衛星互聯網和5G,哪個更便宜?我們算了一筆賬

?物聯網技術 ????|???? ?2020-06-12 ????|???? 作者:萬博智能科技有限公司
  這邊剛把載人飛船送上天,那邊 60 顆星鏈(Starlink)衛星又被送入太空。
 
  上天這件小事,已經成了馬斯克的家常便飯。
 
  之所以這么著急地發衛星,可能是夸下的??谝狡诹?mdash;—今年 4 月馬斯克曾在社交媒體稱星鏈版衛星互聯網(亦稱天基互聯網)將在 3 個月內私人內測,即今年 7 月。
 
  不僅美國那邊馬斯克忙著建衛星互聯網,中國的衛星互聯網建設也如火如荼——除了已經實施的虹云工程、鴻雁星座計劃,今年 5 月 22 日的兩會上,雷軍也提案建議加快發展衛星互聯網,降低民營企業進入衛星互聯網的門檻,此前衛星互聯網還被納入“新基建”范疇,獲得國家層面支持。
 
  除了中美,包括英國、日本在內的航天大國也在加速發射衛星。
 
  難怪 2020 要被稱為衛星互聯網元年。
 
  各國的衛星互聯網競爭已經不可避免。但從整個通信行業的視角看,更關鍵的競爭并不是各星座計劃之間的競爭,而是衛星互聯網和地面 5G 通信之間的較量。
 
  從技術到成本,再到商業回報,衛星互聯網和 5G 誰能更勝一籌?
 
  而另一個不可忽視的方面,衛星互聯網與國家安全的關系越來越密切。
 
  本文「甲子光年」將從通信能力、投入成本、商業回報等方面對衛星互聯網與地面 5G 進行對比分析,算經濟賬,并探討衛星互聯網與 5G 的關系,以及未來應用空間。
 
  1. 地上回本更快
 
  提起衛星互聯網,馬斯克的光芒是蓋不住的。
 
  此前「甲子光年」曾在《4.2 萬顆衛星背后,一場被忽視的資源競爭》一文介紹了 SpaceX 的星鏈計劃,其將 4.2 萬顆衛星送上太空并組網,實現覆蓋全球且高帶寬、低延時的衛星通信。
 
  截至目前,星鏈已經向太空發送了第八批一箭 60 星的衛星,其在軌衛星數量已達 482 顆,今年共計將發射 1400 顆衛星,馬斯克由此也成為目前私人在太空擁有衛星數量最多的人。
 
衛星互聯網和 5G,哪個更便宜?我們算了一筆賬        
 
第八批星鏈衛星發射
 
  在天儀研究院創始人兼 CEO 楊峰看來,數量的領先并不是它能成功的關鍵,“雖然我很喜歡 SpaceX,一直在學習它,但是哪怕它現在已經發射 480 多顆星,也不意味著它最終能把這個事情干好。”
 
  這背后,是所有商業航天公司都要遵循的一個本質——實現商業閉環。
 
  實際上,高帶寬、低延時的衛星互聯網,很容易被認為是 5G 的競爭者,以星鏈為代表的衛星互聯網會對 5G 網絡形成威脅嗎?
 
  「甲子光年」從通信能力、投入成本、商業回報等方面展,對衛星互聯網與 5G 進行了
 
  比較。
 
  首先,在通信能力上,星鏈版衛星互聯網難撼動 5G 這棵大樹。
 
  理論上,5G 的峰值下載速度可達 20Gbps,實際使用中下載速度為數百M級,網絡延遲低于 10 毫秒。
 
  而按照 2015 年馬斯克宣布推出星鏈計劃時提出的說法,星鏈目標是向全球任何地區的用戶提供至少 1Gbps 帶寬的互聯網服務。
 
  換句話說,按馬斯克的說法,在實際運行中,星鏈的通信能力不會低于 5G。
 
  不過仔細比較,便發現其中差異。
 
  按照國際電信聯盟(ITU)發布的 5G 標準草案,單個 5G 宏基站(通信基站分為宏基站和微基站,以下均指宏基站)至少要具備 20Gbps 下行鏈路的處理能力。而根據星鏈的資料,其第一期衛星的單星通信容量約為 17~23Gbps,整個星座的數據吞吐量為 100Tbps(1T=1024G)左右。
 
  這意味著,單顆星鏈里的衛星的通信容量跟一個地面基站相當。
 
  這一判斷,跟中國信科副總經理陳山枝的觀點幾乎相同。按照他的測算,目前星鏈低軌衛星平均頻譜效率約為 2.5bit/s/Hz(頻譜效率是指有用信息速率,通常被用于分析數字調制方式的效率),也就是 3G 水平;而目前 5G 的平均頻譜效率在 10bit/s/Hz 以上,是星鏈的 4 倍。若星鏈要替代 5G,實現與 5G 相當的通信容量,至少要提供相當于 5G 基站數量的衛星。
 
  而按照中國的規劃,國內 5G 基站數量未來或將超過 1000 萬座。因此聽上去讓人震撼的 4.2 萬顆衛星,其實無法匹敵 5G 的通信能力。
 
  信息消費聯盟理事長項立剛告訴「甲子光年」:“星鏈不可能達到 5G 的速率。”
 
  2019 年 2 月,馬斯克旗下 SpaceX 放出消息,要建 100 萬個地面基站供星鏈用戶使用。
 
  有業內人士算了一筆賬:用 100 萬個基站來分整個星座 100Tbps 的通信容量,在同時使用的情況下,平均每個基站僅能獲得 0.1G 的容量。
 
  單個用戶至少 1Gbps 帶寬的互聯網服務的說法便經不起推敲了。
 
  解釋越多,質疑就越多,干脆就閉口不言。
 
  此后,SpaceX 對衛星的許多關鍵細節,例如波束數量、天線功率等信息都諱莫如深。
 
  然后,來算賬看成本,如果都以成為未來主流的通信基礎設施為目標,總體來說,星鏈比 5G 的成本低。
 
  星鏈的主要建設成本有三方面:衛星制造成本、衛星發射成本和配套的衛星基站建設成本。
 
  在衛星制造成本上,按照 SpaceX 早期公布的數據,每顆星鏈衛星的制造成本為 100 萬美元,但到了 2019 年底,馬斯克透露隨著衛星制造進入規?;?,其成本已低于 50 萬美元。
 
  在發射成本上,2019 年 5 月 SpaceX 采用“一箭 60 星”方式將 60 顆星鏈衛星送入太空,這次發射的獵鷹 9 號火箭是第 4 次重復使用,總發射成本為 3592 萬美元,折合每顆星的發射成本約 60 萬美元。
 
  按照這個成本計算,一顆衛星制造+發射的成本約為 110 萬美元,4.2 萬顆衛星發完的總成本約為 462 億美元,但是隨著制造和發射的規?;l展,成本有望進一步降低。
 
  而地面 5G 網絡的建設成本則包括:主干網絡光纖布線成本和基站建設成本。
 
  由于星鏈前期將主要服務北美地區,因此與其比較的地面通信的也選擇在美國。
 
  據德勤 2017 年的一項研究,美國如建設覆蓋全國的 5G 網絡,僅在光纖布線上,就需要需要投資 1300~1500 億美元。
 
  這意味著,在都不計算基站建設成本的情況下,地面主干通信網絡的耗資是整個星鏈衛星建設成本的 3 倍,乍一看好像更貴。
 
  但如果考慮到折舊,其實還是建地面主干網絡更便宜。
 
  因為太空中的衛星有壽命限制,按 SpaceX 披露的信息,一顆星鏈衛星的壽命約為 5 年,實際上,2018 年開始至今發射的 482 顆衛星中,有 6 顆衛星在進入軌道后出現問題,不能正常運轉;此外還有 3 顆衛星正在積極脫離軌道,換句話說就是走向自毀。
 
  因此長期來看,當星鏈開始運轉后,每過 5 年就要重新發射一批衛星去補位;而光纖的壽命則是 20 年左右,是星鏈衛星的 4 倍。高出的 3 倍建設成本換 4 倍的壽命,光纖通信仍有優勢。
 
  比較完主干通信網絡,再看兩種方案中都會涉及的基站建設成本。
 
  信息消費聯盟理事長項立剛告訴「甲子光年」,這兩種基站的建設成本相差不多。
 
  因為星鏈基站同樣需要實現信號穿透,與 5G 基站的設備會有重合,且星鏈基站要接收來自太空的信號,還需要配備大天線,因此建設成至少不會低于 5G 基站。
 
  在建設成本相當的情況下,那就要看兩種方案對應的基站數量了。
 
  按 SpaceX 的設想,星鏈需要配套在地面建設 100 萬個基站;而地面 5G 網絡如果要實現美國全國覆蓋,需要建設 900 多萬座基站(按一個基站最大覆蓋 1 平方公里,美國陸地面積約 916 萬平方公里),是星鏈的 9 倍。
 
  早期由于建設規模小,一座 5G 基站的建設成本近 9 萬美元(合人民幣 60 萬元);建設數量增加成本攤薄后,一座 5G 基站的建設成本約為3~4 萬美元(21~28 萬人民幣)。如果按照平均建設成本為 5 萬美元計算,建設覆蓋全美的 5G 網絡需要花 4500 億美元;而星鏈項目的基站建設成本則是 500 億美元左右。因此地面 5G 基站的建設成本是衛星互聯網基站成本的 9 倍。
 
  實際上,除了建設成本,兩種方案都要考慮運營成本。
 
  因為此前已算過衛星的折舊,兩個方案可比較的運營成本主要在于基站的折舊和電費。
 
  由于 5G 的流量遠遠大于 4G,5G 設備功耗相比 4G 大幅增長。根據測算,5G 單站滿載功率接近 3.7KW,是 4G 基站的近 3 倍。以 0.55 元/度的國內平均電價算,單站一年電費約 1.8 萬元(合 2570 美元)。
 
  那么,900 萬座基站一年的總電費約為 230 多億美元。這是一筆不可忽略的費用。
 
  衛星互聯網方案中,由于基站總數更小,所以折舊和電費成本也更低。

  綜上,衛星互聯網的總體建設和運營成本更低。
 
  然而,在商業回報上,地面通信網絡的回本會更快。
 
  商業回報主要看使用價格和用戶數量。
 
  先看衛星互聯網。美國早期衛星通信項目銥星的使用成本高達3~8 美元/分鐘,月使用費用高達數百美元,直至被收購時其用戶數也不過 2 萬。
 
  而星鏈方面,按照馬斯克的想法,星鏈未來向3% 的美國偏遠地區用戶提供服務,預計資費為 80 美元/月;這大大低于前輩銥星的價格,但略高于美國現有 5G 的 70 美元/月的價格。
 
  如果星鏈還想做全球市場的話,還會面臨更嚴重的價格競爭。以中國為例,目前運營商的 5G 套餐可以低到每月不足百元(約 15 美元)。
 
  按以上的價格標準,3% 的美國用戶約為 1000 萬人,每人每月 80 美元的資費,意味著其一年衛星互聯網的收入為 96 億美元。
 
  如果按 SpaceX 為星鏈計劃共投入 960 億美元(460 億衛星成本,500 億基站成本)計算,10 年左右能回本。
 
  再看地面,雖然找每個用戶收的費用少,建設成本也更高,但它有一個優勢——非常龐大的用戶基數。
 
  以美國為例,如果 5G 實現全國覆蓋,其用戶數將達到 3 億左右,按照每人每月 70 美元的資費,理論上其每年收入可達 2500 多億美元,而其投入是 6000 多億美元,意味著回本只需要 3 年。    
 
  在星鏈和 5G 均尚未大規模投入使用前,這種比較更像一種仁者見仁、智者見智的爭辯。
 
  當然,這只是一種粗略計算,實際中還存在各種變數,比如費用支出增加、用戶增長需長時間積累。
 
  比如在 4G 方面,中國三大運營商自 2013 年至今已投入 8000 多億元,但純 4G 收入仍未完全覆蓋成本。
 
  2. 不是替代這么簡單
 
  一頓計算下來,似乎讓人覺得衛星互聯網并沒有優勢了。精明的馬斯克會做虧本買賣么?
 
  當然不。實際上,衛星互聯網和 5G,并不是簡單的替代關系。
 
  按照馬斯克的設想,星鏈不是搶 5G 的生意,相反,星鏈可以更好地為那些 5G 基站覆蓋不到的偏遠地區提供通信服務。
 
  馬斯克的判斷是有根據的。即使國內的互聯網大潮已經紅紅火火發展了 20 多年,但至今全球仍有超過 70% 的地理空間、涉及 30 億人口未能實現互聯網覆蓋,傳統地面通信骨干網在海洋、沙漠及山區偏遠地區等苛刻環境下鋪設難度大且運營成本高,通過部署傳統通信骨干網絡在互聯網滲透率低的區域進行延伸普及已存在現實障礙。
 
  在電信運營商已經將地面通信的生意深扎根后,偏遠地區無疑是另一塊頗具誘惑的蛋糕。用互聯網圈的說法,這是通信領域的“下沉市場”。
 
  然而另一個問題又來了,偏遠地區的聯網困難戶通常是經濟消費能力低,他們有能力承受 80 多美元/月的網費嗎?在九天微星副總裁李源看來,這個問題并不是拍腦袋決定的,“這里面算的是投入產出比的問題。”
 
  他稱,曾有報告顯示,全球超過半數國家的居民月上網費在 80 美元以上,尤其在非洲一些國家,這種情況很普遍,因為信息密度低,地面網絡鋪設費用高昂,相比之下衛星互聯網投入低、覆蓋廣,可以滿足這些人口稀疏地區的通信需求,“在那里,只有真正有錢的人才能用得起網絡。”
 
  此外,對于野外探險者、海上游客和海洋作業者而言,只能依靠衛星互聯網來通信,這部分用戶對通信價格相對也不敏感。
 
  從目前星鏈計劃中地面基站的選址上看,其正是遵循了這一點:1 號關口站位于美國華盛頓州北本德鎮,人口不足 6000 人;2 號關口站在美國邊境的蒙大拿州康拉德小鎮上,人口僅有 2570 余人;3 號關口站則位于人口更稀疏的美國威斯康星州美林村,該村人口只有 542 人。當然也有個別站點處于人口達數萬的地區,如位于加利福尼亞州霍桑的 6 號關口站,這里正是 SpaceX 的總部所在地。      
 
星鏈 2 號關口站位于一個空曠的農田旁
 
  這意味著,5G 和衛星互聯網有著各自的分工:5G 適合為城市等人口密集區提供通信服務,衛星互聯網適合為偏遠的野外、海上等人口稀疏區提供通信服務。
 
  所以,衛星互聯和 5G 的硬剛可能只會出現在報道標題中。
 
  衛星互聯網與地面的 5G 通信可能有更好的結合:衛星互聯網可以做全球地面通信的骨干網,取代昂貴且極難建設的海底光纜等通信基礎設施;此外,其低延時的優勢,還能應用于金融領域,為時間敏感用戶提供全球長距離數據傳輸。
 
  5G 的真正的“替代者”可能是 6G。
 
  信息消費聯盟理事長項立剛認為,星鏈替代不了 5G,但也不能輕視它,因為它很可能是未來 6G 的一部分。天地一體化是 6G 的一個重要方向。
 
  隨著 5G 的廣泛應用及人工智能的發展,各種民用飛機、無人機和航天器將在天空運行和駐留,而今天以地面為主的通信網絡無法為這些設備提供可靠的通信。衛星互聯網則可以較方便地為這些飛行設備提供通信網絡。
 
  突然不怕衛星互聯網搶 5G 的生意了,還有點期待它早點到來——以后坐飛機、去野游不怕手機沒信號了。
 
  3. 不只是生意
 
  即使這樣,還不免讓人疑問:衛星互聯網這些收入怎么看都不穩定,要是碰上旅游淡季游客不出門,或者用戶拓展緩慢,豈不就沒收入了?
 
  SpaceX 發展衛星互聯網的另一個邏輯,確實很值得中國航天業關注——盯著軍用市場的蛋糕。
 
  長期看,在“天地一體化”網絡的大趨勢下,衛星互聯網商用價值會越來越大,但短期內的生存壓力意味著它需要找到合適的買單方。
 
  還沒內測的星鏈現在已經拿下了第一個大客戶——美國軍方。
 
  就在今年 5 月 20 日,外媒 Spacenews 報道稱,美國陸軍與 SpaceX 在簽署了一項協議——美國陸軍在 3 年內對“星鏈”進行測試,以評估其是否符合美軍的數據傳輸需求。 
 
馬斯克在與美國軍方談判
 
  現在的問題是,“星鏈”在與美軍通訊系統對接時,在硬件和軟件之間缺乏靈活性和兼容性。此次達成的協議將評估數據從“星鏈”衛星傳輸到地面站的成本以及數據的安全性。
 
  該協議被稱為“合作研發協議”,這種協議通常被美國軍方用在對私營企業技術正式購買之前的測試中。
 
  不僅如此,早在 2019 年 12 月,美國空軍就對星鏈產生了興趣,并向 SpaceX 撥付了 2800 萬美元的研究經費。這些錢只是“見面禮”,用來基于星鏈進行軍用通信的測試。一旦測試效果良好,美軍還會繼續采購 SpaceX 的服務、簽更大的合同。
 
  商人馬斯克,不僅拿下美國宇航局,還成了軍方的座上賓。
 
  為什么軍方對星鏈如此感興趣?
 
  軍事專家尹卓道出其中緣由:如果在戰場上,星鏈可以對目標進行長時間的觀察,并通過實時通訊將高精度畫面直接傳輸給指揮所,指揮所分發到各個作戰單位,對作戰的幫助是巨大的。
 
  此外,如果用星鏈的衛星對導彈進行實時控制,可以精確打擊目標。這樣導彈設備將完全依賴星鏈衛星,導彈造價也會大大降低。
 
  簡單來說,星鏈廣覆蓋、低延時的通信能力,對未來作戰形態帶來重大影響。
 
  說得更直接一點,衛星互聯網是國家安全實力的一部分。
 
  中國在 2018 年也開始了自己的“星鏈“工程:“虹云工程”和“鴻雁星座”計劃。
 
  “虹云工程”由中國航天科工集團第二研究院承擔,規劃建設由 156 顆衛星組成的星座,在距離地面 1000 公里的軌道上組網運行,構建一個衛星寬帶全球移動互聯網絡,建成后將實現全球無死角的互聯網接入服務。
 
  “鴻雁星座”計劃由中國航天科技集團主導,是由 300 顆低軌道小衛星組成的具有全天候、全時段且能在復雜條件下實時雙向通信能力的全球系統,能實現對海域航行船舶的監控和管理、對全球航空目標進行跟蹤和調控,以保證飛行安全,還能增強北斗導航衛星系統,提高北斗導航衛星定位精度。
 
  兩個低軌衛星星座計劃背后的力量均是國企,其作用不只是提供移動互聯網服務,還有對航空目標的跟蹤調控、提高導航精度。
 
  看上去在民用生活領域沒有優勢的衛星互聯網,在國家安全領域卻有著舉足輕重的作用。
 
  衛星互聯網、地面互聯網,兩手都要投入,這關乎商業,又不僅是商業。