卫星互联网和5G,哪个更便宜?我们算了一笔账

 物联网技术     |      2020-06-12     |     作者:万富电动科技有限公司
  这边刚把载人飞船送上天,那边 60 颗星链(Starlink)卫星又被送入太空。
 
  上天这件小事,已经成了马斯克的家常便饭。
 
  之所以这么着急地发卫星,可能是夸下的海口要到期了——今年 4 月马斯克曾在社交媒体称星链版卫星互联网(亦称天基互联网)将在 3 个月内私人内测,即今年 7 月。
 
  不仅美国那边马斯克忙着建卫星互联网,中国的卫星互联网建设也如火如荼——除了已经实施的虹云工程、鸿雁星座计划,今年 5 月 22 日的两会上,雷军也提案建议加快发展卫星互联网,降低民营企业进入卫星互联网的门槛,此前卫星互联网还被纳入“新基建”范畴,获得国家层面支持。
 
  除了中美,包括英国、日本在内的航天大国也在加速发射卫星。
 
  难怪 2020 要被称为卫星互联网元年。
 
  各国的卫星互联网竞争已经不可避免。但从整个通信行业的视角看,更关键的竞争并不是各星座计划之间的竞争,而是卫星互联网和地面 5G 通信之间的较量。
 
  从技术到成本,再到商业回报,卫星互联网和 5G 谁能更胜一筹?
 
  而另一个不可忽视的方面,卫星互联网与国家安全的关系越来越密切。
 
  本文「甲子光年」将从通信能力、投入成本、商业回报等方面对卫星互联网与地面 5G 进行对比分析,算经济账,并探讨卫星互联网与 5G 的关系,以及未来应用空间。
 
  1. 地上回本更快
 
  提起卫星互联网,马斯克的光芒是盖不住的。
 
  此前「甲子光年」曾在《4.2 万颗卫星背后,一场被忽视的资源竞争》一文介绍了 SpaceX 的星链计划,其将 4.2 万颗卫星送上太空并组网,实现覆盖全球且高带宽、低延时的卫星通信。
 
  截至目前,星链已经向太空发送了第八批一箭 60 星的卫星,其在轨卫星数量已达 482 颗,今年共计将发射 1400 颗卫星,马斯克由此也成为目前私人在太空拥有卫星数量最多的人。
 
卫星互联网和 5G,哪个更便宜?我们算了一笔账        
 
第八批星链卫星发射
 
  在天仪研究院创始人兼 CEO 杨峰看来,数量的领先并不是它能成功的关键,“虽然我很喜欢 SpaceX,一直在学习它,但是哪怕它现在已经发射 480 多颗星,也不意味着它最终能把这个事情干好。”
 
  这背后,是所有商业航天公司都要遵循的一个本质——实现商业闭环。
 
  实际上,高带宽、低延时的卫星互联网,很容易被认为是 5G 的竞争者,以星链为代表的卫星互联网会对 5G 网络形成威胁吗?
 
  「甲子光年」从通信能力、投入成本、商业回报等方面展,对卫星互联网与 5G 进行了
 
  比较。
 
  首先,在通信能力上,星链版卫星互联网难撼动 5G 这棵大树。
 
  理论上,5G 的峰值下载速度可达 20Gbps,实际使用中下载速度为数百M级,网络延迟低于 10 毫秒。
 
  而按照 2015 年马斯克宣布推出星链计划时提出的说法,星链目标是向全球任何地区的用户提供至少 1Gbps 带宽的互联网服务。
 
  换句话说,按马斯克的说法,在实际运行中,星链的通信能力不会低于 5G。
 
  不过仔细比较,便发现其中差异。
 
  按照国际电信联盟(ITU)发布的 5G 标准草案,单个 5G 宏基站(通信基站分为宏基站和微基站,以下均指宏基站)至少要具备 20Gbps 下行链路的处理能力。而根据星链的资料,其第一期卫星的单星通信容量约为 17~23Gbps,整个星座的数据吞吐量为 100Tbps(1T=1024G)左右。
 
  这意味着,单颗星链里的卫星的通信容量跟一个地面基站相当。
 
  这一判断,跟中国信科副总经理陈山枝的观点几乎相同。按照他的测算,目前星链低轨卫星平均频谱效率约为 2.5bit/s/Hz(频谱效率是指有用信息速率,通常被用于分析数字调制方式的效率),也就是 3G 水平;而目前 5G 的平均频谱效率在 10bit/s/Hz 以上,是星链的 4 倍。若星链要替代 5G,实现与 5G 相当的通信容量,至少要提供相当于 5G 基站数量的卫星。
 
  而按照中国的规划,国内 5G 基站数量未来或将超过 1000 万座。因此听上去让人震撼的 4.2 万颗卫星,其实无法匹敌 5G 的通信能力。
 
  信息消费联盟理事长项立刚告诉「甲子光年」:“星链不可能达到 5G 的速率。”
 
  2019 年 2 月,马斯克旗下 SpaceX 放出消息,要建 100 万个地面基站供星链用户使用。
 
  有业内人士算了一笔账:用 100 万个基站来分整个星座 100Tbps 的通信容量,在同时使用的情况下,平均每个基站仅能获得 0.1G 的容量。
 
  单个用户至少 1Gbps 带宽的互联网服务的说法便经不起推敲了。
 
  解释越多,质疑就越多,干脆就闭口不言。
 
  此后,SpaceX 对卫星的许多关键细节,例如波束数量、天线功率等信息都讳莫如深。
 
  然后,来算账看成本,如果都以成为未来主流的通信基础设施为目标,总体来说,星链比 5G 的成本低。
 
  星链的主要建设成本有三方面:卫星制造成本、卫星发射成本和配套的卫星基站建设成本。
 
  在卫星制造成本上,按照 SpaceX 早期公布的数据,每颗星链卫星的制造成本为 100 万美元,但到了 2019 年底,马斯克透露随着卫星制造进入规模化,其成本已低于 50 万美元。
 
  在发射成本上,2019 年 5 月 SpaceX 采用“一箭 60 星”方式将 60 颗星链卫星送入太空,这次发射的猎鹰 9 号火箭是第 4 次重复使用,总发射成本为 3592 万美元,折合每颗星的发射成本约 60 万美元。
 
  按照这个成本计算,一颗卫星制造+发射的成本约为 110 万美元,4.2 万颗卫星发完的总成本约为 462 亿美元,但是随着制造和发射的规模化发展,成本有望进一步降低。
 
  而地面 5G 网络的建设成本则包括:主干网络光纤布线成本和基站建设成本。
 
  由于星链前期将主要服务北美地区,因此与其比较的地面通信的也选择在美国。
 
  据德勤 2017 年的一项研究,美国如建设覆盖全国的 5G 网络,仅在光纤布线上,就需要需要投资 1300~1500 亿美元。
 
  这意味着,在都不计算基站建设成本的情况下,地面主干通信网络的耗资是整个星链卫星建设成本的 3 倍,乍一看好像更贵。
 
  但如果考虑到折旧,其实还是建地面主干网络更便宜。
 
  因为太空中的卫星有寿命限制,按 SpaceX 披露的信息,一颗星链卫星的寿命约为 5 年,实际上,2018 年开始至今发射的 482 颗卫星中,有 6 颗卫星在进入轨道后出现问题,不能正常运转;此外还有 3 颗卫星正在积极脱离轨道,换句话说就是走向自毁。
 
  因此长期来看,当星链开始运转后,每过 5 年就要重新发射一批卫星去补位;而光纤的寿命则是 20 年左右,是星链卫星的 4 倍。高出的 3 倍建设成本换 4 倍的寿命,光纤通信仍有优势。
 
  比较完主干通信网络,再看两种方案中都会涉及的基站建设成本。
 
  信息消费联盟理事长项立刚告诉「甲子光年」,这两种基站的建设成本相差不多。
 
  因为星链基站同样需要实现信号穿透,与 5G 基站的设备会有重合,且星链基站要接收来自太空的信号,还需要配备大天线,因此建设成至少不会低于 5G 基站。
 
  在建设成本相当的情况下,那就要看两种方案对应的基站数量了。
 
  按 SpaceX 的设想,星链需要配套在地面建设 100 万个基站;而地面 5G 网络如果要实现美国全国覆盖,需要建设 900 多万座基站(按一个基站最大覆盖 1 平方公里,美国陆地面积约 916 万平方公里),是星链的 9 倍。
 
  早期由于建设规模小,一座 5G 基站的建设成本近 9 万美元(合人民币 60 万元);建设数量增加成本摊薄后,一座 5G 基站的建设成本约为3~4 万美元(21~28 万人民币)。如果按照平均建设成本为 5 万美元计算,建设覆盖全美的 5G 网络需要花 4500 亿美元;而星链项目的基站建设成本则是 500 亿美元左右。因此地面 5G 基站的建设成本是卫星互联网基站成本的 9 倍。
 
  实际上,除了建设成本,两种方案都要考虑运营成本。
 
  因为此前已算过卫星的折旧,两个方案可比较的运营成本主要在于基站的折旧和电费。
 
  由于 5G 的流量远远大于 4G,5G 设备功耗相比 4G 大幅增长。根据测算,5G 单站满载功率接近 3.7KW,是 4G 基站的近 3 倍。以 0.55 元/度的国内平均电价算,单站一年电费约 1.8 万元(合 2570 美元)。
 
  那么,900 万座基站一年的总电费约为 230 多亿美元。这是一笔不可忽略的费用。
 
  卫星互联网方案中,由于基站总数更小,所以折旧和电费成本也更低。

  综上,卫星互联网的总体建设和运营成本更低。
 
  然而,在商业回报上,地面通信网络的回本会更快。
 
  商业回报主要看使用价格和用户数量。
 
  先看卫星互联网。美国早期卫星通信项目铱星的使用成本高达3~8 美元/分钟,月使用费用高达数百美元,直至被收购时其用户数也不过 2 万。
 
  而星链方面,按照马斯克的想法,星链未来向3% 的美国偏远地区用户提供服务,预计资费为 80 美元/月;这大大低于前辈铱星的价格,但略高于美国现有 5G 的 70 美元/月的价格。
 
  如果星链还想做全球市场的话,还会面临更严重的价格竞争。以中国为例,目前运营商的 5G 套餐可以低到每月不足百元(约 15 美元)。
 
  按以上的价格标准,3% 的美国用户约为 1000 万人,每人每月 80 美元的资费,意味着其一年卫星互联网的收入为 96 亿美元。
 
  如果按 SpaceX 为星链计划共投入 960 亿美元(460 亿卫星成本,500 亿基站成本)计算,10 年左右能回本。
 
  再看地面,虽然找每个用户收的费用少,建设成本也更高,但它有一个优势——非常庞大的用户基数。
 
  以美国为例,如果 5G 实现全国覆盖,其用户数将达到 3 亿左右,按照每人每月 70 美元的资费,理论上其每年收入可达 2500 多亿美元,而其投入是 6000 多亿美元,意味着回本只需要 3 年。    
 
  在星链和 5G 均尚未大规模投入使用前,这种比较更像一种仁者见仁、智者见智的争辩。
 
  当然,这只是一种粗略计算,实际中还存在各种变数,比如费用支出增加、用户增长需长时间积累。
 
  比如在 4G 方面,中国三大运营商自 2013 年至今已投入 8000 多亿元,但纯 4G 收入仍未完全覆盖成本。
 
  2. 不是替代这么简单
 
  一顿计算下来,似乎让人觉得卫星互联网并没有优势了。精明的马斯克会做亏本买卖么?
 
  当然不。实际上,卫星互联网和 5G,并不是简单的替代关系。
 
  按照马斯克的设想,星链不是抢 5G 的生意,相反,星链可以更好地为那些 5G 基站覆盖不到的偏远地区提供通信服务。
 
  马斯克的判断是有根据的。即使国内的互联网大潮已经红红火火发展了 20 多年,但至今全球仍有超过 70% 的地理空间、涉及 30 亿人口未能实现互联网覆盖,传统地面通信骨干网在海洋、沙漠及山区偏远地区等苛刻环境下铺设难度大且运营成本高,通过部署传统通信骨干网络在互联网渗透率低的区域进行延伸普及已存在现实障碍。
 
  在电信运营商已经将地面通信的生意深扎根后,偏远地区无疑是另一块颇具诱惑的蛋糕。用互联网圈的说法,这是通信领域的“下沉市场”。
 
  然而另一个问题又来了,偏远地区的联网困难户通常是经济消费能力低,他们有能力承受 80 多美元/月的网费吗?在九天微星副总裁李源看来,这个问题并不是拍脑袋决定的,“这里面算的是投入产出比的问题。”
 
  他称,曾有报告显示,全球超过半数国家的居民月上网费在 80 美元以上,尤其在非洲一些国家,这种情况很普遍,因为信息密度低,地面网络铺设费用高昂,相比之下卫星互联网投入低、覆盖广,可以满足这些人口稀疏地区的通信需求,“在那里,只有真正有钱的人才能用得起网络。”
 
  此外,对于野外探险者、海上游客和海洋作业者而言,只能依靠卫星互联网来通信,这部分用户对通信价格相对也不敏感。
 
  从目前星链计划中地面基站的选址上看,其正是遵循了这一点:1 号关口站位于美国华盛顿州北本德镇,人口不足 6000 人;2 号关口站在美国边境的蒙大拿州康拉德小镇上,人口仅有 2570 余人;3 号关口站则位于人口更稀疏的美国威斯康星州美林村,该村人口只有 542 人。当然也有个别站点处于人口达数万的地区,如位于加利福尼亚州霍桑的 6 号关口站,这里正是 SpaceX 的总部所在地。      
 
星链 2 号关口站位于一个空旷的农田旁
 
  这意味着,5G 和卫星互联网有着各自的分工:5G 适合为城市等人口密集区提供通信服务,卫星互联网适合为偏远的野外、海上等人口稀疏区提供通信服务。
 
  所以,卫星互联和 5G 的硬刚可能只会出现在报道标题中。
 
  卫星互联网与地面的 5G 通信可能有更好的结合:卫星互联网可以做全球地面通信的骨干网,取代昂贵且极难建设的海底光缆等通信基础设施;此外,其低延时的优势,还能应用于金融领域,为时间敏感用户提供全球长距离数据传输。
 
  5G 的真正的“替代者”可能是 6G。
 
  信息消费联盟理事长项立刚认为,星链替代不了 5G,但也不能轻视它,因为它很可能是未来 6G 的一部分。天地一体化是 6G 的一个重要方向。
 
  随着 5G 的广泛应用及人工电动的发展,各种民用飞机、无人机和航天器将在天空运行和驻留,而今天以地面为主的通信网络无法为这些设备提供可靠的通信。卫星互联网则可以较方便地为这些飞行设备提供通信网络。
 
  突然不怕卫星互联网抢 5G 的生意了,还有点期待它早点到来——以后坐飞机、去野游不怕手机没信号了。
 
  3. 不只是生意
 
  即使这样,还不免让人疑问:卫星互联网这些收入怎么看都不稳定,要是碰上旅游淡季游客不出门,或者用户拓展缓慢,岂不就没收入了?
 
  SpaceX 发展卫星互联网的另一个逻辑,确实很值得中国航天业关注——盯着军用市场的蛋糕。
 
  长期看,在“天地一体化”网络的大趋势下,卫星互联网商用价值会越来越大,但短期内的生存压力意味着它需要找到合适的买单方。
 
  还没内测的星链现在已经拿下了第一个大客户——美国军方。
 
  就在今年 5 月 20 日,外媒 Spacenews 报道称,美国陆军与 SpaceX 在签署了一项协议——美国陆军在 3 年内对“星链”进行测试,以评估其是否符合美军的数据传输需求。 
 
马斯克在与美国军方谈判
 
  现在的问题是,“星链”在与美军通讯系统对接时,在硬件和软件之间缺乏灵活性和兼容性。此次达成的协议将评估数据从“星链”卫星传输到地面站的成本以及数据的安全性。
 
  该协议被称为“合作研发协议”,这种协议通常被美国军方用在对私营企业技术正式购买之前的测试中。
 
  不仅如此,早在 2019 年 12 月,美国空军就对星链产生了兴趣,并向 SpaceX 拨付了 2800 万美元的研究经费。这些钱只是“见面礼”,用来基于星链进行军用通信的测试。一旦测试效果良好,美军还会继续采购 SpaceX 的服务、签更大的合同。
 
  商人马斯克,不仅拿下美国宇航局,还成了军方的座上宾。
 
  为什么军方对星链如此感兴趣?
 
  军事专家尹卓道出其中缘由:如果在战场上,星链可以对目标进行长时间的观察,并通过实时通讯将高精度画面直接传输给指挥所,指挥所分发到各个作战单位,对作战的帮助是巨大的。
 
  此外,如果用星链的卫星对导弹进行实时控制,可以精确打击目标。这样导弹设备将完全依赖星链卫星,导弹造价也会大大降低。
 
  简单来说,星链广覆盖、低延时的通信能力,对未来作战形态带来重大影响。
 
  说得更直接一点,卫星互联网是国家安全实力的一部分。
 
  中国在 2018 年也开始了自己的“星链“工程:“虹云工程”和“鸿雁星座”计划。
 
  “虹云工程”由中国航天科工集团第二研究院承担,规划建设由 156 颗卫星组成的星座,在距离地面 1000 公里的轨道上组网运行,构建一个卫星宽带全球移动互联网络,建成后将实现全球无死角的互联网接入服务。
 
  “鸿雁星座”计划由中国航天科技集团主导,是由 300 颗低轨道小卫星组成的具有全天候、全时段且能在复杂条件下实时双向通信能力的全球系统,能实现对海域航行船舶的监控和管理、对全球航空目标进行跟踪和调控,以保证飞行安全,还能增强北斗导航卫星系统,提高北斗导航卫星定位精度。
 
  两个低轨卫星星座计划背后的力量均是国企,其作用不只是提供移动互联网服务,还有对航空目标的跟踪调控、提高导航精度。
 
  看上去在民用生活领域没有优势的卫星互联网,在国家安全领域却有着举足轻重的作用。
 
  卫星互联网、地面互联网,两手都要投入,这关乎商业,又不仅是商业。