基于隱含能分析法的星鏈DTC能耗分析

中國電信衛星研究院在《China Communications》期刊發表論文：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，系統評估了低軌衛星星座提供直連手機業務（DTC）時的單位通信能耗，并與不同場景下的地面基站網絡進行了定量對比。研究表明，盡管衛星依靠太陽能運行，其綜合能耗仍顯著高于地面網絡。由此，論文提出一個供業界思考的觀點：低軌直連星座最終應為地面網絡補充而非替代，天地融合可能才是能源效率最優的發展方向。

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.天通衛星科技（深圳）有限公司，深圳 518101；

2.中國電信股份有限公司衛星通信分公司，北京 100089；

3.北京理工大學，北京 100081

內容簡介

根據SpaceX官方披露及行業分析，截至2025年7月，一代“星鏈直連手機”星座已具備660顆搭載4G LTE基站模塊的衛星，完成第一代部署，其可讓普通手機無需改裝，通過衛星在偏遠地區通信。有觀點認為這類低軌衛星通信系統會成為地面網絡有力競爭者，尤其Starlink推出低價套餐后，相關討論升溫。

與其他研究不同，我們發表在《China Communications》的文章“Energy Consumption Ratio Analysis of LEO Constellation Systems Providing Direct Mobile Connectivity Based on Embodied Energy Analysis Method”從能耗視角分析發現，雖衛星靠太陽能供電，但借助隱含能工具分析顯示，當前衛星通信單位能耗遠高于地面基站，是偏遠地區地面基站群的18.2-32.9倍、人員密集地區的384-715倍。故初步結論為：衛星通信有全球無縫覆蓋潛力，但單獨建設不與地面網絡融合會造成巨大能源浪費。

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SpaceX官方披露及行業分析，截至2025年7月，一代“星鏈直連手機”（DTC）星座已包含660顆衛星，完成第一代部署。近來部分海內外學者在其研究報告中提出，該星座支持普通智能手機在無需硬件改裝或特殊應用的情況下，通過衛星網絡在全球偏遠地區收發短信、撥打通話及傳輸數據。其技術原理是在近地軌道衛星上搭載4G LTE基站模塊（eNodeB），使衛星成為“太空中的基站”。此外，美國聯合加拿大、澳大利亞等13個西方國家發布的《6G研發共同原則聲明》（Joint Statement Endorsing Principles for 6G: Secure, Open, and Resilient by Design）中提出，6G將利用以衛星為代表的非地面網絡。此后，大量自媒體認為以手機直連衛星為主要應用場景的低軌衛星通信系統將成為地面網絡的有力競爭者，上萬顆具備LTE信號調制解調能力、可實現存量手機直連能力的低軌衛星，最終將取代以光纖、蜂窩基站為代表的地面網絡。有眾多商業機構和研究團體對該星座商業模式、服務能力進行分析，尤其是Starlink發布了20美元每月的套餐后，探討其能否在當前乃至6G時代對地面移動通信網絡發起挑戰成為了衛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星座為代表的衛星移動通信是否優于地面網絡。衛星入軌后，能源來源于太陽翼捕獲的太陽能，這也是眾多研究者認為偏遠地區“衛星進、基站退”可能更契合綠色通信理念的核心依據。但我們借助隱含能這一分析工具對兩種通信系統分析后發現，衛星通信的單位能耗遠大于地面基站。建模與分析結果表明，當前Starlink DTC系統的能耗比是偏遠地區地面基站群的18.2-32.9倍，是人員密集地區基站群的384-715倍，因此可以得出初步結論：衛星通信系統具備全球無縫覆蓋的通信潛力，但單獨建設衛星通信系統而不與地面網絡融合則會造成能源的巨大浪費。

PART 02

建模分析

在未來6G網絡中，移動手機主要有三種方式進入運營商網絡，如圖1所示（A）表示與4G、5G相同，移動手機通過地面基站接入運營商網絡，目前我公司運營的“天通一號”手機直連大眾消費級業務就采用圖1（B）中的架構，本文分析的Starlink DTC就采用圖1（C）的架構，衛星上攜帶了LTE的調制解調器，衛星就像天空中的基站[1]。從圖 1 可見，三種架構的核心差異在于接入網設備及覆蓋面積；而移動手機收發的信息，均需在終端與運營商網絡之間傳輸。因此，分析兩類通信系統的能耗差異，只需對比：為相同面積區域提供通信服務時，地面基站與具備基站功能的衛星的能耗比。

圖1 三種手機接入運營商網絡方式的架構圖

衛星通信系統與地面網絡存在較大差異，地面基站在整個生命周期的能耗可分為制造能耗、運行能耗和維護能耗[2]；通信衛星搭載太陽能光伏板，進入太空后無需太陽能之外的其他能源輸入，但其發射前不僅僅需要消耗能量用來制造衛星，同樣需要大量能量制造發射衛星所需要的運載火箭，并且火箭消耗的燃料也產生大量的能耗。衛星、火箭等復雜設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行計算也較為困難，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，隱含能能夠體現包含在產品和服務生產全流程中直接能源和間接能源消耗的總和，其更能為經濟社會能源相關問題提供更全面的視角，有助于在生態和經濟系統中提供一個共同點的實證參考[3-5]，眾多學者用隱含能來做能源分析，將其應用在能源消耗評估上，并以此提出如相關對策建議[7-12]。其中在通信領域中Minho Jo與Min Chen在2011年就提出在分析通信系統能耗時需考慮基站等通訊設施在建設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營所消耗的直接能源結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絡能效模型[2，13]，我們總結了其能耗分布圖如圖2（A）所示，本文也根據衛星通信系統建設的實際情況建立了Starlink DTC的隱含能能耗分布圖如圖2（B）所示。

圖2 地面基站與衛星通信系統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，兩種典型場下終端的分布以及基站工作情況

PART 03

計算與分析

1. 發射單顆衛星所需燃料的隱含能

根據勞倫斯伯克利國家實驗室的研究報告[14]及ecoinvent數據庫提供的數據，當前承擔Starlink V2 Mini F9-3（后文簡稱V2 Mini）發射任務的‘獵鷹 - 9 Block 5’運載火箭，所用燃料為RP-1煤油 + 液氧；未來將承擔Starlink V2 Bus Starship-2（后文簡稱 V2）發射任務的‘星艦’，所用燃料為液態甲烷 + 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）、液態甲烷68.9 MJ/kg、液氧8.8 MJ/kg。根據國際知名網站spaceflight101公布的數據，“獵鷹-9 FT Block 5”運載火箭RP-1煤油與液氧的質量分別為155.870噸與362.630噸[15]；“星艦”（包含一級推進器“Super Heavy”）的推進劑總重為4600噸 [16-17]。根據馬斯克的訪談內容，其液氧與液態甲烷的質量比約為3.6:1[18]，以公開的數據可估算兩種運載火箭單次發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 單次發射所需要燃料的隱含能

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

2. 制造單顆衛星以及制造運載火箭所消耗的隱含能

根據ecoinvent數據庫所提供的數據可知成品鋼、鋁、特種金屬、電子器件、太陽能光伏板以及推進劑（甲基肼/四氧化二氮）的隱含能分別為25、190、175、5000、2200、10MJ/kg，結合文獻[14] 對Starlink和兩種運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

目前發射V2 Mini所使用的獵鷹-9 Block 5的第一級最多可重復使用19次且表明已計劃第20次發射[21]，那么按照此火箭每次發射18顆衛星、第一級重復使用20次、第二級不可重復使用計算，發射單顆V2 mini衛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”第二級也可重復使用，參考文獻[14,22]中認為星艦的第一級Super Heavy可重復使用1000次，二級可重復使用12次，按照“星艦”分別可一次發射75顆V2計算，每顆V2衛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搭載的猛禽發動機使用液態甲烷而非RP-1煤油作為推進劑，可防止發動機內沉積物結焦[22,23]，但Super Heavy并聯了更多發動機，能否實現1000次重復使用的愿景仍未可知。

3. 能耗比計算及分析討論

目前還未有相關文獻分析過V2 Mini的覆蓋范圍，但文獻[24]分析了Starlink早期型號的衛星，其覆蓋半徑為15英里，按六邊形蜂窩計算其覆蓋面積約等于379Km2，根據地面運營商估計，部署于城市的LTE基站覆蓋半徑為1.5km可知等式（2、4）中 我們以此計算在根據文獻[2]中所提供的數據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，維護基站消耗的隱含能為10GJ，總隱含能為85GJ。其詳細情況表4所示。

表4 制造基站所消耗的隱含能

按照基站滿負荷運行功率為1300W、閑時運行功率為300W，最大通信速率為1000Mbps計算，單個基站的能耗比為1.569J/Mb。如果在379平方千米內256個基站均服務多個用戶滿負荷工作，那么這個區域內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。但當這個區域在人煙稀少的邊緣地區，如圖3（B）中情況，256個基站中僅有1個基站工作，那么根據等式（3,4）計算可得基站整體能耗比為146.801J/Mb。但目前國內運營商給出了LTE廣域覆蓋方案[25]，根據實測數據在使用2發送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

，下行速率達到46Mbps，那么根據基數按得到其基站整體能耗比為32.99J/Mb，根據實際情況，在如新疆沙漠等人員稀少地區，運營商建設網絡往往選取廣域覆蓋方案，因此本文選取能耗比為32.99J/Mb作為人煙稀少地區的典型能耗比進行討論。

表5 V2 Mini direct to cell衛星的能耗比估計

結合參考文獻[14]中估算Starlink系統地面站的能耗比為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，根據前兩章分析的結果與等式（5-7）可以計算出目前V2 Mini手機直連提供每Mb的能量為1122.4J（17Mbps單用戶）或604.5J（單波束4M,8波束可用）。因此可知當前衛星互聯網在接入網測的能耗比是地面網絡的32.9-715倍以上。使用星艦發射的V2衛星目前還沒有被發射，其通信能力未知，因此暫不對其能耗比進行分析與計算。

目前在用戶稀少的偏遠地區如圖3中的場景，對于如城市等人員密集地區，如圖3（A）的場景下基站均正常工作，即使給與Starlink DTC計劃超過足夠多的頻率資源、按照當前3.4 bit/Hz（17Mbps單用戶）或6.4bit/Hz（單波束4M,8波束可用）的實際頻譜效率，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。

但值得關注的是，使用衛星網絡的能耗比仍要高出地面基站的能耗比，然而若SpaceX將DTC計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衛星的D2C衛星計劃，最多發射15000顆D2C專用衛星；2025年11月，Starlink進一步收購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，偏遠地區依靠衛星接入互聯網或許是更節能的通信方案。

根據愛立信《2023年愛立信移動市場報告》，全球智能手機用戶月均數據流量預計將從2023年的21GB增長至2029年的56GB。按2029年用戶日均使用智能手機12小時測算，這意味著用戶最低數據傳輸速率需求為0.043 Mbps。在379平方公里區域內，單顆星鏈DTC衛星僅能滿足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據需求，星鏈至少需要部署2.62萬顆同類衛星。因此，從能耗角度而言，Starlink DTC僅適合作為地面網絡的補充。

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的地面基站相當

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的地面基站相當

PART 04

總結

在衛星通信高速發展的1990—2000年，衛星通信系統與地面通信系統曾短暫產生競爭，“銥星”、“全球星”、“軌道通信”三大星座的設計指標達到了同時期地面蜂窩網絡的水平，并具有全球無縫覆蓋的優勢，因此吸引了廣泛關注。但在三大星座投入建設的十年間，地面蜂窩網絡逐漸從2G演進到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、通信速率等方面均處于劣勢，導致三大衛星通信公司先后經歷了破產重組。雖然三個星座最終都起死回生，但占據的無線通信市場份額遠小于地面蜂窩網絡，2015年三大星座的用戶總數才達到380萬，而同時期全球蜂窩移動用戶數量為73億。

Starlink目前除北美和西歐等經濟發達地區外也已經在如菲律賓、印度尼西亞等多島嶼國家提供了衛星固定業務，使更多的人獲得了互聯網服務。但本文分析表明，在大城市等人員密集地區，大型低軌衛星通信星座的能耗比是地面基站的384-715倍；在人煙稀少的偏遠地區，其能耗比仍比當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，試圖利用如Starlink等低軌衛星網絡完全取代地面網絡是十分不明智的，但未來SpaceX獲得更多頻譜資源且提高衛星通信能力之后，其能耗比與服務價格有望降至大眾可接受范圍，屆時可在極偏遠地區替代地面基站，與地面網絡形成互補，共同構建新型天地一體網絡。

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>End

本文轉載自“電信衛星TechView”，原標題《基于隱含能分析法的星鏈DTC能耗分析》。

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