基于隱含能分析法的星鏈DTC能耗分析

中國電信衛(wèi)星研究院在《China Communications》期刊發(fā)表論文：Energy Consumption Ratio Analysis of LEO Constellation Systems Providing Direct Mobile Connectivity Based on Embodied Energy Analysis Method.

論文基于隱含能（Embodied Energy）分析方法，系統(tǒng)評估了低軌衛(wèi)星星座提供直連手機(jī)業(yè)務(wù)（DTC）時的單位通信能耗，并與不同場景下的地面基站網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了定量對比。研究表明，盡管衛(wèi)星依靠太陽能運(yùn)行，其綜合能耗仍顯著高于地面網(wǎng)絡(luò)。由此，論文提出一個供業(yè)界思考的觀點(diǎn)：低軌直連星座最終應(yīng)為地面網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充而非替代，天地融合可能才是能源效率最優(yōu)的發(fā)展方向。

基于隱含能分析法的星鏈DTC能耗分析

李屹寰1,2，于超1,2，忻向軍3

1.天通衛(wèi)星科技（深圳）有限公司，深圳 518101；

2.中國電信股份有限公司衛(wèi)星通信分公司，北京 100089；

3.北京理工大學(xué)，北京 100081

內(nèi)容簡介

根據(jù)SpaceX官方披露及行業(yè)分析，截至2025年7月，一代“星鏈直連手機(jī)”星座已具備660顆搭載4G LTE基站模塊的衛(wèi)星，完成第一代部署，其可讓普通手機(jī)無需改裝，通過衛(wèi)星在偏遠(yuǎn)地區(qū)通信。有觀點(diǎn)認(rèn)為這類低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)會成為地面網(wǎng)絡(luò)有力競爭者，尤其Starlink推出低價(jià)套餐后，相關(guān)討論升溫。

與其他研究不同，我們發(fā)表在《China Communications》的文章“Energy Consumption Ratio Analysis of LEO Constellation Systems Providing Direct Mobile Connectivity Based on Embodied Energy Analysis Method”從能耗視角分析發(fā)現(xiàn)，雖衛(wèi)星靠太陽能供電，但借助隱含能工具分析顯示，當(dāng)前衛(wèi)星通信單位能耗遠(yuǎn)高于地面基站，是偏遠(yuǎn)地區(qū)地面基站群的18.2-32.9倍、人員密集地區(qū)的384-715倍。故初步結(jié)論為：衛(wèi)星通信有全球無縫覆蓋潛力，但單獨(dú)建設(shè)不與地面網(wǎng)絡(luò)融合會造成巨大能源浪費(fèi)。

原文引用格式：

Y. Li, C. Yu, et al., “Energy consumption ratio analysis of leo constellation systems providing direct mobile connectivity based on embodied energy analysis method,” China Communications, 2025, vol. 22, no. 5, pp. 335-349. DOI: 10.23919/JCC.fa.2024-0358.202 505

PART 01

引言

根據(jù)SpaceX官方披露及行業(yè)分析，截至2025年7月，一代“星鏈直連手機(jī)”（DTC）星座已包含660顆衛(wèi)星，完成第一代部署。近來部分海內(nèi)外學(xué)者在其研究報(bào)告中提出，該星座支持普通智能手機(jī)在無需硬件改裝或特殊應(yīng)用的情況下，通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在全球偏遠(yuǎn)地區(qū)收發(fā)短信、撥打通話及傳輸數(shù)據(jù)。其技術(shù)原理是在近地軌道衛(wèi)星上搭載4G LTE基站模塊（eNodeB），使衛(wèi)星成為“太空中的基站”。此外，美國聯(lián)合加拿大、澳大利亞等13個西方國家發(fā)布的《6G研發(fā)共同原則聲明》（Joint Statement Endorsing Principles for 6G: Secure, Open, and Resilient by Design）中提出，6G將利用以衛(wèi)星為代表的非地面網(wǎng)絡(luò)。此后，大量自媒體認(rèn)為以手機(jī)直連衛(wèi)星為主要應(yīng)用場景的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)將成為地面網(wǎng)絡(luò)的有力競爭者，上萬顆具備LTE信號調(diào)制解調(diào)能力、可實(shí)現(xiàn)存量手機(jī)直連能力的低軌衛(wèi)星，最終將取代以光纖、蜂窩基站為代表的地面網(wǎng)絡(luò)。有眾多商業(yè)機(jī)構(gòu)和研究團(tuán)體對該星座商業(yè)模式、服務(wù)能力進(jìn)行分析，尤其是Starlink發(fā)布了20美元每月的套餐后，探討其能否在當(dāng)前乃至6G時代對地面移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)起挑戰(zhàn)成為了衛(wèi)星通信愛好者討論的話題。

與其他研究者不同，我們想從能耗視角分析以Starlink DTC星座為代表的衛(wèi)星移動通信是否優(yōu)于地面網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星入軌后，能源來源于太陽翼捕獲的太陽能，這也是眾多研究者認(rèn)為偏遠(yuǎn)地區(qū)“衛(wèi)星進(jìn)、基站退”可能更契合綠色通信理念的核心依據(jù)。但我們借助隱含能這一分析工具對兩種通信系統(tǒng)分析后發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星通信的單位能耗遠(yuǎn)大于地面基站。建模與分析結(jié)果表明，當(dāng)前Starlink DTC系統(tǒng)的能耗比是偏遠(yuǎn)地區(qū)地面基站群的18.2-32.9倍，是人員密集地區(qū)基站群的384-715倍，因此可以得出初步結(jié)論：衛(wèi)星通信系統(tǒng)具備全球無縫覆蓋的通信潛力，但單獨(dú)建設(shè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)而不與地面網(wǎng)絡(luò)融合則會造成能源的巨大浪費(fèi)。

PART 02

建模分析

在未來6G網(wǎng)絡(luò)中，移動手機(jī)主要有三種方式進(jìn)入運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示（A）表示與4G、5G相同，移動手機(jī)通過地面基站接入運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，目前我公司運(yùn)營的“天通一號”手機(jī)直連大眾消費(fèi)級業(yè)務(wù)就采用圖1（B）中的架構(gòu)，本文分析的Starlink DTC就采用圖1（C）的架構(gòu)，衛(wèi)星上攜帶了LTE的調(diào)制解調(diào)器，衛(wèi)星就像天空中的基站[1]。從圖 1 可見，三種架構(gòu)的核心差異在于接入網(wǎng)設(shè)備及覆蓋面積；而移動手機(jī)收發(fā)的信息，均需在終端與運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)之間傳輸。因此，分析兩類通信系統(tǒng)的能耗差異，只需對比：為相同面積區(qū)域提供通信服務(wù)時，地面基站與具備基站功能的衛(wèi)星的能耗比。

圖1 三種手機(jī)接入運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)方式的架構(gòu)圖

衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面網(wǎng)絡(luò)存在較大差異，地面基站在整個生命周期的能耗可分為制造能耗、運(yùn)行能耗和維護(hù)能耗[2]；通信衛(wèi)星搭載太陽能光伏板，進(jìn)入太空后無需太陽能之外的其他能源輸入，但其發(fā)射前不僅僅需要消耗能量用來制造衛(wèi)星，同樣需要大量能量制造發(fā)射衛(wèi)星所需要的運(yùn)載火箭，并且火箭消耗的燃料也產(chǎn)生大量的能耗。衛(wèi)星、火箭等復(fù)雜設(shè)備的制造過程涉及多種能量來源，且各來源比例未知，同時對其多種部件的直接能源消耗進(jìn)行計(jì)算也較為困難，因此本文以隱含能作為模型中的能量分析對象。

相對于基于直接能源供需情況所做的分析，隱含能能夠體現(xiàn)包含在產(chǎn)品和服務(wù)生產(chǎn)全流程中直接能源和間接能源消耗的總和，其更能為經(jīng)濟(jì)社會能源相關(guān)問題提供更全面的視角，有助于在生態(tài)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中提供一個共同點(diǎn)的實(shí)證參考[3-5]，眾多學(xué)者用隱含能來做能源分析，將其應(yīng)用在能源消耗評估上，并以此提出如相關(guān)對策建議[7-12]。其中在通信領(lǐng)域中Minho Jo與Min Chen在2011年就提出在分析通信系統(tǒng)能耗時需考慮基站等通訊設(shè)施在建設(shè)過程中所涉及到的隱含能，并將基站制造過程中的隱含能和基站運(yùn)營所消耗的直接能源結(jié)合在一起作為基站全生命周期的總能耗提出了一種考慮隱含能的蜂窩網(wǎng)絡(luò)能效模型[2，13]，我們總結(jié)了其能耗分布圖如圖2（A）所示，本文也根據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設(shè)的實(shí)際情況建立了Starlink DTC的隱含能能耗分布圖如圖2（B）所示。

圖2 地面基站與衛(wèi)星通信系統(tǒng)全生命周期的隱含能能耗分布示意圖

圖3 在單個基站覆蓋范圍內(nèi)，兩種典型場下終端的分布以及基站工作情況

PART 03

計(jì)算與分析

1. 發(fā)射單顆衛(wèi)星所需燃料的隱含能

根據(jù)勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的研究報(bào)告[14]及ecoinvent數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)，當(dāng)前承擔(dān)Starlink V2 Mini F9-3（后文簡稱V2 Mini）發(fā)射任務(wù)的‘獵鷹 - 9 Block 5’運(yùn)載火箭，所用燃料為RP-1煤油 + 液氧；未來將承擔(dān)Starlink V2 Bus Starship-2（后文簡稱 V2）發(fā)射任務(wù)的‘星艦’，所用燃料為液態(tài)甲烷 + 液氧。這三種燃料的單位隱含能分別為：RP-1煤油 54.0 兆焦耳 / 千克（MJ/kg）、液態(tài)甲烷68.9 MJ/kg、液氧8.8 MJ/kg。根據(jù)國際知名網(wǎng)站spaceflight101公布的數(shù)據(jù)，“獵鷹-9 FT Block 5”運(yùn)載火箭RP-1煤油與液氧的質(zhì)量分別為155.870噸與362.630噸[15]；“星艦”（包含一級推進(jìn)器“Super Heavy”）的推進(jìn)劑總重為4600噸 [16-17]。根據(jù)馬斯克的訪談內(nèi)容，其液氧與液態(tài)甲烷的質(zhì)量比約為3.6:1[18]，以公開的數(shù)據(jù)可估算兩種運(yùn)載火箭單次發(fā)射所需燃料的總隱含能如表1所示.

表1 獵鷹-9 Block 5 和 星艦 單次發(fā)射所需要燃料的隱含能

根據(jù)FCC文件可知具備“手機(jī)直連”能力的V2 Mini質(zhì)量為970kg，V2質(zhì)量為2000kg[19]，具備17,400kg運(yùn)載能力的“獵鷹-9 FT Block 5”運(yùn)載火箭[20]與具備150,000kg運(yùn)載能力的“星艦”[16-17]分別可一次發(fā)射18顆V2 Mini，75顆V2，那么可知以上兩種具備“手機(jī)直連”能力的單顆衛(wèi)星被發(fā)射到軌道上所消耗的推進(jìn)劑的隱含能即等式（6）中 分別為644.889GJ和1341.067GJ。如在未來V2 Mini通過“星艦”發(fā)射，則每次可發(fā)射155顆左右，單顆衛(wèi)星被發(fā)射到軌道上所消耗的推進(jìn)劑的隱含能為653.117 GJ.

2. 制造單顆衛(wèi)星以及制造運(yùn)載火箭所消耗的隱含能

根據(jù)ecoinvent數(shù)據(jù)庫所提供的數(shù)據(jù)可知成品鋼、鋁、特種金屬、電子器件、太陽能光伏板以及推進(jìn)劑（甲基肼/四氧化二氮）的隱含能分別為25、190、175、5000、2200、10MJ/kg，結(jié)合文獻(xiàn)[14] 對Starlink和兩種運(yùn)載火箭各種材料使用占比的分析，制造單顆V2 Mini與V2所需的隱含能分別為2.156TJ、4.446TJ也反映了制造單顆“獵鷹-9 Block 5”與“星艦”所需的隱含能。

表2 制造單顆V2 Mini與獵鷹-9 Block 5的隱含能

表3 制造單顆V2與星艦的隱含能

目前發(fā)射V2 Mini所使用的獵鷹-9 Block 5的第一級最多可重復(fù)使用19次且表明已計(jì)劃第20次發(fā)射[21]，那么按照此火箭每次發(fā)射18顆衛(wèi)星、第一級重復(fù)使用20次、第二級不可重復(fù)使用計(jì)算，發(fā)射單顆V2 mini衛(wèi)星所需的火箭制造的綜合隱含能成本為200.897GJ。與獵鷹-9 Block 5不同的是“星艦”第二級也可重復(fù)使用，參考文獻(xiàn)[14,22]中認(rèn)為星艦的第一級Super Heavy可重復(fù)使用1000次，二級可重復(fù)使用12次，按照“星艦”分別可一次發(fā)射75顆V2計(jì)算，每顆V2衛(wèi)星所需的火箭制造的綜合隱含能成本為39.483GJ，燃料隱含能成本為1341.1GJ。雖然Super Heavy搭載的猛禽發(fā)動機(jī)使用液態(tài)甲烷而非RP-1煤油作為推進(jìn)劑，可防止發(fā)動機(jī)內(nèi)沉積物結(jié)焦[22,23]，但Super Heavy并聯(lián)了更多發(fā)動機(jī)，能否實(shí)現(xiàn)1000次重復(fù)使用的愿景仍未可知。

3. 能耗比計(jì)算及分析討論

目前還未有相關(guān)文獻(xiàn)分析過V2 Mini的覆蓋范圍，但文獻(xiàn)[24]分析了Starlink早期型號的衛(wèi)星，其覆蓋半徑為15英里，按六邊形蜂窩計(jì)算其覆蓋面積約等于379Km2，根據(jù)地面運(yùn)營商估計(jì)，部署于城市的LTE基站覆蓋半徑為1.5km可知等式（2、4）中 我們以此計(jì)算在根據(jù)文獻(xiàn)[2]中所提供的數(shù)據(jù)可知一個基站在制造過程中所消耗的隱含能為75GJ，全生命周期為10年，維護(hù)基站消耗的隱含能為10GJ，總隱含能為85GJ。其詳細(xì)情況表4所示。

表4 制造基站所消耗的隱含能

按照基站滿負(fù)荷運(yùn)行功率為1300W、閑時運(yùn)行功率為300W，最大通信速率為1000Mbps計(jì)算，單個基站的能耗比為1.569J/Mb。如果在379平方千米內(nèi)256個基站均服務(wù)多個用戶滿負(fù)荷工作，那么這個區(qū)域內(nèi)所有基站整體能耗比如等式（2）所示等于單個基站的能耗比為1.569J/Mb。但當(dāng)這個區(qū)域在人煙稀少的邊緣地區(qū)，如圖3（B）中情況，256個基站中僅有1個基站工作，那么根據(jù)等式（3,4）計(jì)算可得基站整體能耗比為146.801J/Mb。但目前國內(nèi)運(yùn)營商給出了LTE廣域覆蓋方案[25]，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)在使用2發(fā)送4接收天線并將其功率提升40W后，其覆蓋半徑可提升至15Km，等式（2、4）中

，下行速率達(dá)到46Mbps，那么根據(jù)基數(shù)按得到其基站整體能耗比為32.99J/Mb，根據(jù)實(shí)際情況，在如新疆沙漠等人員稀少地區(qū)，運(yùn)營商建設(shè)網(wǎng)絡(luò)往往選取廣域覆蓋方案，因此本文選取能耗比為32.99J/Mb作為人煙稀少地區(qū)的典型能耗比進(jìn)行討論。

表5 V2 Mini direct to cell衛(wèi)星的能耗比估計(jì)

結(jié)合參考文獻(xiàn)[14]中估算Starlink系統(tǒng)地面站的能耗比為2.63J/Mb，V2 Mini的使用壽命為5年，V2 Mini最大的單用戶傳輸速率為17Mbps（丟包率15%），最大的整星速率為32Mbps（單波束4M,8波束可用），如表3所示，根據(jù)前兩章分析的結(jié)果與等式（5-7）可以計(jì)算出目前V2 Mini手機(jī)直連提供每Mb的能量為1122.4J（17Mbps單用戶）或604.5J（單波束4M,8波束可用）。因此可知當(dāng)前衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在接入網(wǎng)測的能耗比是地面網(wǎng)絡(luò)的32.9-715倍以上。使用星艦發(fā)射的V2衛(wèi)星目前還沒有被發(fā)射，其通信能力未知，因此暫不對其能耗比進(jìn)行分析與計(jì)算。

目前在用戶稀少的偏遠(yuǎn)地區(qū)如圖3中的場景，對于如城市等人員密集地區(qū)，如圖3（A）的場景下基站均正常工作，即使給與Starlink DTC計(jì)劃超過足夠多的頻率資源、按照當(dāng)前3.4 bit/Hz（17Mbps單用戶）或6.4bit/Hz（單波束4M,8波束可用）的實(shí)際頻譜效率，在其他條件不變的情況下，V2 Mini的傳輸速率需要達(dá)到12.12Gbps以上、獲得帶寬超過1.89GHz的LTE頻帶資源才可獲得與地面基站相同的能耗比。

但值得關(guān)注的是，使用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的能耗比仍要高出地面基站的能耗比，然而若SpaceX將DTC計(jì)劃中單星的通信能力提高到580Mbps，在頻譜效率不變的情況下獲得90.625MHz頻譜資源，那么DTC計(jì)劃則會相比于地面上建造后使用頻率極低的地面基站具有更低的能耗比。2025年9月，Starlink收購EchoStar AWS-4、H-block頻率資源，向FCC申請基于V3衛(wèi)星的D2C衛(wèi)星計(jì)劃，最多發(fā)射15000顆D2C專用衛(wèi)星；2025年11月，Starlink進(jìn)一步收購EchoStar AWS-3頻率資源，整合頻率資源后，形成在美國使用的20MHz上行+45MHz下行D2C頻率資源，這也表明在不久的將來，偏遠(yuǎn)地區(qū)依靠衛(wèi)星接入互聯(lián)網(wǎng)或許是更節(jié)能的通信方案。

根據(jù)愛立信《2023年愛立信移動市場報(bào)告》，全球智能手機(jī)用戶月均數(shù)據(jù)流量預(yù)計(jì)將從2023年的21GB增長至2029年的56GB。按2029年用戶日均使用智能手機(jī)12小時測算，這意味著用戶最低數(shù)據(jù)傳輸速率需求為0.043 Mbps。在379平方公里區(qū)域內(nèi)，單顆星鏈DTC衛(wèi)星僅能滿足395名用戶的通信需求。以人口密度1332人/平方公里的北京市為例，若要同時滿足整座城市的數(shù)據(jù)需求，星鏈至少需要部署2.62萬顆同類衛(wèi)星。因此，從能耗角度而言，Starlink DTC僅適合作為地面網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充。

圖4 V2 Mini的通信能力增加至580Mbps時，其能耗比才可與用戶稀疏地區(qū)的地面基站相當(dāng)

圖5 V2 Mini的通信能力增加至12Gbps時，其能耗比才可與用戶密集地區(qū)的地面基站相當(dāng)

PART 04

總結(jié)

在衛(wèi)星通信高速發(fā)展的1990—2000年，衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面通信系統(tǒng)曾短暫產(chǎn)生競爭，“銥星”、“全球星”、“軌道通信”三大星座的設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到了同時期地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)的水平，并具有全球無縫覆蓋的優(yōu)勢，因此吸引了廣泛關(guān)注。但在三大星座投入建設(shè)的十年間，地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)逐漸從2G演進(jìn)到3G，手機(jī)終端價(jià)格和流量資費(fèi)不斷降低，衛(wèi)星通信除了覆蓋范圍廣的優(yōu)勢之外，終端成本、通信速率等方面均處于劣勢，導(dǎo)致三大衛(wèi)星通信公司先后經(jīng)歷了破產(chǎn)重組。雖然三個星座最終都起死回生，但占據(jù)的無線通信市場份額遠(yuǎn)小于地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)，2015年三大星座的用戶總數(shù)才達(dá)到380萬，而同時期全球蜂窩移動用戶數(shù)量為73億。

Starlink目前除北美和西歐等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)外也已經(jīng)在如菲律賓、印度尼西亞等多島嶼國家提供了衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)，使更多的人獲得了互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。但本文分析表明，在大城市等人員密集地區(qū)，大型低軌衛(wèi)星通信星座的能耗比是地面基站的384-715倍；在人煙稀少的偏遠(yuǎn)地區(qū)，其能耗比仍比當(dāng)前地面基站部署方案高出18.2-32.9倍。從綠色通信角度出發(fā)，試圖利用如Starlink等低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)完全取代地面網(wǎng)絡(luò)是十分不明智的，但未來SpaceX獲得更多頻譜資源且提高衛(wèi)星通信能力之后，其能耗比與服務(wù)價(jià)格有望降至大眾可接受范圍，屆時可在極偏遠(yuǎn)地區(qū)替代地面基站，與地面網(wǎng)絡(luò)形成互補(bǔ)，共同構(gòu)建新型天地一體網(wǎng)絡(luò)。

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22) Jonathan O’Callaghan, The wild physics of Elon Musk's methane-guzzling super-rocket. Available online: https://www.wired.com/story/spacex-raptor-engine-starship/ (accessed on 11 July 2023)

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