C類地區的光纖部署費用，但低于D1、D2類地區。根據表 1，預計到2025年D1、D2類地區未被光纖覆蓋的家庭數總計1860萬戶，換算為人口約4700萬（美國每戶家庭約2.54人）。這些用戶處于人口密度最低的偏遠農村地區，不僅長期缺乏光纖覆蓋，可能也缺乏同軸電纜而僅能通過DSL電話線接入固定網絡。因此，這些用戶構成了衛星寬帶具有價格優勢的潛在市場，能為StarLink等衛星寬帶企業提供足夠的潛在用戶。

3.“星鏈”面臨靜地軌道高通量衛星的競爭

Starlink星座屬于非靜地軌道高通量衛星（Non-GEO HTS）的范疇，其競爭對手除了地面固定網絡外，還包括靜地軌道高通量衛星（GEOHTS）。高通量衛星（HTS）系統采用多點波束和頻率復用，在獲得相同的頻譜資源條件下，其吞吐量是傳統寬波束衛星的數十甚至數百倍（如圖4）[9]。

圖4 HTS系統與傳統寬波束衛星系統的對比

HTS技術率先在GEO通信衛星上得以實現。目前全球已有幾十個衛星運營商投資建造了數十顆GEO-HTS衛星。其中典型衛星的性能如表 2所示。GEO-HTS的點波束數量由2005年的100路左右，增長到目前的1000路，單星容量也呈現指數增長的趨勢（如圖 5）。所有在軌GEO-HTS中容量最高者是衛訊公司的ViaSat-2，正在為北美地區提供最高50/3 Mbps的衛星寬帶服務。已經簽訂制造合同并預計2021年發射的Jupiter-3屬于休斯公司，計劃覆蓋北美地區[10]。此外，衛訊公司計劃2021年之后發射三顆單星容量1 Tbps的ViaSat-3衛星，分別覆蓋北美、歐洲和亞太地區，將提供下行100 Mbps以上的衛星寬帶[11]。

Non-GEO HTS又分為中地軌道（MEO）和低地軌道（LEO）兩種，Starlink星座屬于LEO-HTS系統。在單星覆蓋范圍、衛星壽命、入軌成本、傳輸時延、路徑損耗、地面終端配置等方面，GEO-HTS與LEO-HTS各有優劣（如表 3）：

表3 GEO-HTS和LEO星座優劣勢比較

以上優劣對比是由不同衛星軌道的物理特性，以及電磁波傳輸原理所決定的。這些因素共同發揮作用，對LEO-HTS和GEO-HTS的市場競爭力有深刻影響，其中最重要的幾個方面是：

第一，LEO-HTS單位容量成本與GEO-HTS基本相當。GEO衛星相對于地表靜止，因此可以將全部容量投送到地面指定區域；LEO星座可提供全球無縫覆蓋能力，但由于地表70%以上是海洋和荒野，其容量覆蓋效率很低。此外，GEO衛星壽命一般在15年以上，LEO衛星由于大氣阻力其壽命只有5～8年。如表 4所示，考慮到僅有限的覆蓋效率之后，Starlink星座的單位容量成本為287 $/Mbps，低于GEO衛星ViaSat-2的1750 $/Mbps與ViaSat-3的500 $/Mbps；進一步考慮到衛星壽命的差別之后，Starlink的單位容量月度成本為4.8 $/Mbps/Mon，介于GEO衛星ViaSat-2和ViaSat-3之間。

表4 GEO-HTS（ViaSat）與LEO-HTS（Starlink）容量成本對比

表5 GEO-HTS、LEO-HTS和GEO寬波束衛星不同場景適用程度

第二，LEO-HTS傳輸時延遠低于GEO-HTS，但是目前大部分寬帶應用對時延并不敏感。LEO星座的時延在30 ms左右，與地面網絡接近，遠低于GEO-HTS的480 ms。但是目前視頻通話、視頻點播、網頁瀏覽等大部分寬帶應用，要么對傳輸時延不敏感，要么可以通過TCP應答削減、報頭壓縮、應用層加速等技術克服GEO-HTS的傳輸時延。例如，衛訊公司和休斯公司的GEO-HTS在北美地區已為200萬用戶提供衛星寬帶，同時也早已開展3G/4G基站回傳業務。此外，對于網絡游戲、金融交易、虛擬現實等時延敏感業務，LEO星座確實優于GEOHTS，但這些業務也是地面光纖的優勢領域。

第三，決定LEO-HTS生死的地面終端平板天線技術目前還不成熟。GEO衛星到地面終端的路徑損耗約210 dB，Starlink低軌衛星則約為180 dB，因此低軌衛星具有30 dB的優勢。但GEO-HTS采用的大衛星平臺支持更大發射功率，可以部分彌補其路徑損耗。例如ViaSat-1的下行EIRP值可達60 dBW，而Starlink單顆衛星下行發射EIRP僅36 dBW，考慮到低軌衛星路徑損耗的優勢，StarLink在地球表面的信號強度會高出6 dB。這意味著為了獲得同樣的頻譜效率，StarLink地面終端需要的天線孔徑約為ViaSat-1的一半。然而，GEO-HTS相對地面靜止，地面固定終端可以使用傳統拋物面天線，船載低速移動終端可以使用機械調向的拋物面天線，機載高速移動終端才需要使用相控陣平板天線；LEO衛星相對地面高速運動，Starlink衛星過頂時間在20分鐘以內，因此其地面固定終端也必須使用平板天線。但是目前平板天線價格普遍在10000美元以上，遠高于50美元左右的拋物面天線，因此在衛星寬帶需求最大的消費者寬帶市場，LEO星座與GEO-HTS相比反而存在較大的劣勢[12]。在2020年3月舉辦的美國2020衛星大會上，馬斯克說StarLink用戶終端看起來就像“一根棍子上的UFO，帶有馬達來調整它們的指向，用戶安裝很方便”。可見其用戶終端將采用機械調向平板天線以降低成本，但其價格和性能能否適應消費者寬帶市場仍有待觀察。

第四，LEO-HTS面臨嚴峻的落地監管問題。GEO-HTS的波束覆蓋范圍可以預先設定，但是LEO星座天然具有全球無縫覆蓋的特點，如果只獲準進入少數國家和地區，將造成巨大的容量浪費。面向最終客戶的基礎電信運營均受一定程度的監管，目前貿易保護主義蔓延，外國基礎電信運營商在各國落地面臨更大困難。例如，2019年8月OneWeb向俄羅斯國家委員會申請無線電頻率，但未獲批準，原因可能是俄羅斯擔心無法控制OneWeb衛星的服務。因此，全球落地監管是LEO星座系統面臨的又一個巨大挑戰。

綜合分析，LEO-HTS與GEOHTS各有優劣，這決定它們各有其適用領域。衛星寬帶有消費者寬帶、基站回傳與中繼、企業與政府、海事、航空、軍事、視頻廣播七大類應用。因為波束覆蓋、傳輸時延、用戶場景的不同，GEO-HTS、LEO-HTS和GEO寬波束衛星三類寬帶衛星在不同領域有不同適用程度，表 5將其分為高中低三檔進行對比。從中可得出如下結論：第一，在消費者寬帶領域，GEO-HTS適用度最高，LEO-HTS目前缺乏低成本的消費級地面終端，其適用度為中；第二，在基站回傳與中繼領域LEO-HTS有一定優勢，主要是由于其低時延特性；第三，在企業與政府、海事、航空、軍事四大領域，GEO-HTS與LEO-HTS的適用度均為高，將產生激烈的市場競爭。

知名咨詢公司NSR和Euroconsult對衛星通信市場份額的預測，在一定程度上佐證了以上分析（如圖 5和圖6）。雖然兩家公司統計口徑的差異導致總量預測值有差別，但兩家公司的預測結果一致認為，到2028年衛星通信的收入主要被HTS系統占據，而且GEO-HTS的收入占比將超過Non-GEO HTS。

圖5 國外GEO-HTS典型衛星的單星容量

圖6 NSR對衛星通信市場份額的預測[13]

4.“星鏈”對5G地面蜂窩網絡的影響有限

20世紀90年代第一代低軌衛星星座為Starlink提供了經驗教訓。在1990～2000年間有多個星座計劃被提出，使人們在任何地方都能通過便攜式衛星電話進行通信，比如“銥星”、“全球星”、“軌道通信”等。三大星座起步于20世紀90年代，與當時的地面蜂窩網設計指標和功能基本相同，并具有全球無縫覆蓋的優勢，對于當時用得起移動通信的客戶更具吸引力。但在三大星座建設的10年間，地面蜂窩網絡逐漸從2G演化到3G，手機終端價格和流量資費不斷降低，衛星通信除了覆蓋范圍廣的優勢之外，終端成本、通信速率、流量價格等方面均處于劣勢，三大衛星通信公司先后經歷了破產重組。雖然三個星座最終起死回生，但在無線通信市場的份額有限，目前三大星座的用戶總數約400萬，而全球蜂窩移動用戶數量已經超過74億[15]。

圖7 Euroconsult對衛星通信市場份額的預測[14]

Starlink星座聚焦數據傳輸服務，但與5G地面蜂窩網絡不具可比性。當下互聯網接入需求發生了很大的變化，搶占互聯網入口已經成為互聯網內容和服務提供商的首選，Starlink星座也以提供消費者寬帶接入為主要目標。但是從系統容量、流量密度、網絡覆蓋、終端類型等方面看，Starlink星座與5G的系統性能和應用場景差別很大，對5G市場的影響有限。

第一，系統容量方面，衛星星座遠小于蜂窩系統。Starlink星座第1期4425顆衛星的系統容量約100 Tbps，有效容量約23 Tbps。假設每個用戶平均需要10 Mbps容量，那么StarLink最多支持230萬用戶。而根據2019年GSMA《移動經濟》報告，2018年全球4G連接數已達34億，到2025年全球5G連接數將達14億。因此Starlink即使將其容量完全銷售出去，其市場份額也遠低于蜂窩系統。

第二，流量密度方面，衛星星座比5G蜂窩系統低7個數量級。Starlink衛星用戶下行總帶寬為2 GHz，頻譜效率約2.7 bps/Hz，因此單個點波束最大容量約5.4Gbps，而每個波束覆蓋地表約2800 km2，因此其流量密度約2 Mbps/km2，比5G系統所能支持的10 Tbps/km2低7個數量級。世界主要城市人口密度普遍在1000人/km2以上，假設人均需要10 Mbps的通信容量，則城市地區需要的容量密度高于10 Gbps/km2。因此，城市地區的容量需求只有地面網絡能夠滿足，StarLink星座只適用于人口稀疏的偏遠陸地、海事或航空等場景。

第三，網絡覆蓋方面，衛星通信與蜂窩通信有不同的適用領域。一方面，偏遠陸地、海洋、空天等蜂窩系統基本不能覆蓋的領域，適合使用衛星通信。另一方面，衛星通信雖然理論上能無縫覆蓋全球，但HTS系統常用的Ku和Ka頻段穿透能力差，依賴于視距傳輸。因此，在城市高樓之下和室內應用等場景，衛星信號的覆蓋能力嚴重不足，更適合使用蜂窩通信。

第四，終端類型方面，衛星寬帶地面終端的尺寸、重量、功耗、價格均顯著高于5G終端。蜂窩通信傳輸距離在1 km以內，LEO衛星傳輸距離在500 km以上，路徑損耗比蜂窩通信高50 dB以上，因此衛星通信地面終端需要高增益的拋物面天線或者平板天線，天線口徑一般在35 cm以上，天線重量、功耗、價格均遠高于5G用戶終端。

5.結語

綜合以上分析，針對Starlink星座的發展前景有以下判斷：第一，Starlink獲準進入俄羅斯、中國等國際市場的可能性較低，衛星寬帶對于印度、非洲等地區又過于昂貴，因此Starlink將主要服務歐美市場；第二，美國國內偏遠地區預計到2025年未被光纖覆蓋的家庭數總計1860萬，換算為人口數約4700萬，這些用戶構成了衛星通信具有價格優勢的潛在市場，將是Starlink等低軌星座，以及Jupiter-3、ViaSat-3等GEO-HTS激烈爭奪的服務對象；第三，地面終端平板天線的價格和性能能否滿足消費級需求，是決定Starlink等低軌星座能否贏得消費者寬帶市場的關鍵因素；第四，衛星通信在系統容量、流量密度、網絡覆蓋、終端類型等方面與5G蜂窩網絡相比存在極大劣勢，將主要服務地面蜂窩網絡無法覆蓋的區域，與5G主要是互補的關系而不是競爭的關系。