手機直連低軌衛(wèi)星的應(yīng)用場景及業(yè)務(wù)需求分析

中國電信衛(wèi)星研究院在《電信科學(xué)》發(fā)表論文：手機直連低軌衛(wèi)星的應(yīng)用場景及業(yè)務(wù)需求分析。該論文系統(tǒng)分析了手機直連低軌星座的技術(shù)路徑、應(yīng)用場景與商業(yè)可行性，指出 手機直連低軌星座在我國應(yīng)聚焦應(yīng)急通信和海量中低速連接等保底應(yīng)用，而非面向大眾的日常寬帶服務(wù)，以避免商業(yè)風(fēng)險，并推動天地一體化協(xié)同發(fā)展。

手機直連低軌衛(wèi)星的

應(yīng)用場景及業(yè)務(wù)需求分析

劉悅1，田野1，趙冬1，李彥坤1，楊虎嘯1，高然2，忻向軍3（1.中國電信股份有限公司衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)研究院，北京 100035；2.北京理工大學(xué)，北京 100081）

內(nèi)容簡介

手機直連衛(wèi)星是低軌（low　earth　orbiting，LEO）星座系統(tǒng)的重要應(yīng)用方向之一。本文概述了手機直連衛(wèi)星的主要技術(shù)路線、應(yīng)用場景及業(yè)務(wù)類型；分析了低軌星座的建設(shè)成本、承載能力、運營收入；提出了我國手機直連衛(wèi)星通信的主要應(yīng)用應(yīng)以廣覆蓋、海量連接為主，而衛(wèi)星大流量寬帶上網(wǎng)應(yīng)用存在商業(yè)閉環(huán)的風(fēng)險；最后探討了結(jié)合應(yīng)用需求的技術(shù)發(fā)展建議。

在中國，衛(wèi)星通信服務(wù)應(yīng)更多面向應(yīng)急、防災(zāi)、救援等特定場景或大眾消費者的特定時刻，作為語音、低速數(shù)據(jù)等通信保底手段的形式存在。如果期望手機直連低軌星座系統(tǒng)作為面向大眾消費者、行業(yè)普及化、日常化的通信手段，其建設(shè)成本、營收壓力和地面通信網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)都將面臨不可測的影響和巨大沖擊。

根據(jù)本文分析，建議業(yè)界后續(xù)聚焦廣覆蓋下的應(yīng)急處突、海量連接、中低速數(shù)據(jù)速率等衛(wèi)星通信主要業(yè)務(wù)類型和應(yīng)用場景，對手機直連低軌星座的技術(shù)體制進行相應(yīng)優(yōu)化和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，基于天地一體化，共同推進我國低軌星座系統(tǒng)的健康發(fā)展和技術(shù)演進。

引用格式

劉悅,田野,趙冬,等.手機直連低軌衛(wèi)星的應(yīng)用場景及業(yè)務(wù)需求分析[J].電信科學(xué),2024,40(04):56-65.

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引言

近年來，隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，在通信基礎(chǔ)設(shè)施不完善的歐美、非洲、南美等地區(qū)，基于Ka、Ku高頻段的低軌星座系統(tǒng)面向用戶提供寬帶上網(wǎng)的服務(wù)得到了快速拓展，至2024年3月，美國Starlink低軌星座累積發(fā)射規(guī)模達到6 153顆，其中在軌服務(wù)衛(wèi)星數(shù)量為4 855顆，用戶規(guī)模突破260萬，初步實現(xiàn)了年度營收平衡。 2023年9月，中國電信基于高軌移動通信衛(wèi)星的S波段，聯(lián)合華為公司發(fā)布的手機直連衛(wèi)星雙向語音通信的運營級產(chǎn)品，簽約用戶規(guī)模在短時間內(nèi)突破百萬。隨后，Space X宣布將基于地面通信運營商的1.9 GHz低頻段用于開展手機直連低軌星座試驗，并于2024年1月發(fā)射了基于V2 Mini（Bus F9-3）版本的6顆試驗衛(wèi)星。Starlink 手機直連試驗衛(wèi)星在軌道高度爬升期間，初步實現(xiàn)了手機直連低軌衛(wèi)星發(fā)送推文、圖片及17 Mbit/s速率的單星能力。自此，手機直連衛(wèi)星徹底引爆了業(yè)界熱潮，學(xué)術(shù)界、運營商、產(chǎn)業(yè)鏈等各方進一步加強了在手機直連衛(wèi)星賽道的技術(shù)和資源投入，紛紛制定計劃發(fā)射試驗系統(tǒng)、開展上星試驗。 結(jié)合我國對低空經(jīng)濟、新能源汽車等行業(yè)的戰(zhàn)略規(guī)劃及其快速發(fā)展，衛(wèi)星通信行業(yè)對于船載、車載、機載終端直連低軌衛(wèi)星實現(xiàn)語音、物聯(lián)網(wǎng)、寬帶上網(wǎng)等能力，進而滲透千行百業(yè)的設(shè)想逐步浮出水面，對低軌星座替代地面移動網(wǎng)絡(luò)通信能力的期盼出現(xiàn)了過熱趨勢[1-4]。 作為低軌星座系統(tǒng)的重要應(yīng)用方向之一，手機直連衛(wèi)星能否兼顧大帶寬、海量連接兩大應(yīng)用需求仍存在不確定和業(yè)界觀點難以統(tǒng)一的問題。該問題應(yīng)結(jié)合衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主要應(yīng)用場景、建設(shè)成本、通信資費的大眾承受度、通信承載能力、業(yè)務(wù)感知等多維因素綜合考量。

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手機直連衛(wèi)星的技術(shù)路線

根據(jù)《電信業(yè)務(wù)分類目錄（2015版）》[5]的規(guī)定，衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)分為衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù)和衛(wèi)星固定通信業(yè)務(wù)。手機直連衛(wèi)星是傳統(tǒng)衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù)下的創(chuàng)新應(yīng)用，與傳統(tǒng)的衛(wèi)星移動通信應(yīng)用相比，手機直連衛(wèi)星應(yīng)用的用戶群體從行業(yè)用戶擴展到了公眾用戶。而當(dāng)前手機直連衛(wèi)星成為行業(yè)焦點的原因之一是切實將衛(wèi)星通信的用戶群瞄準(zhǔn)了公眾消費者。因此，手機直連衛(wèi)星聚焦的是面向公眾消費者使用的智能手機直接與移動 通信衛(wèi)星連接獲取通信服務(wù)的應(yīng)用形式。廣義來說，手機直連衛(wèi)星不僅限于智能手機終端，其他終端如物聯(lián)網(wǎng)終端等也可以與衛(wèi)星進行通信，構(gòu)成更大的通信網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前衛(wèi)星通信行業(yè)將手機直連衛(wèi)星的研發(fā)方向分為定制手機直連、存量手機直連、5G非地面網(wǎng)絡(luò)（non-terrestrial network，NTN）手機直連3種技術(shù)路線。

1.1

定制手機直連路線

定制手機直連衛(wèi)星一般由衛(wèi)星運營商、手機廠商、芯片廠商、衛(wèi)星地面段等共同合作研發(fā)，共享國際公認的低于3 GHz的L段或S段衛(wèi)星移動通信頻譜，定制雙模手機實現(xiàn)手機直連衛(wèi)星服務(wù)。例如：華為Mate50（4G+北斗短消息）、Mate60 Pro（5G+天通語音+短信），蘋果iPhone 14（5G+Globalstar短消息）等系列終端均基于該路線，提供語音、短信和短報文服務(wù)，我國的研究進展暫時領(lǐng)先業(yè)界。

定制手機直連路線方案中，終端側(cè)必須支持衛(wèi)星移動通信技術(shù)體制，因此需要在普通智能終端的硬件中額外加載所需定制的模塊，同時解決天線適配、系統(tǒng)小型化等問題，以便支持通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入的語音、短信等業(yè)務(wù)[6]。另外，支持衛(wèi)星專用體制的定制終端在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面移動網(wǎng)絡(luò)兩種模式間的對接和轉(zhuǎn)換也是需要解決的問題。

1.2

存量手機直連路線

存量手機的直連衛(wèi)星技術(shù)目前由國外新興低軌衛(wèi)星公司主導(dǎo)，通過與地面移動通信運營商合作，共享地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)低于3 GHz的低頻段頻譜資源，基于先進的衛(wèi)星相控陣天線技術(shù)降低手機天線收發(fā)靈敏度，以低軌衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)地面蜂窩網(wǎng)信號（或基站上衛(wèi)星），在信關(guān)站或衛(wèi)星側(cè)實現(xiàn)多普勒效應(yīng)的預(yù)消除等技術(shù)，從而支持存量手機直連衛(wèi)星。美國Space X、AST等公司在該路線上正推進相關(guān)試驗，宣稱具備發(fā)送推文、圖片和寬帶上網(wǎng)的能力，并預(yù)計2025年實現(xiàn)商用。

存量手機直連衛(wèi)星路線落地的關(guān)鍵是存量體制適配衛(wèi)星（特別是低軌衛(wèi)星星座快速變化的場景）需要依賴衛(wèi)星天饋系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)側(cè)增強來解決。衛(wèi)星平臺的設(shè)計制造水平、大規(guī)模相控陣天線的制造能力、火箭運載規(guī)模衛(wèi)星發(fā)射能力等因素都是制約存量手機路線推廣的關(guān)鍵。

1.3

5G NTN手機直連路線

5G NTN技術(shù)是3GPP國際標(biāo)準(zhǔn)組織主導(dǎo)，全球移動通信設(shè)備商、運營商、芯片商、終端廠商、衛(wèi)星運營商等共同參與制定的非地面網(wǎng)技術(shù)體制。業(yè)界認為，該技術(shù)是實現(xiàn)星地一張網(wǎng)、手機直連衛(wèi)星服務(wù)的重要路徑，具備與地面移動通信網(wǎng)產(chǎn)業(yè)打通，實現(xiàn)業(yè)務(wù)規(guī)模拓展的巨大潛力[7-8]。

由于5G NTN源自5G新空口（new radio，NR）的整體技術(shù)架構(gòu)，因此可支持實現(xiàn)星地融合的天地一體化設(shè)計，為5G NR與5G NTN聯(lián)合服務(wù)提供了基礎(chǔ)。例如，在海洋通信應(yīng)用方面，5G NR可覆蓋港口及部分近海區(qū)域，而5G NTN可在中/遠海區(qū)域或者地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋有欠缺的船基/岸基區(qū)域提供彌補服務(wù)[9]。又如，具備5G NTN能力的車聯(lián)網(wǎng)用戶可以根據(jù)用戶場景和需求選擇接入地面5G NR網(wǎng)絡(luò)或者5G NTN，并且可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況和用戶場景在地面5G NR網(wǎng)絡(luò)和5G NTN中直接切換。

5G NTN又分為窄帶IoT NTN和寬帶NR NTN。近兩年，國內(nèi)外基于IoT NTN技術(shù)的芯片（聯(lián)發(fā)科MT6825、展銳V8821）、終端模組（移遠CC950U-LS）、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（中興、中信科）等產(chǎn)業(yè)取得了一定進展，初步完成了功能性星地貫通測試。

應(yīng)用中以Skylo為代表的衛(wèi)星運營商已基于聯(lián)發(fā)科的IoT NTN芯片提供服務(wù)，使得智能手機和物聯(lián)網(wǎng)制造商能夠開發(fā)使用衛(wèi)星連接的傳感器和可穿戴設(shè)備。2023年年底，銥星基于IoT NTN推出了“星塵計劃”提供地面窄帶物聯(lián)網(wǎng)及智能手機的語音、短信服務(wù)。以EchoStar、Viasat Inmarsat為代表的衛(wèi)星公司均有意復(fù)用現(xiàn)有高軌衛(wèi)星支持IoT　NTN服務(wù)，預(yù)計2029年前基于低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的IoT NTN有望落地。面向手機直連的寬帶NR　NTN服務(wù)，預(yù)計會在2026年后逐步推進。

2

手機直連衛(wèi)星的應(yīng)用需求

手機直連衛(wèi)星主要涉及手機、車載、船載、機載等通信終端的直連衛(wèi)星通信能力，面向無地面移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的消費級用戶和行業(yè)用戶，提供語音、短信、寬帶上網(wǎng)等通信服務(wù)。由于中美移動通信網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的完善程度和人群覆蓋率的差異，手機直連衛(wèi)星通信在中美兩國的主要應(yīng)用場景、定位和業(yè)務(wù)需求存在極大的差異。當(dāng)?shù)蛙壭l(wèi)星采用小于3 GHz的低頻段時，優(yōu)化后的衛(wèi)星天線可以小型化到適宜集成進入手機，支撐低軌星座提供手機直連衛(wèi)星服務(wù)。而當(dāng)?shù)蛙壭l(wèi)星采用Ku、Ka等高頻段時，由于衛(wèi)星信 號的功率譜密度太低，必須采用較大尺寸的鍋型、板狀、相控陣天線用于終端側(cè)信號收發(fā)，比較適合行業(yè)級應(yīng)用，以行業(yè)終端直連衛(wèi)星模式為主[10-11]。

由于地面物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用場景已經(jīng)形成低成本、廣應(yīng)用的現(xiàn)狀，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)為了適配地面物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景，在成本控制方面具有較高的要求。衛(wèi)星通信相關(guān)的芯片、模組和終端，成本相比地面通信都相對較高，現(xiàn)階段天通衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模未完全打開，亟需衛(wèi)星系統(tǒng)的IoT NTN有望落地。面向手機直連的寬帶NR NTN服務(wù)，預(yù)計會在2026年后逐步推進。

2.1

中美基礎(chǔ)通信設(shè)施對比

中美光纖及通信基站的部署規(guī)模見表1，中國家庭的光纖入戶率超過93%，而美國僅25%，中國的通信基站站址數(shù)是美國的5倍、5G基站規(guī)模是美國的30倍，在地面通信基礎(chǔ)設(shè)施上，中國絕大部分用戶已實現(xiàn)全面覆蓋，而美國則相差甚遠。

2023年工業(yè)和信息化部統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在中國，城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、行政村已100%實現(xiàn)光纖入戶或移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋，因生活或日常活動區(qū)域缺乏地面通信基礎(chǔ)設(shè)施而無法接入網(wǎng)絡(luò)的用戶比例小于2%。與之相對，根據(jù)國外相關(guān)報道，美國約有2 000萬人無法接入網(wǎng)絡(luò)，接近其人口比例的10%，同時約有1/3的美國農(nóng)戶尚未通寬帶。

因此，在中國，手機直連衛(wèi)星通信主要應(yīng)發(fā)揮應(yīng)急處理突發(fā)事件的作用，定位于地面通信網(wǎng)的補充覆蓋；在歐美，手機直連衛(wèi)星通信主要面向缺乏基礎(chǔ)通信設(shè)施區(qū)域的用戶群體，發(fā)揮基礎(chǔ)通信服務(wù)承載的作用，定位于基礎(chǔ)通信網(wǎng)的重要組成部分[12]。

2.1

中美手機直連衛(wèi)星業(yè)務(wù)對比

由于應(yīng)用場景不同，中國與歐美用戶在手機直連衛(wèi)星通信上愿付出的成本、選取的業(yè)務(wù)類型、使用頻次等也存在極大差異。

在中國，使用衛(wèi)星通信或衛(wèi)星寬帶上網(wǎng)基本限于應(yīng)急救災(zāi)、大眾救援、野外施工、林野旅游、海洋作業(yè)等特殊場景，大部分通信需求或成本可接受的通信服務(wù)還是以通信接通為主，即資費較低的語音、短數(shù)據(jù)、物聯(lián)類應(yīng)用；在美國，通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)使用語音、寬帶上網(wǎng)等服務(wù)則是部分人口的通信剛需。

鑒于中美兩國民眾對手機直連衛(wèi)星業(yè)務(wù)需求類型的差異，2023年9月，中國電信發(fā)布的手機直連衛(wèi)星語音服務(wù)僅收取10元的月功能費、且能自由訂閱和退訂，通過低價策略以培養(yǎng)用戶習(xí)慣；同時，Starlink對在歐美發(fā)展的衛(wèi)星寬帶上網(wǎng)用戶（未手機直連）收取150～250美元的月功能費，該價格仍能被大量民眾接受。

由于衛(wèi)星服務(wù)設(shè)計貼合用戶需求，自2023年9月至2024年3月，中國電信新發(fā)展的手機直連衛(wèi)星語音用戶已過百萬，Starlink新增衛(wèi)星寬帶上網(wǎng)用戶已超過50萬。

2.3

手機直連衛(wèi)星與地面網(wǎng)的資費比較

2.3.1 應(yīng)急語音、短信類衛(wèi)星通信資費

應(yīng)急語音、短信類手機直連衛(wèi)星通信服務(wù)能為民眾所接受的資費價格或成本約為10～30元/月。

在國內(nèi)，2023年9月中國電信推出的手機直連衛(wèi)星產(chǎn)品，主要面向及使用集成衛(wèi)星語音、短信等能力的大眾消費類終端用戶，按當(dāng)時的產(chǎn)品資費，簽約用戶在衛(wèi)星通信服務(wù)的每用戶平均收入（average revenue per user，ARPU）增值約為10元/（月·戶）。

在國外，自2022年至2023年，美國蘋果公司通過在iPhone終端上集成Globalstar的低軌星座短報文能力，為iPhone14用戶免費提供兩年SOS應(yīng)急救援衛(wèi)星短報文通信能力。根據(jù)業(yè)界相關(guān)報道，蘋果公司為此已累計向Globalstar支付52.52億美元，iPhone14在2023年的全球銷售量為4 500萬部，換算后iPhone14提供的手機直連衛(wèi)星短報文服務(wù)的成本為30元/（月·戶）。

2.3.2 國外地面與衛(wèi)星寬帶上網(wǎng)資費

美國高低軌、地面通信網(wǎng)運營商上網(wǎng)資費一覽見表2，整理的國信證券調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，國外傳統(tǒng)高軌衛(wèi)星寬帶上網(wǎng)的資費為每月50～100美元，國外地面移動通信網(wǎng)運營商的資費為每月25～35美元，而Starlink面向消費級用戶的低軌星座寬帶上網(wǎng)資費約為每月150美元、商業(yè)/行業(yè)用戶的資費約為每月250美元。考慮美國地面5G基站的部署有限，通過地面通信網(wǎng)可獲得的上網(wǎng)速率相比Starlink無優(yōu)勢，故Starlink的資費在基礎(chǔ)設(shè)施欠缺的區(qū)域尚有一定競爭力。

2.3.3 國內(nèi)地面移動通信資費在考慮業(yè)務(wù)質(zhì)量（語音與短信主被叫隨遇接通，數(shù)據(jù)上網(wǎng)大于4 Mbit/s）相近的前提下，已被培養(yǎng)低價高質(zhì)體驗的國內(nèi)消費者在選取衛(wèi)星通信前會重點關(guān)注資費價格。2023年中財報數(shù)據(jù)顯示，中國移動、中國電信和中國聯(lián)通三大運營商移動用戶的每月平均ARPU值是52元、46元和44元，3家的單用戶平均ARPU值為50元。該費用僅為Starlink消費者套餐的6%，且國內(nèi)三大運營商的寬帶上網(wǎng)速率感知不弱于Starlink低軌星座，還提供單獨的語音服務(wù)時長。 由上述分析可知，在國內(nèi)，手機直連衛(wèi)星產(chǎn)品，由于資費價格，更適合作為一種應(yīng)急、野外、海洋等場景下的低價格增值服務(wù)，以補充地面網(wǎng)覆蓋的不足。在“寧可備而不用、不可用時無備”的思想逐漸深入人心的背景下，手機直連衛(wèi)星正快速成為手機、汽車等端側(cè)產(chǎn)品的標(biāo)配，但實際用戶愿意支付的資費價格和預(yù)計業(yè)務(wù)使用率會遠低于地面移動通信網(wǎng)的話務(wù)模式。

3

手機直連低軌衛(wèi)星的

星座建設(shè)成本及運營分析

按業(yè)務(wù)類型分，大帶寬和海量連接是兩類完全不同的能力要求，在手機直連低軌衛(wèi)星系統(tǒng)同時面向兩大業(yè)務(wù)場景提供服務(wù)時，要統(tǒng)籌考慮建設(shè)成本、承載能力和消費級的價格接受度，才能較清晰地分析未來手機直連衛(wèi)星規(guī)模化的主要應(yīng)用方向和業(yè)務(wù)類型。

3.1 手機直連低軌星座的建設(shè)成本分析

以低軌星座運營商的業(yè)界頭部企業(yè)Starlink為例。Starlink報送美國聯(lián)邦通信委員會（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）的資料顯示，其計劃建設(shè)的手機直連低軌星座系統(tǒng)共有2 016顆衛(wèi)星、軌道高度為525km，每個軌道72顆衛(wèi)星、支持星間鏈，單星支持256波束、采用波束凝視模式、預(yù)計可連續(xù)覆蓋約50萬平方千米，全部部署后可實現(xiàn)全球連續(xù)覆蓋。 低軌星座的建設(shè)成本主要包括衛(wèi)星研制、火箭發(fā)射兩部分。國信證券相關(guān)研究報告顯示，Satrlink不同版本衛(wèi)星研制及發(fā)射成本見表3，在采用最新技術(shù)以及星艦可回收重復(fù)發(fā)射20次的前提下，基于V2版本且規(guī)模量產(chǎn)后單星造價為240萬美元的條件下，Starlink要部署由2 000顆衛(wèi)星組成的手機直連低軌星座，保守估計，其總成本不低于60億美元（接近500億元）。

相關(guān)報告分析，基于星艦單次發(fā)射的燃料成本約200萬美元，火箭成本約5億美元。若火箭按可回收重復(fù)發(fā)射20次計算，則星艦單次發(fā)射成本約為3 000萬美元，按50顆手機直連低軌衛(wèi)星平攤（V2 Bus Starship-2版本），則發(fā)射單價為300美元/kg。該成本僅為目前國內(nèi)民營航天發(fā)射單價（2萬元/kg）的1/10～1/9。 若由國內(nèi)企業(yè)建設(shè)手機直連低軌星座，假設(shè)按單星成本5 000萬元估算（衛(wèi)星研制加發(fā)射），則國內(nèi)建設(shè)上述衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)計約需1 000億元

3.2 手機直連低軌星座的營收需求分析

低軌衛(wèi)星的有效運轉(zhuǎn)時間為5～7年，按7年迭代更新周期計算，基于2 000顆衛(wèi)星的建設(shè)成本，則Starlink的手機直連低軌星座每月約需6億元的營收額才能實現(xiàn)投入和產(chǎn)出平衡。如果以國內(nèi)當(dāng)前部署低軌星座的技術(shù)能力和成本估算，則國內(nèi)同等規(guī)模的低軌星座系統(tǒng)每月約需12億元的營收額才能達到投入和產(chǎn)出平衡。 考慮到近年來國際形勢日趨嚴峻、美國正對中國進行各領(lǐng)域的圍堵和斷鏈，短期內(nèi)我國手機直連低軌星座基本以國內(nèi)用戶為主。基于我國消費者使用通信服務(wù)的習(xí)慣及價格敏感性考慮，假設(shè)手機直連衛(wèi)星的單用戶ARPU值與國內(nèi)地面網(wǎng)運營商一致，即50元/月，則在國內(nèi)至少需發(fā)展2 400萬用戶才能初步達到營收平衡，且這類用戶需要享有不低于地面通信網(wǎng)的日常通信服務(wù)能力和業(yè)務(wù)感知。

3.3 手機直連低軌星座的用戶感知分析

按業(yè)界最新的低軌星座承載能力，第3.2節(jié)推算的2 400萬國內(nèi)用戶難以享有與地面移動通信網(wǎng)相同水平的服務(wù)能力和質(zhì)量。 首先，低軌衛(wèi)星在地球上空處于高速移動狀態(tài)，如在距地500km高度的地球低軌道區(qū)間，圍繞地球轉(zhuǎn)動一周大約需要94 min，按中國陸地面積占地球表面積約2%的比例測算，2 000顆低軌衛(wèi)星組成的星座在同一時間處于中國陸地上空的衛(wèi)星僅有40余顆，由此每顆中國陸地上空的衛(wèi)星平均需承載60萬用戶的日常通信需求。根據(jù)地面通信網(wǎng)的話務(wù)模型經(jīng)驗，按話務(wù)忙時50%用戶激活率的保守估計，話務(wù)忙時每顆衛(wèi)星需要承載30萬用戶的通信需求，假設(shè)每用戶在忙時僅使用20 min衛(wèi)星通信服務(wù)，則忙時單星需支持10萬用戶的并發(fā)能力。如單星上配置的手機直連低頻帶寬達2×100 MHz，綜合2024年3月Starlink基于2×10 MHz系統(tǒng)帶寬測得17 Mbit/s手機直連通信速率峰值與地面通信網(wǎng)平均1.7 bit/Hz的經(jīng)驗頻譜效率估算，如手機直連低軌衛(wèi)星具備32個波束同時工作的能力，按照波束頻段四色復(fù)用規(guī)避自干擾的設(shè)計，單用戶平均通信速率僅為13.6 kbit/s，僅為地面移動網(wǎng)第二代通信系統(tǒng)的能力，即以語音、短信業(yè)務(wù)為主。 理想情況下，假如部署的手機直連低軌星座能達到6萬顆的巨型規(guī)模，且衛(wèi)星可用低頻帶寬為2×100 MHz，當(dāng)在中國區(qū)發(fā)展2 400萬用戶時，中國區(qū)單用戶的通信速率僅為400 kbit/s，尚不足地面移動網(wǎng)第四代通信系統(tǒng)服務(wù)能力的1/5。 另外，部署上述低軌巨型星座的代價高昂。一是星座的建設(shè)投入預(yù)計高達2萬～3萬億元；二是星座需占用國內(nèi)地面三大移動通信運營商在Band3或Band1頻段的整個頻率，基于該頻段服務(wù)地面通信產(chǎn)業(yè)鏈上下游的電子產(chǎn)業(yè)、通信產(chǎn)業(yè)相關(guān)企業(yè)將受到巨大沖擊，涉及每年為國家貢獻數(shù)萬億GDP的產(chǎn)業(yè)群；三是由于衛(wèi)星部署需考慮星間安全距離等因素，低頻頻率資源用于低軌衛(wèi)星的使用效率遠不及地面移動通信基站[13]。 當(dāng)前國內(nèi)三大運營商為用戶提供的通信服務(wù)主要基于4G和5G移動通信系統(tǒng)，能為每個用戶提供4 Mbit/s以上速率的通信承載能力。由此可見，低軌星座為用戶提供日常通信服務(wù)時的規(guī)模化承載能力遠不及地面移動通信網(wǎng)，在同等資費條件下，國內(nèi)用戶基本不會選取手機直連衛(wèi)星通信作為自身的主要通信手段[14]。

3.4 面向低空經(jīng)濟的直連衛(wèi)星承載能力分析

即使面向行業(yè)用戶，也存在小規(guī)模低軌星座容量不足以承載規(guī)模化行業(yè)需求、巨型低軌星座代價太高的情況[15]。本節(jié)以低空飛行器的通信傳輸需求為例進行說明。3.4.1 低空經(jīng)濟的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域低空一般指從100 m到6 000 m之間的空域。低空飛行器類型如圖1所示，低空航空器類型一般分為載人飛行器、物流無人機、行業(yè)無人機和消費級無人機，其應(yīng)用場景包括載人交通、安全巡檢、農(nóng)林保值、地理測繪、安防監(jiān)控、快遞物流和應(yīng)急等。

低空經(jīng)濟作為新質(zhì)生產(chǎn)力的代表，成為各方看好的新賽道。低空經(jīng)濟是以各種有人駕駛和無人駕駛航空器的低空飛行活動（低空飛行產(chǎn)品/服務(wù)）為牽引，帶動相關(guān)領(lǐng)域融合發(fā)展的綜合性經(jīng)濟形態(tài)。涵蓋農(nóng)業(yè)、工業(yè)、服務(wù)業(yè)等，貫通制造、飛行、保障、服務(wù)等領(lǐng)域，具有“多領(lǐng)域、跨行業(yè)、全鏈條”的特點[16-17]。

云圖智行披露的信息顯示，2023年全國低空經(jīng)濟市場規(guī)模約為2.5萬億元。《國家立體交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃綱要》中明確，至2035年，國內(nèi)支撐經(jīng)濟發(fā)展的商用和工業(yè)級飛行器預(yù)期達到2 600萬架，無人機駕駛員需求也將增長到63萬名。3.4.2 低空經(jīng)濟的通信需求分析借助地面移動通信網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)的通信管道，低空運管服系統(tǒng)可實現(xiàn)對低空航空器的全程監(jiān)管[18]。根據(jù)調(diào)查，各類低空應(yīng)用場景的通信需求見表4。

以使用頻次最高的低空物流和未來交通為例，基于我國政府預(yù)測的2035年2 600萬的商用和工業(yè)級飛行器規(guī)模，假如其中90%用于物流、10%用于未來交通，則測算得出的上行通信速率總計約需82.68 Tbit/s、下行約需15.6 Tbit/s。 根據(jù)Starlink發(fā)布的信息，其V2版衛(wèi)星在采用Ka、Ku頻段提供寬帶上網(wǎng)服務(wù)時，單星通信速率最高預(yù)計可達170 Gbit/s，中國區(qū)至少需要約500顆低軌衛(wèi)星才能滿足2035年中國區(qū)低空飛行器群的實時通信需求，推測該低軌星座的整體規(guī)模預(yù)計達2萬顆衛(wèi)星，建設(shè)成本約需1萬億元。考慮低軌衛(wèi)星生命周期為7年，最終計算得出單架飛行器需支付的通信資費約為3 200元/月。在國內(nèi)現(xiàn)有的用戶習(xí)慣和地面網(wǎng)通信資費狀況下，低空飛行器用戶對上述通信費用基本不可接受。即使可通過海外發(fā)展部分用戶承擔(dān)星座建設(shè)成本，但代價仍然太高。3.5 面向低速海量連接的手機直連服務(wù)能力分析前面各節(jié)主要基于用戶日常通信中的語音、寬帶上網(wǎng)等綜合需求，采取“盡力而為”模式來評估手機直連低軌星座的成本、效益和用戶感知。假設(shè)將手機直連低軌衛(wèi)星的業(yè)務(wù)類型限定于語音（2.4 kbit/s）和低速數(shù)據(jù)（＜50 kbit/s）為主的應(yīng)急和非消費級的日常通信需求，則隨著話務(wù)模型的變化，直連衛(wèi)星通信服務(wù)的資費可以更低、可發(fā)展用戶規(guī)模呈數(shù)十倍增加、單用戶使用衛(wèi)星服務(wù)時的感知大幅提升。 以國內(nèi)部署2 000顆衛(wèi)星的手機直連低軌星座為例，預(yù)計投資1 000億元。面向應(yīng)急場景模式下的營收分析見表5，采用應(yīng)急通信模式時，衛(wèi)星通信以增值業(yè)務(wù)方式簽約，單用戶的ARPU值降低為5元、通信速率提升至50 kbit/s級別，語音、圖文和小視頻業(yè)務(wù)可順利承載，國內(nèi)可發(fā)展的用戶規(guī)模能擴展到3億，單月營收可增長到15億元。該模式在提升用戶感知的同時，也易于實現(xiàn)低軌星座的成本收回。面向應(yīng)急場景時，手機直連低軌星座主要提供的是語音、物聯(lián)、中低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，通過限定用戶使用次數(shù)、時長或流量，提供海量連接能力，將低軌星座資源發(fā)揮到極致。 采用類似思路，面向低空經(jīng)濟的終端直連低軌星座如果以提供海量連接、保持連接不中斷為主要目標(biāo)，拋棄對寬帶回傳的過高要求時，低軌星座的總體規(guī)模和建設(shè)成本將大幅下降，更容易形成營收平衡，潛在可發(fā)展的用戶規(guī)模也將大幅提升。假設(shè)2035年低空飛行器規(guī)模增至2 600萬臺，采取海量連接的業(yè)務(wù)模式、單用戶衛(wèi)星通信速率限定不高于100 kbit/s，衛(wèi)星通道常在線且僅傳送飛行器姿態(tài)、狀態(tài)、位置、控制指令等低速數(shù)據(jù)時，低軌星座的規(guī)模將大幅降低到800顆，單用戶資費下降到128元/（月·戶），更易被低空行業(yè)接受。面向低空的衛(wèi)星通信模式、成本和資費對比見表6。

4

結(jié)束語

本在中國，衛(wèi)星通信服務(wù)應(yīng)更多面向應(yīng)急、防災(zāi)、救援等特定場景或大眾消費者的特定時刻，作為語音、低速數(shù)據(jù)等通信保底手段的形式存在。如果期望手機直連低軌星座系統(tǒng)作為面向大眾消費者、行業(yè)普及化、日常化的通信手段，其建設(shè)成本、營收壓力和地面通信網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)都將面臨不可測的影響和巨大沖擊。

根據(jù)本文分析，建議業(yè)界后續(xù)聚焦廣覆蓋下的應(yīng)急處突、海量連接、中低速數(shù)據(jù)速率等衛(wèi)星通信主要業(yè)務(wù)類型和應(yīng)用場景，對手機直連低軌星座的技術(shù)體制進行相應(yīng)優(yōu)化和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，基于天地一體化，共同推進我國低軌星座系統(tǒng)的健康發(fā)展和技術(shù)演進。

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