中国电信卫星研究院在《China Communications》期刊发表论文：Energy Consumption Ratio Analysis of LEO Constellation Systems Providing Direct Mobile Connectivity Based on Embodied Energy Analysis Method.

论文基于隐含能（Embodied Energy）分析方法，系统评估了低轨卫星星座提供直连手机业务（DTC）时的单位通信能耗，并与不同场景下的地面基站网络进行了定量对比。研究表明，尽管卫星依靠太阳能运行，其综合能耗仍显著高于地面网络。由此，论文提出一个供业界思考的观点：低轨直连星座最终应为地面网络补充而非替代，天地融合可能才是能源效率最优的发展方向。

基于隐含能分析法的星链DTC能耗分析

李屹寰1,2，于超1,2，忻向军3

内容简介

根据SpaceX官方披露及行业分析，截至2025年7月，一代“星链直连手机”星座已具备660颗搭载4G LTE基站模块的卫星，完成第一代部署，其可让普通手机无需改装，通过卫星在偏远地区通信。有观点认为这类低轨卫星通信系统会成为地面网络有力竞争者，尤其Starlink推出低价套餐后，相关讨论升温。

与其他研究不同，我们发表在《China Communications》的文章“Energy Consumption Ratio Analysis of LEO Constellation Systems Providing Direct Mobile Connectivity Based on Embodied Energy Analysis Method”从能耗视角分析发现，虽卫星靠太阳能供电，但借助隐含能工具分析显示，当前卫星通信单位能耗远高于地面基站，是偏远地区地面基站群的18.2-32.9倍、人员密集地区的384-715倍。故初步结论为：卫星通信有全球无缝覆盖潜力，但单独建设不与地面网络融合会造成巨大能源浪费。

原文引用格式：

PART 01

引言

根据SpaceX官方披露及行业分析，截至2025年7月，一代“星链直连手机”（DTC）星座已包含660颗卫星，完成第一代部署。近来部分海内外学者在其研究报告中提出，该星座支持普通智能手机在无需硬件改装或特殊应用的情况下，通过卫星网络在全球偏远地区收发短信、拨打通话及传输数据。其技术原理是在近地轨道卫星上搭载4G LTE基站模块（eNodeB），使卫星成为“太空中的基站”。此外，美国联合加拿大、澳大利亚等13个西方国家发布的《6G研发共同原则声明》（Joint Statement Endorsing Principles for 6G: Secure, Open, and Resilient by Design）中提出，6G将利用以卫星为代表的非地面网络。此后，大量自媒体认为以手机直连卫星为主要应用场景的低轨卫星通信系统将成为地面网络的有力竞争者，上万颗具备LTE信号调制解调能力、可实现存量手机直连能力的低轨卫星，最终将取代以光纤、蜂窝基站为代表的地面网络。有众多商业机构和研究团体对该星座商业模式、服务能力进行分析，尤其是Starlink发布了20美元每月的套餐后，探讨其能否在当前乃至6G时代对地面移动通信网络发起挑战成为了卫星通信爱好者讨论的话题。

与其他研究者不同，我们想从能耗视角分析以Starlink DTC星座为代表的卫星移动通信是否优于地面网络。卫星入轨后，能源来源于太阳翼捕获的太阳能，这也是众多研究者认为偏远地区“卫星进、基站退”可能更契合绿色通信理念的核心依据。但我们借助隐含能这一分析工具对两种通信系统分析后发现，卫星通信的单位能耗远大于地面基站。建模与分析结果表明，当前Starlink DTC系统的能耗比是偏远地区地面基站群的18.2-32.9倍，是人员密集地区基站群的384-715倍，因此可以得出初步结论：卫星通信系统具备全球无缝覆盖的通信潜力，但单独建设卫星通信系统而不与地面网络融合则会造成能源的巨大浪费。

PART 02

建模分析

在未来6G网络中，移动手机主要有三种方式进入运营商网络，如图1所示（A）表示与4G、5G相同，移动手机通过地面基站接入运营商网络，目前我公司运营的“天通一号”手机直连大众消费级业务就采用图1（B）中的架构，本文分析的Starlink DTC就采用图1（C）的架构，卫星上携带了LTE的调制解调器，卫星就像天空中的基站[1]。从图 1 可见，三种架构的核心差异在于接入网设备及覆盖面积；而移动手机收发的信息，均需在终端与运营商网络之间传输。因此，分析两类通信系统的能耗差异，只需对比：为相同面积区域提供通信服务时，地面基站与具备基站功能的卫星的能耗比。

图1 三种手机接入运营商网络方式的架构图

卫星通信系统与地面网络存在较大差异，地面基站在整个生命周期的能耗可分为制造能耗、运行能耗和维护能耗[2]；通信卫星搭载太阳能光伏板，进入太空后无需太阳能之外的其他能源输入，但其发射前不仅仅需要消耗能量用来制造卫星，同样需要大量能量制造发射卫星所需要的运载火箭，并且火箭消耗的燃料也产生大量的能耗。卫星、火箭等复杂设备的制造过程涉及多种能量来源，且各来源比例未知，同时对其多种部件的直接能源消耗进行计算也较为困难，因此本文以隐含能作为模型中的能量分析对象。

相对于基于直接能源供需情况所做的分析，隐含能能够体现包含在产品和服务生产全流程中直接能源和间接能源消耗的总和，其更能为经济社会能源相关问题提供更全面的视角，有助于在生态和经济系统中提供一个共同点的实证参考[3-5]，众多学者用隐含能来做能源分析，将其应用在能源消耗评估上，并以此提出如相关对策建议[7-12]。其中在通信领域中Minho Jo与Min Chen在2011年就提出在分析通信系统能耗时需考虑基站等通讯设施在建设过程中所涉及到的隐含能，并将基站制造过程中的隐含能和基站运营所消耗的直接能源结合在一起作为基站全生命周期的总能耗提出了一种考虑隐含能的蜂窝网络能效模型[2，13]，我们总结了其能耗分布图如图2（A）所示，本文也根据卫星通信系统建设的实际情况建立了Starlink DTC的隐含能能耗分布图如图2（B）所示。

图2 地面基站与卫星通信系统全生命周期的隐含能能耗分布示意图

图3 在单个基站覆盖范围内，两种典型场下终端的分布以及基站工作情况

PART 03

计算与分析

1. 发射单颗卫星所需燃料的隐含能

根据劳伦斯伯克利国家实验室的研究报告[14]及ecoinvent数据库提供的数据，当前承担Starlink V2 Mini F9-3（后文简称V2 Mini）发射任务的‘猎鹰 - 9 Block 5’运载火箭，所用燃料为RP-1煤油 + 液氧；未来将承担Starlink V2 Bus Starship-2（后文简称 V2）发射任务的‘星舰’，所用燃料为液态甲烷 + 液氧。这三种燃料的单位隐含能分别为：RP-1煤油 54.0 兆焦耳 / 千克（MJ/kg）、液态甲烷68.9 MJ/kg、液氧8.8 MJ/kg。根据国际知名网站spaceflight101公布的数据，“猎鹰-9 FT Block 5”运载火箭RP-1煤油与液氧的质量分别为155.870吨与362.630吨[15]；“星舰”（包含一级推进器“Super Heavy”）的推进剂总重为4600吨 [16-17]。根据马斯克的访谈内容，其液氧与液态甲烷的质量比约为3.6:1[18]，以公开的数据可估算两种运载火箭单次发射所需燃料的总隐含能如表1所示.

表1 猎鹰-9 Block 5 和 星舰 单次发射所需要燃料的隐含能

根据FCC文件可知具备“手机直连”能力的V2 Mini质量为970kg，V2质量为2000kg[19]，具备17,400kg运载能力的“猎鹰-9 FT Block 5”运载火箭[20]与具备150,000kg运载能力的“星舰”[16-17]分别可一次发射18颗V2 Mini，75颗V2，那么可知以上两种具备“手机直连”能力的单颗卫星被发射到轨道上所消耗的推进剂的隐含能即等式（6）中 分别为644.889GJ和1341.067GJ。如在未来V2 Mini通过“星舰”发射，则每次可发射155颗左右，单颗卫星被发射到轨道上所消耗的推进剂的隐含能为653.117 GJ.

2. 制造单颗卫星以及制造运载火箭所消耗的隐含能

根据ecoinvent数据库所提供的数据可知成品钢、铝、特种金属、电子器件、太阳能光伏板以及推进剂（甲基肼/四氧化二氮）的隐含能分别为25、190、175、5000、2200、10MJ/kg，结合文献[14] 对Starlink和两种运载火箭各种材料使用占比的分析，制造单颗V2 Mini与V2所需的隐含能分别为2.156TJ、4.446TJ也反映了制造单颗“猎鹰-9 Block 5”与“星舰”所需的隐含能。

表2 制造单颗V2 Mini与猎鹰-9 Block 5的隐含能

表3 制造单颗V2与星舰的隐含能

目前发射V2 Mini所使用的猎鹰-9 Block 5的第一级最多可重复使用19次且表明已计划第20次发射[21]，那么按照此火箭每次发射18颗卫星、第一级重复使用20次、第二级不可重复使用计算，发射单颗V2 mini卫星所需的火箭制造的综合隐含能成本为200.897GJ。与猎鹰-9 Block 5不同的是“星舰”第二级也可重复使用，参考文献[14,22]中认为星舰的第一级Super Heavy可重复使用1000次，二级可重复使用12次，按照“星舰”分别可一次发射75颗V2计算，每颗V2卫星所需的火箭制造的综合隐含能成本为39.483GJ，燃料隐含能成本为1341.1GJ。虽然Super Heavy搭载的猛禽发动机使用液态甲烷而非RP-1煤油作为推进剂，可防止发动机内沉积物结焦[22,23]，但Super Heavy并联了更多发动机，能否实现1000次重复使用的愿景仍未可知。

3. 能耗比计算及分析讨论

目前还未有相关文献分析过V2 Mini的覆盖范围，但文献[24]分析了Starlink早期型号的卫星，其覆盖半径为15英里，按六边形蜂窝计算其覆盖面积约等于379Km2，根据地面运营商估计，部署于城市的LTE基站覆盖半径为1.5km可知等式（2、4）中 我们以此计算在根据文献[2]中所提供的数据可知一个基站在制造过程中所消耗的隐含能为75GJ，全生命周期为10年，维护基站消耗的隐含能为10GJ，总隐含能为85GJ。其详细情况表4所示。

表4 制造基站所消耗的隐含能

按照基站满负荷运行功率为1300W、闲时运行功率为300W，最大通信速率为1000Mbps计算，单个基站的能耗比为1.569J/Mb。如果在379平方千米内256个基站均服务多个用户满负荷工作，那么这个区域内所有基站整体能耗比如等式（2）所示等于单个基站的能耗比为1.569J/Mb。但当这个区域在人烟稀少的边缘地区，如图3（B）中情况，256个基站中仅有1个基站工作，那么根据等式（3,4）计算可得基站整体能耗比为146.801J/Mb。但目前国内运营商给出了LTE广域覆盖方案[25]，根据实测数据在使用2发送4接收天线并将其功率提升40W后，其覆盖半径可提升至15Km，等式（2、4）中

，下行速率达到46Mbps，那么根据基数按得到其基站整体能耗比为32.99J/Mb，根据实际情况，在如新疆沙漠等人员稀少地区，运营商建设网络往往选取广域覆盖方案，因此本文选取能耗比为32.99J/Mb作为人烟稀少地区的典型能耗比进行讨论。

表5 V2 Mini direct to cell卫星的能耗比估计

结合参考文献[14]中估算Starlink系统地面站的能耗比为2.63J/Mb，V2 Mini的使用寿命为5年，V2 Mini最大的单用户传输速率为17Mbps（丢包率15%），最大的整星速率为32Mbps（单波束4M,8波束可用），如表3所示，根据前两章分析的结果与等式（5-7）可以计算出目前V2 Mini手机直连提供每Mb的能量为1122.4J（17Mbps单用户）或604.5J（单波束4M,8波束可用）。因此可知当前卫星互联网在接入网测的能耗比是地面网络的32.9-715倍以上。使用星舰发射的V2卫星目前还没有被发射，其通信能力未知，因此暂不对其能耗比进行分析与计算。

目前在用户稀少的偏远地区如图3中的场景，对于如城市等人员密集地区，如图3（A）的场景下基站均正常工作，即使给与Starlink DTC计划超过足够多的频率资源、按照当前3.4 bit/Hz（17Mbps单用户）或6.4bit/Hz（单波束4M,8波束可用）的实际频谱效率，在其他条件不变的情况下，V2 Mini的传输速率需要达到12.12Gbps以上、获得带宽超过1.89GHz的LTE频带资源才可获得与地面基站相同的能耗比。

但值得关注的是，使用卫星网络的能耗比仍要高出地面基站的能耗比，然而若SpaceX将DTC计划中单星的通信能力提高到580Mbps，在频谱效率不变的情况下获得90.625MHz频谱资源，那么DTC计划则会相比于地面上建造后使用频率极低的地面基站具有更低的能耗比。2025年9月，Starlink收购EchoStar AWS-4、H-block频率资源，向FCC申请基于V3卫星的D2C卫星计划，最多发射15000颗D2C专用卫星；2025年11月，Starlink进一步收购EchoStar AWS-3频率资源，整合频率资源后，形成在美国使用的20MHz上行+45MHz下行D2C频率资源，这也表明在不久的将来，偏远地区依靠卫星接入互联网或许是更节能的通信方案。

根据爱立信《2023年爱立信移动市场报告》，全球智能手机用户月均数据流量预计将从2023年的21GB增长至2029年的56GB。按2029年用户日均使用智能手机12小时测算，这意味着用户最低数据传输速率需求为0.043 Mbps。在379平方公里区域内，单颗星链DTC卫星仅能满足395名用户的通信需求。以人口密度1332人/平方公里的北京市为例，若要同时满足整座城市的数据需求，星链至少需要部署2.62万颗同类卫星。因此，从能耗角度而言，Starlink DTC仅适合作为地面网络的补充。

图4 V2 Mini的通信能力增加至580Mbps时，其能耗比才可与用户稀疏地区的地面基站相当

图5 V2 Mini的通信能力增加至12Gbps时，其能耗比才可与用户密集地区的地面基站相当

PART 04

总结

在卫星通信高速发展的1990—2000年，卫星通信系统与地面通信系统曾短暂产生竞争，“铱星”、“全球星”、“轨道通信”三大星座的设计指标达到了同时期地面蜂窝网络的水平，并具有全球无缝覆盖的优势，因此吸引了广泛关注。但在三大星座投入建设的十年间，地面蜂窝网络逐渐从2G演进到3G，手机终端价格和流量资费不断降低，卫星通信除了覆盖范围广的优势之外，终端成本、通信速率等方面均处于劣势，导致三大卫星通信公司先后经历了破产重组。虽然三个星座最终都起死回生，但占据的无线通信市场份额远小于地面蜂窝网络，2015年三大星座的用户总数才达到380万，而同时期全球蜂窝移动用户数量为73亿。

Starlink目前除北美和西欧等经济发达地区外也已经在如菲律宾、印度尼西亚等多岛屿国家提供了卫星固定业务，使更多的人获得了互联网服务。但本文分析表明，在大城市等人员密集地区，大型低轨卫星通信星座的能耗比是地面基站的384-715倍；在人烟稀少的偏远地区，其能耗比仍比当前地面基站部署方案高出18.2-32.9倍。从绿色通信角度出发，试图利用如Starlink等低轨卫星网络完全取代地面网络是十分不明智的，但未来SpaceX获得更多频谱资源且提高卫星通信能力之后，其能耗比与服务价格有望降至大众可接受范围，届时可在极偏远地区替代地面基站，与地面网络形成互补，共同构建新型天地一体网络。

参考文献

1) Starlink. SpaceX sends First text messages via its newly launched direct to cell satellitess https://api.starlink.com/public-files/DIRECT_TO_CELL_FIRST_TEXT_UPDATE.pdf

2) Humar, Iztok , et al. "Rethinking energy efficiency models of cellular networks with embodied energy." IEEE Network the Magazine of Global Internetworking 25.2(2011):40-49.

3) Costanza R. Embodied energy and economic valuation [J]. Science, 1980, 210(4475): 1219-1224.

4) An Q, An H, Wang L, Gao X, et al. Analysis of embodied exergy flow between Chinese industries based on network theory [J]. Ecological Modelling, 2015, 318: 26-35

6) Dixit M K. Life cycle embodied energy analysis of residential buildings: A review of literature to investigate embodied energy parameters[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2017, 79: 390-413

7) Reddy B V V, Jagadish K S. Embodied energy of common and alternative building materials and technologies[J]. Energy and buildings, 2003, 35(2): 129-137.

8) Moreau V, Vuille F. Decoupling energy use and economic growth: Counter evidence from structural effects and embodied energy in trade[J]. Applied Energy, 2018, 215: 54-62

9) Sato M, Kharrazi A, Nakayama H, Kraines S, et al. Quantifying the supplier-portfolio diversity of embodied energy: Strategic implications for strengthening energy resilience[J]. Energy Policy, 2017, 105: 41-52.

10) Lam K L, Kenway S J, Lane J L, Islam k M N, et al. Energy intensity and embodied energy flow in Australia: An input-output analysis[J]. Journal of Cleaner Production, 2019, 226: 357-368

12) Yang Y. Energy globalization of China: Interaction logic and spatial transition[J]. Acta Geogr. Sin, 2022, 77: 295-314.

13) Badic, B. , et al. "Energy Efficient Radio Access Architectures for Green Radio: Large versus Small Cell Size Deployment." IEEE Vehicular Technology Conference Fall IEEE,2010.

15) Falcon 9 FT (Falcon 9 v1.2). Available online: https://spaceflight101.com/spacerockets/falcon-9-ft/ (accessed on 22 May 2024)

16) Final Programmatic Environmental Assessment (PEA) Executive Summary for Starship/Super Heavy. Available online: https://www.faa.gov/sites/faa.gov/files/2022-06/Final_PEA_Executive_Summary.pdf (accessed on 13 June 2022)

17) Wilken J, Sippel M, Berger M. Critical Analysis of SpaceX's Next Generation Space Transportation System: Starship and Super Heavy[J]. 2022.

18) Trevor Sesnic, Starbase Tour and Interview with Elon Musk. Available online: https://everydayastronaut.com/starbase-tour-and-interview-with-elon-musk/ (accessed on 11 August 2021)

21) Stephen Clark, SpaceX is stretching the lifetime of its reusable Falcon 9 boosters. Available online: https://arstechnica.com/space/2023/07/spacex-launches-its-fleet-leading-rocket-booster-for-record-16th-time/ (accessed on 11 July 2023)

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)

24) Pekhterev S. The bandwidth of the StarLink Constellation… and the assessment of its potential subscriber base in the USA[J]. SatMagazine, 2021, 2021.

25) 李沙茹拉,王玉琛,臧臣瑞.4G广域场景覆盖手段探讨[J].信息通信, 2017(4):3.DOI:10.3969/j.issn.1673-1131.2017.04.014.