前沿 |“星链”互联网星座发展前景分析
邹明、苏小莉 等 卫星与网络
摘要
受益于批量化卫星制造、火箭重复利用、一箭多星发射等领先技术，“星链”互联网星座成为新一轮低轨卫星浪潮的佼佼者。然而，“星链”互联网星座所瞄准的消费者宽带市场，面临地面固定宽带、蜂窝无线宽带，以及静地轨道高通量卫星的多重竞争。本文从建设费用、通信容量、地面终端、落地监管等方面对比“星链”互联网星座与其竞争对手的优劣，分析“星链”星座面临的机遇和挑战，并研判其发展前景。
01
引言
2020年6月15日，美国太空探索（SpaceX）公司成功将第九批60颗“星链”（Starlink）卫星发射升空，至此该星座发射卫星总数已达到540颗，公司表示星座私下测试将在7月左右进行，并最早可能在8月为美国消费者提供卫星宽带服务。
然而，并非所有低轨星座都能顺利落地。2020年3月28日SpaceX公司曾经最大的竞争对手一网（OneWeb）公司正式申请破产保护，仅仅6天前该公司的34颗卫星还搭载“联盟”号火箭升空，使卫星总数达到74颗。作为新时代大规模低轨卫星星座的开创者，OneWeb公司的破产令人想起20世纪90年代的低轨卫星星座发展浪潮，当时铱星（Iridium）和全球星（Globalstar）公司都经历了破产和重组。与上次相比，这次低轨卫星互联网浪潮有不同的时代背景，如新的卫星制造和发射技术（批量化制造、火箭重复利用、一箭多星发射等），新的物联网、产业互联网等应用环境，新的经济全球化水平，以及海洋经济和太空经济步伐的加快等。但是历史再次重演，先是2019年11月原计划发射78至108颗卫星实现高速互联网服务的LeoSat公司因缺乏投资而停止运作，后是2020年3月OneWeb公司因新冠疫情引发金融市场动荡而申请破产。那么Starlink的发展前景如何，能否成为新一代低轨卫星星座的最后赢家？
02
“星链”的最大机遇在于美国光纤渗透率偏低
在2020年3月举办的“美国2020卫星大会”上，SpaceX公司首席执行官马斯克接受访谈时表示，Starlink星座无意与成熟的电信厂家去竞争，而是将目标定位为向光纤和手机基站无法或难以覆盖的人群提供上网服务。事实上，在有光纤覆盖的城镇地区，卫星宽带的竞争力极其有限。例如，现在商用光纤已能以单纤16 Tbps（单波200 Gbps×80个载波）的容量实现3000公里无中继传输，而Starlink第一期计划部署的4425颗卫星单星容量为17~23 Gbps，整个星座容量才100 Tbps。此外，低轨卫星天然具有全球覆盖性，而地球表面70%以上为海洋和荒野，因此存在容量浪费。有学者根据地表人口分布模型，测算出StarLink容量利用效率为25.1%，整个星座有效容量约为23 Tbps。假设StarLink第一期星座服务100万用户，则户均容量约为23 Mbps，远低于光纤宽带的速率。
美国光纤渗透率不足，地面固定网络速率偏低，并且农村地区宽带短缺，为Starlink提供了发展空间。2013年之前，美国和中国的光纤渗透率均较低。在过去的七年中，中国积极推动光纤部署战略，2019年光纤已经覆盖了98%的行政村，实际接入光纤的宽带用户数达3.96亿户，在固定宽带中的渗透率约91%[]；美国2018年光纤覆盖全国31%的家庭住户，实际接入光纤的宽带用户数为1860万户，在固定宽带中的渗透率仅17%（如图 1）。光纤短缺导致美国地面固定网络以同轴电缆为主，2017年其占比约65%；此外有2422万家庭通过DSL电话线接入固定网络，其中仅15%的DSL电话线能达到下行/上行25/3 Mbps的标准（如图 2）。2017年美国固定网络下行速率分布如图 3，总计3350万户家庭速率低于25 Mbps，占比约31%。此外，美国联邦通信委员会（FCC）2020年报告显示，即使将卫星宽带计算在内，美国仍有22.3%的农村人口和1.5%的城市人口缺乏达到25/3 Mbps的固定宽带覆盖。因此，美国光纤渗透率偏低，尤其是农村地区宽带短缺，为Starlink等卫星宽带提供了较大的发展空间。
图 1 2014-2018年美国、中国固定宽带中的光纤渗透率
图 2 2017年美国不同类型固定网络接入用户数（单位：百万户）
图 3 2017年美国固定网络各下行速率区间用户数（单位：百万户）
美国光纤到户部署费用较高，光纤覆盖率提升缓慢，为Starlink提供了宝贵的部署时间。光纤到户（FTTH）户均部署费用包含两部分：一是家庭覆盖（Home Passed）费用，包括土建（挖沟、埋管、人井）、光缆（铺设、熔接、测试）、站点（ODN无源设备及安装）、有源设备（OLT和ODN有源设备）等，住户密度越高的地区每户分摊的家庭覆盖费用越低；二是家庭接入（Home Connected）费用，包括光纤用户终端的购买费用和安装费用，只有在用户需要服务时才产生。住户密度较低、路权获取困难、土建成本高昂，是推高光纤家庭覆盖费用的主要因素。在2019年的研究中，美国宽带协会（FBA）将美国按照住户密度由高至低分为A、B、C、D1、D2五类地区，分析得出前四类地区户均部署费用依次为1218、1863、2737、4206美元/户 （如表 1）。FCC管理的“农村数字机遇基金”（RDOF）将在2020~2030年间提供204亿美元资金，为农村地区家庭和小型企业提供25/3 Mbps以上的宽带接入，其中一部分资金将用于铺设光纤。但是美国宽带协会的研究表明，按照当前增速和资金投入力度，2025年美国光纤家庭覆盖率仅有望达到50%；如果希望在2029年达到90%，则未来十年需额外投入700亿美元，远超出目前的RDOF资金总额。Starlink预计第1期4425颗卫星于2024年左右完成部署，因此美国缓慢的光纤铺设进度为其赢得了部署时间。
卫星通信在美国有较大的潜在市场，Starlink的发展前景比较乐观。与光纤相比，卫星通信的优点在于其连接成本与地形无关，因此卫星通信在偏远地区可能具有价格优势。例如，假设户均平均速率为10 Mbps ，正在建设的Starlink第1期4425颗卫星耗资约68亿美元提供23 Tbps有效容量，能够支持230万用户，则其户均连接成本约3000美元。另外预计卫星通信用户终端价格在500美元左右，因此Starlink星座户均连接成本在3500美元左右，高于美国A、B、C类地区的光纤部署费用，但低于D1、D2类地区。根据表 1，预计到2025年D1、D2类地区未被光纤覆盖的家庭数总计1860万户，换算为人口约4700万（美国每户家庭约2.54人）。这些用户处于人口密度最低的偏远农村地区，不仅长期缺乏光纤覆盖，可能也缺乏同轴电缆而仅能通过DSL电话线接入固定网络。因此，这些用户构成了卫星宽带具有价格优势的潜在市场，能为StarLink等卫星宽带企业提供足够的潜在用户。
表 1 2019年美国不同住户密度地区光纤部署费用
03
“星链”面临静地轨道高通量卫星的竞争
Starlink星座属于非静地轨道高通量卫星（Non-GEO HTS）的范畴，其竞争对手除了地面固定网络外，还包括静地轨道高通量卫星（GEO-HTS）。高通量卫星（HTS）系统采用多点波束和频率复用，在获得相同的频谱资源条件下，其吞吐量是传统宽波束卫星的数十甚至数百倍（如图 4）。
图 4 HTS系统与传统宽波束卫星系统对比
HTS技术率先在GEO通信卫星上得以实现。目前全球已有几十个卫星运营商投资建造了数十颗GEO-HTS卫星。其中典型卫星的性能如表 2所示。GEO-HTS的点波束数量由2005年的100路左右，增长到目前的1000路，单星容量也呈现指数增长的趋势（如图 5）。所有在轨GEO-HTS中容量最高者是卫讯公司的ViaSat-2，正在为北美地区提供最高50/3 Mbps的卫星宽带服务。已经签订制造合同并预计2021年发射的Jupiter-3属于休斯公司，计划覆盖北美地区。此外，卫讯公司计划2021年之后发射三颗单星容量1 Tbps的ViaSat-3卫星，分别覆盖北美、欧洲和亚太地区，将提供下行100 Mbps以上的卫星宽带。
表 2 国外GEO-HTS典型卫星的性能
注：-表示未查到确切数据
图 5 国外GEO-HTS典型卫星的单星容量
Non-GEO HTS又分为中地轨道（MEO）和低地轨道（LEO）两种，Starlink星座属于LEO-HTS系统。在单星覆盖范围、卫星寿命、入轨成本、传输时延、路径损耗、地面终端配置等方面，GEO-HTS与LEO-HTS各有优劣（如表 3）：
表 3 GEO-HTS和LEO星座优劣势比较
以上优劣对比是由不同卫星轨道的物理特性，以及电磁波传输原理所决定的。这些因素共同发挥作用，对LEO-HTS和GEO-HTS的市场竞争力有深刻影响，其中最重要的几个方面是：
第一，LEO-HTS单位容量成本与GEO-HTS基本相当。GEO卫星相对于地表静止，因此可以将全部容量投送到地面指定区域；LEO星座可提供全球无缝覆盖能力，但由于地表70%以上是海洋和荒野，其容量覆盖效率很低。此外，GEO卫星寿命一般在15年以上，LEO卫星由于大气阻力其寿命只有5~8年。如表 4所示，考虑到仅有限的覆盖效率之后，Starlink星座的单位容量成本为287 $/Mbps，低于GEO卫星ViaSat-2的1750 $/Mbps与ViaSat-3的500 $/Mbps；进一步考虑到卫星寿命的差别之后，Starlink的单位容量月度成本为4.8 $/Mbps/Mon，介于GEO卫星ViaSat-2和ViaSat-3之间。
表 4 GEO-HTS（ViaSat）与LEO-HTS（Starlink）容量成本对比
第二，LEO-HTS传输时延远低于GEO-HTS，但是目前大部分宽带应用对时延并不敏感。LEO星座的时延在30 ms左右，与地面网络接近，远低于GEO-HTS的480 ms。但是目前视频通话、视频点播、网页浏览等大部分宽带应用，要么对传输时延不敏感，要么可以通过TCP应答削减、报头压缩、应用层加速等技术克服GEO-HTS的传输时延。例如，卫讯公司和休斯公司的GEO-HTS在北美地区已为200万用户提供卫星宽带，同时也早已开展3G/4G基站回传业务。此外，对于网络游戏、金融交易、虚拟现实等时延敏感业务，LEO星座确实优于GEO-HTS，但这些业务也是地面光纤的优势领域。
第三，决定LEO-HTS生死的地面终端平板天线技术目前还不成熟。GEO卫星到地面终端的路径损耗约210 dB，Starlink低轨卫星则约为180 dB，因此低轨卫星具有30 dB的优势。但GEO-HTS采用的大卫星平台支持更大发射功率，可以部分弥补其路径损耗。例如ViaSat-1的下行EIRP值可达60 dBW，而Starlink单颗卫星下行发射EIRP仅36 dBW，考虑到低轨卫星路径损耗的优势，StarLink在地球表面的信号强度会高出6 dB。这意味着为了获得同样的频谱效率，StarLink地面终端需要的天线孔径约为ViaSat-1的一半。然而，GEO-HTS相对地面静止，地面固定终端可以使用传统抛物面天线，船载低速移动终端可以使用机械调向的抛物面天线，机载高速移动终端才需要使用相控阵平板天线；LEO卫星相对地面高速运动，Starlink卫星过顶时间在20分钟以内，因此其地面固定终端也必须使用平板天线。但是目前平板天线价格普遍在10000美元以上，远高于50美元左右的抛物面天线，因此在卫星宽带需求最大的消费者宽带市场，LEO星座与GEO-HTS相比反而存在较大的劣势。在2020年3月举办的美国2020卫星大会上，马斯克说StarLink用户终端看起来就像“一根棍子上的UFO，带有马达来调整它们的指向，用户安装很方便”。可见其用户终端将采用机械调向平板天线以降低成本，但其价格和性能能否适应消费者宽带市场仍有待观察。
第四，LEO-HTS面临严峻的落地监管问题。GEO-HTS的波束覆盖范围可以预先设定，但是LEO星座天然具有全球无缝覆盖的特点，如果只获准进入少数国家和地区，将造成巨大的容量浪费。面向最终客户的基础电信运营均受一定程度的监管，目前贸易保护主义蔓延，外国基础电信运营商在各国落地面临更大困难。例如，2019年8月OneWeb向俄罗斯国家委员会申请无线电频率，但未获批准，原因可能是俄罗斯担心无法控制OneWeb卫星的服务。因此，全球落地监管是LEO星座系统面临的又一个巨大挑战。
综合分析，LEO-HTS与GEO-HTS各有优劣，这决定它们各有其适用领域。卫星宽带有消费者宽带、基站回传与中继、企业与政府、海事、航空、军事、视频广播七大类应用。因为波束覆盖、传输时延、用户场景的不同，GEO-HTS、LEO-HTS和GEO宽波束卫星三类宽带卫星在不同领域有不同适用程度，表 5将其分为高中低三档进行对比。从中可得出如下结论：第一，在消费者宽带领域，GEO-HTS适用度最高，LEO-HTS目前缺乏低成本的消费级地面终端，其适用度为中；第二，在基站回传与中继领域LEO-HTS有一定优势，主要是由于其低时延特性；第三，在企业与政府、海事、航空、军事四大领域，GEO-HTS与LEO-HTS的适用度均为高，将产生激烈的市场竞争。
表 5 GEO-HTS、LEO-HTS和GEO宽波束卫星不同场景适用程度
知名咨询公司NSR和Euroconsult对卫星通信市场份额的预测，在一定程度上佐证了以上分析（如图 5和图 6）。虽然两家公司统计口径的差异导致总量预测值有差别，但两家公司的预测结果一致认为，到2028年卫星通信的收入主要被HTS系统占据，而且GEO-HTS的收入占比将超过Non-GEO HTS。
图 6 NSR对卫星通信市场份额的预测
图 7 Euroconsult对卫星通信市场份额的预测
04
“星链”对5G地面蜂窝网络的影响有限
20世纪90年代第一代低轨卫星星座为Starlink提供了经验教训。在1990~2000年间有多个星座计划被提出，使人们在任何地方都能通过便携式卫星电话进行通信，比如“铱星”、“全球星”、“轨道通信”等。三大星座起步于20世纪90年代，与当时的地面蜂窝网设计指标和功能基本相同，并具有全球无缝覆盖的优势，对于当时用得起移动通信的客户更具吸引力。但在三大星座建设的10年间，地面蜂窝网络逐渐从2G演化到3G，手机终端价格和流量资费不断降低，卫星通信除了覆盖范围广的优势之外，终端成本、通信速率、流量价格等方面均处于劣势，三大卫星通信公司先后经历了破产重组。虽然三个星座最终起死回生，但在无线通信市场的份额有限，目前三大星座的用户总数约400万，而全球蜂窝移动用户数量已经超过74亿。
Starlink星座聚焦数据传输服务，但与5G地面蜂窝网络不具可比性。当下互联网接入需求发生了很大的变化，抢占互联网入口已经成为互联网内容和服务提供商的首选，Starlink星座也以提供消费者宽带接入为主要目标。但是从系统容量、流量密度、网络覆盖、终端类型等方面看，Starlink星座与5G的系统性能和应用场景差别很大，对5G市场的影响有限。
第一，系统容量方面，卫星星座远小于蜂窝系统。Starlink星座第1期4425颗卫星的系统容量约100 Tbps，有效容量约23 Tbps。假设每个用户平均需要10 Mbps容量，那么StarLink最多支持230万用户。而根据2019年GSMA《移动经济》报告，2018年全球4G连接数已达34亿，到2025年全球5G连接数将达14亿。因此Starlink即使将其容量完全销售出去，其市场份额也远低于蜂窝系统。
第二，流量密度方面，卫星星座比5G蜂窝系统低7个数量级。Starlink卫星用户下行总带宽为2 GHz，频谱效率约2.7 bps/Hz，因此单个点波束最大容量约5.4Gbps，而每个波束覆盖地表约2800 km2，因此其流量密度约2 Mbps/km2，比5G系统所能支持的10 Tbps/km2低7个数量级。世界主要城市人口密度普遍在1000人/km2以上，假设人均需要10 Mbps的通信容量，则城市地区需要的容量密度高于10 Gbps/km2。因此，城市地区的容量需求只有地面网络能够满足，StarLink星座只适用于人口稀疏的偏远陆地、海事或航空等场景。
第三，网络覆盖方面，卫星通信与蜂窝通信有不同的适用领域。一方面，偏远陆地、海洋、空天等蜂窝系统基本不能覆盖的领域，适合使用卫星通信。另一方面，卫星通信虽然理论上能无缝覆盖全球，但HTS系统常用的Ku和Ka频段穿透能力差，依赖于视距传输。因此，在城市高楼之下和室内应用等场景，卫星信号的覆盖能力严重不足，更适合使用蜂窝通信。
第四，终端类型方面，卫星宽带地面终端的尺寸、重量、功耗、价格均显著高于5G终端。蜂窝通信传输距离在1 km以内，LEO卫星传输距离在500 km以上，路径损耗比蜂窝通信高50 dB以上，因此卫星通信地面终端需要高增益的抛物面天线或者平板天线，天线口径一般在35 cm以上，天线重量、功耗、价格均远高于5G用户终端。
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5.结语
综合以上分析，针对Starlink星座的发展前景有以下判断：第一，Starlink获准进入俄罗斯、中国等国际市场的可能性较低，卫星宽带对于印度、非洲等地区又过于昂贵，因此Starlink将主要服务欧美市场；第二，美国国内偏远地区预计到2025年未被光纤覆盖的家庭数总计1860万，换算为人口数约4700万，这些用户构成了卫星通信具有价格优势的潜在市场，将是Starlink等低轨星座，以及Jupiter-3、ViaSat-3等GEO-HTS激烈争夺的服务对象；第三，地面终端平板天线的价格和性能能否满足消费级需求，是决定Starlink等低轨星座能否赢得消费者宽带市场的关键因素；第四，卫星通信在系统容量、流量密度、网络覆盖、终端类型等方面与5G蜂窝网络相比存在极大劣势，将主要服务地面蜂窝网络无法覆盖的区域，与5G主要是互补的关系而不是竞争的关系。
