(圖片來源:wiki

文/詹婷怡(前 NCC 主委)

今年七月天最熱門的事件,莫過於英國 Virgin 集團負責人 Richard Branson 在 11 日乘坐自家 Virgin Galactic 的團結號 Unity 太空船,比率先宣布要進行太空之旅的同業,也就是剛卸下 Amazon CEO 職務並專注於太空事業發展的 Jeff Bezos,提早進行了一場前進到地球與太空交界的關鍵太空飛行,話題性及吸睛度爆表;就在這歷史性時刻發生的數小時前,另一位同業 SpaceX 執行長 Elon Musk 還在凌晨親自現身在Branson 家廚房為好友打氣;一週之後,Jeff Bezos 也搭乘自家 Blue Origin 航空器New Shepard 火箭從美國德州升空,一度抵達距離地球表面 106 公里的高空,這個完全自動化的航空器飛越了被認為是太空邊緣高度的卡門線(Karman Line),之後順利返回地球。

這幾位明星般企業家紛紛搶進,一時之間太空上好不熱鬧,除了炫目的太空科研及商業之旅外,包括作為新進衛星通信業者的 SpaceX 發展的 Starlink 星鏈計畫、Amazon旗下 Kuiper System 發展的 Kuiper Project、加上由 Softbank 投資原已聲請破產保護,後獲英國政府投資的 One Web、以及加拿大政府投資的 Telesat 等主要及其他業者,皆紛紛爭相投入低軌道衛星通信業務發展,爭取頻率及軌道發射低軌道衛星進行基礎網路建設。

衛星通信其實與我們日常關係密切,本文即以衛星通信服務的歷史發展,低軌道衛星通信在 5G/6G 的定位與價值,以及所涉及頻率與監理事項、帶動的產業與應用服務場景、與相關發展趨勢與前景等議題進行分析。

衛星通信服務之歷史發展與現況

所謂衛星通信是指,利用人造衛星作為中繼站,對來自地球站之無線電信號進行接收或放大並轉發,使兩個或多個局端或終端之地面站和接收站之間能實現遠距離無線電通信;通信衛星使用的無線電和微波的頻帶較寬,其網路相對來說由於具有高頻寬及無遠弗屆的特性,過去幾 10 年的時間,在諸多先進國家不斷投入資金及研發先進通訊技術的引領下,早已成為國際上在通信、傳播及資訊流通的重要技術與平台之一,且由於可以補足海底電纜及光纖通訊的不足,隨著科技技術的快速發展,已由國際通信應用逐漸擴大至區域通信及行動通信領域。

一個衛星通信系統基本上是由通信衛星、衛星地面站、傳輸無線電信號之上下行鏈路、以及其配套的設備與系統所組成;衛星依軌道高度不同,一般可分為:

(一)地球靜止軌道(或稱地球赤道同步軌道,Geostationary Orbit,GEO)。

是指一種衛星配合地球自轉的,運行軌道位於地球赤道上方 35,786km 圓形軌道的高軌衛星,該軌道上的運行方向和地球自轉方向一致,繞地球運行一周的時間和地球自轉周期相同,軌道傾角為 0°,軌道偏心率為 0,即軌道周期 23 小時 56 分 04 秒,等於地球自轉周期,即恆星日;從地面觀測者看來看上去就像是在天空中固定不動,通信衛星和氣象衛星一般就是運行在靜止軌道,地面站天線只要對準衛星的定點位置就可以通信,而不用轉動天線來跟蹤衛星。

地球靜止軌道衛星是地球同步軌道衛星(Earth Geosynchronous Orbit)的特殊形態,地球靜止軌道是地球同步軌道的一個特例。二者之間區別在於,地球同步軌道上的衛星每天在同樣的時間通過地球上的同一個點,而地球靜止軌道上的衛星一直固定在定點位置不動,惟兩者高度同樣維持在地球上方 35,786km。地球同步軌道的容量有限,軌道競爭是兵家必爭之地, 在早期是通信衛星專用,無論商用或軍用,以前因為定位技術不足,限制每兩度角安置一顆衛星,之後因技術升級成為一度角一顆, 預定廢棄的衛星會推到更高的軌道棄置。根據維基百科,截至 2015 年全球共有 411 顆的地球同步軌道衛星,提供包括了通訊、電視廣播、天氣預測,以及國防應用。

(二)中地球軌道(MEO),距離地球表面較近,軌道高度落在 2,000 公里到 35,786 公里之間。

(三)低地球軌道(LEO),低於中地球軌道,距地面表面大約 160 到 2,000 公里處。從地球上來看中、低軌道衛星,並不是像靜止軌道衛星那樣在天空中固定不動,它們繞行地球的速度比地球自轉更快,視覺與觀測結果大不相同。

日前世界 IC 設計龍頭台灣聯發科成功與英國衛星通信公司 Inmarsat 合作,完成以窄頻物聯網 NB-IoT 晶片技術進行全球首次 5G 高軌衛星通信傳輸測試,克服高軌道衛星過去面臨的信號弱並遲延的傳輸問題。

Inmarsat 即是歷史悠久的行動衛星通信運營商,以 11 個地球靜止軌道通信衛星 GEO,經由通訊地面站與行動終端設備,為世界各地的用戶提供電話和數據服務的全球性的行動通信服務,擁有的衛星系統覆蓋全地球表面。

這項合作利用 Inmarsat 商用 GEO 衛星網路與聯發科的 NB-IoT 晶片,透過小幅度修正晶片與基地台,即可讓行動通信技術有效運用於GEO;由我國中華電信與新加坡電信共同擁有主控權的人造衛星 ST-2 則為台灣第二顆以通信為主的商業衛星,為赤道上空 3 萬 6 千公里之同步軌道衛星,使用 C 頻段及 Ku 頻段提供高畫質數位服務;至於本文前言中提到的科技巨擘爭相投入者則屬於低地球軌道通信衛星。

衛星軌道與地表之間的距離差異直接影響的是訊號傳輸表現。

GEO 距離地球遙遠,始終存在訊號遲延問題,在通信功能上尚有頻譜利用率低及系統容量不足問題,且因運行只在一個軌道面上,可容納衛星數量有限;由於客觀上人類活動尚有諸如偏遠地區、海事、天然資源開發、與探險活動等通信需求,在災害發生時更有快捷有效的緊急通信保障之必要,部分的通信功能已由海事衛星、軍用衛星、地球同步軌道衛星、以及能夠提供用戶語音及連網服務的中軌道衛星 MEO 所分工,但地球上仍有極大區域無法覆蓋,且衛星通信的成本依然是相對可觀。

低軌道衛星信號傳輸路徑較短,傳輸能量較低,功率耗損較小,落地訊號強度較高,相較於中、高軌道衛星,其抗干擾能力也較強,在複雜的地理環境、電磁環境及遮蔽條件下,定位效果與可用性較高,整體傳輸效率較為提升,在資訊傳輸的遲延性上也相對較低,覆蓋面積廣也是優勢之一。惟系統運作仍有其限制,如果使用低軌道衛星來提供持續的通信,那就需要非常大量的衛星,確保任何時候都至少有一顆衛星在天空中來傳遞通信訊號,並追蹤中、高軌衛星的運行。

衛星的頻率決定與分配,是一個需要國際協力的複雜過程,由國際電信聯盟 ITU 制定了監管規則,進行國際協調與分配各個組織與機構可以使用的頻率範圍及頻段,降低訊號干擾的風險。在不同區域之間,同樣的服務可能被分配到不同的頻段、在不同區域內頻段也可能被分配給了不同的衛星通信服務。

衛星網路結構與頻率之使用可分為兩大類:(一)服務鏈路端:衛星與用戶終端間之傳輸(Service Link),分為上行與下行頻率;(二)Gateway 端:饋線鏈路傳輸(Feeder Linkl),連至數據網路/網際網路,分為上行與下行頻率。

而各國監理機關則在頻譜供應、頻率核配、執照發放、技術審驗、網路及資安維護計畫與合規等面向進行監理,由衛星通信系統供應提供的服務大致包括:衛星固定通信業務、衛星廣播業務、衛星行動通信業務、衛星無線電導航業務、衛星氣象業務、衛星業餘業務等;應用情境則包括電話、電視、廣播、業餘無線電、網際網路接取等。

以我國衛星通信服務現況為例,包括申請特許經營的「衛星固定通信業務」(如中華電信、台亞衛星、華人衛星、侑瑋衛星等),提供電視節目衛星中繼、小型衛星地面站(VSAT)、出租衛星網路、有線電視頭端、衛星新聞採訪車(SNG)與攜帶式衛星通訊系統(Fly Away)等服務,及「衛星行動通信業務」(原有數家業者,分別因不同原因業已終止營運或遭廢止籌設同意書),以及透過代理提供服務的「衛星行動通信業務」(如 Thuraya 及 Inmarsat 等),由中華電信代理提供衛星電話服務、船舶連網服務及衛星上網等服務。

衛星通信使用到的頻段涵蓋 L、S、C、X、Ku、Ka 乃至 V、E 等頻段,越低的頻段頻寬越小,電波受影響雨衰程度小,繞射能力強,對終端天線方向性要求較低,在過往行動通訊需求僅是語音及文字訊息傳送時,L 及 S 等較低頻段尚足以使用,但如多媒體視訊傳輸或其他較大通信容量需求時,衛星通信使用頻段逐漸往 C 及Ku(12–18 GHz)頻段延伸,這兩頻段也是目前衛星通信領域使用的主流頻段,在我國 Ku 頻段作為廣播電視業務(12, 14 GHz)、公眾通信中繼網路(15, 18 GHz)、及衛星通信(12, 14, 19, 29 GHz)使用。

隨著衛星頻段資源及軌道的需求急速增加,在先天稀缺的狀況下,Ka(27–40 GHz)已是相當熱門的頻段,可提供高速及高通量衛星通信及高畫質電視等服務使用,在我國則供應了包括行動通信服務(27–29.5 GHz)、公眾通信中繼網路(38 GHz)、及衛星通信(29, 38 GHz);V(40–75)及E(60–90)頻段在後,在我國做為免執照設備使用(57–66 GHz)、衛星通信(47, 50 GHz)、高速無線傳輸用(71–76, 81–86 GHz)、低功率車輛短距離雷達(77- 81 GHz)及其他衛星通信使用;當然較高頻段仍有其先天容易受天氣影響及雨衰等問題,因此相關通訊設備對於高頻元件的要求將更為嚴格,包括天線等,對於設備相關廠商的能力是一項必備條件。

過去 50 年來,衛星通信藉由廣覆蓋、高靈活度等優勢,作為地面通信網路延伸和備援,適合偏遠地區網路、航海通信、緊急通信、軍用通訊、科學勘探等應用領域,近年來則隨著衛星通信技術演進與衛星寬頻成本下降,在高通量衛星頻寬龐大需求下,全球掀起衛星網路星系(Constellation)發展熱潮,成千上萬枚衛星環繞地球的情境將不再是想像,衛星通信進入新的發展階段。

低軌道衛星通訊可與 5G 兼容互補、6G 生態融合

衛星通信服務近幾年再度受到關注與重視,特別是其中低軌道衛星通信,這與無線行動通訊技術急速發展,各項通訊應用及網際網路接取高度需求有極大關係,從 1G到 5G,行動通信技術歷經了 40 餘年的發展,終於,走到了從「服務個人消費者」到「服務領域產業」的階段,見諸於企業專網受到熱議即可窺一二。

同時,行動通訊技術結合了 Cloud、Edge、Big Data、AI 等資訊科技的快速發展,提供了更智慧的連結(Intelligent Connectivity)及寬頻網路,更為數位轉型邁向網路社會與數位經濟賦能,帶動經濟典範轉移。

從技術、需求、應用等多面向來看,衛星通信系統與地面行動通信系統相較確實存有獨特性及差異,但低軌衛星通信與 5G 可以是兼容互補關係,而在 6G 時代,行動通信與各種近端傳輸技術、低軌道衛星通信系統、以及包括毫米波在內等創新通信技術等將融合為一體,逐步實現任何人、任何物、在任何時間和地點皆可無縫式接取及覆蓋。在這過程中,將視以下幾項最重要關鍵如何演進及發展時程而定,包括:

(一)網路基礎建設與傳輸技術的優勢互補、(二)頻率與軌道資源分配協調與整合、(三)通信網路與技術標準及互通互連、(四)既有通信與系統整合性架構發展、(五)完整完善的設計、製造、測試生態系統、(六)與網際網路訊務運營者共創多贏模式、(七)多元創新的應用服務並帶動數位轉型、(八)創新監理思維及合規法遵等配套落實。

這些發展相當程度是奠基於衛星發射成本降低與技術演進,與早期衛星通信應用服務相較,特別是新進低軌道衛星通信運營商的期待,是將其視為行動寬頻網路的解決方案,亦即與 5G 相競合並成為 B5G 至 6G 時代異質網路一環,從 5G 觀點來看,衛星通信可以在廣大非陸域(Non Terrestrial Networks, NTN)提供涵蓋、符合特殊應用場景需求、及地面通訊備援等短期效益。

例如 :(一) 極廣域覆蓋且高速容量傳輸的NR或物聯網通訊、(二)廣覆蓋的backhaul 支援非陸面行動通信、(三)高速無線 backhaul 服務暫時性的工業網路、以及(四)天然災害發生時之通訊網路;中長期來看,低軌道衛星通信與行動通信業務頻率使用競合,提供行動通訊偏遠地區之回傳與補充網路。

其間關係茲簡要分析如下:

(一)做為建置行動通信基地台回傳網路

網路通信基礎建設傳輸方式在地面通信主要是經由光纖網路與無線通信技術,光纖常見於骨幹網路傳輸及固定式接取網路,地面無線通信則主要適用於行動終端接取,因應 5G 超大容量超高傳輸速度以及低遲延的特性,需要強大的回傳網路系統支持,相較於光纖網路或無線通信技術,衛星通信,特別是低軌道衛星通信,在包括骨幹網路傳輸、遠端接取、固定通信、電視廣播與直播、行動通信等面向,應用更為廣泛,如能兼容偏遠或幅員遼闊的固定或地面無線通信回傳網路,將可強化 5G 功能及各種高流量數位經濟型態應用服務的需求。

(二)兼容低軌道無線通信系統與地面系統實現全網路覆蓋

低軌道衛星的特色在於與地面通訊延遲低,低軌衛星飛行高度在距離地表 300 至2,000km,與地面通訊延遲小於 50ms,傳輸速率較海底電纜及光纖快,此外,低軌衛星更接近地表,相較於 2 萬公里以上高度的中、高軌衛星,傳輸路徑更短、較中高軌衛星落地訊號強,傳輸能量較低、功率損耗更小,抗干擾度較高。應用場景多為偏遠地區、或地形受限造成光纖鋪設困難、或是建設經濟效益低之地區,與行動通信、地面(包括陸地及海洋等)通信可進行整合。

4G 時代的行動通訊發展,基礎網路建設當然有一定的基礎,但也形成了部分地區佈建不易或不符經濟效益的「數位落差」,「普及服務」需求本已屬迫切,5G 時代加上萬物聯網及產業領域的需求,基地台初期的佈建與投資很自然會更以人口分布及產業應用需求為優先排序,這已經在維運成本形成相當沉重負擔(電信運營商本身也必須進行數位轉型優化其應運與獲利模式),網路基礎建設佈建困難與整體部署成本過高,正是電信運營商的痛點,偏鄉及地廣人稀區域可能落差還會加大,但卻又是不少特定應用服務需求之所在,包括防救災、無人機、海上與資源探索等,衛星通信之發展逐步實現覆蓋全球,可以深入偏遠陸地及遠洋,還可連結航空與太空產業,有助於全網路覆蓋之實現。

(三)滿足 5G 高速率低遲延的移動式寬頻設備與服務需求

5G 應用情境中,高速率低遲延是相當重要的特性,低軌道通信衛星比光纖網路傳輸速度更快,更低遲延性,加上終端小型化,特別是在移動終端的應用與服務的連通姓,例如飛行器、船舶、移動中高鐵或汽車等各項日漸智慧化應用情境大平台,在移動過程中,因應即時且連續不間斷高度需求的維持網路寬頻服務應用。

例如在智慧應用中相當重要的車聯網,車聯網的技術發展對基礎環境有極高的需求,除車用電子本身作為行動終端,包括基地台及路側基礎設施,分布於道路兩側的基地台(包括小基站等)其數量、布建位置、訊號涵蓋範圍及強度等,都遠遠超過過去 4G 時代的網路建置規格,還要加上以大規模工程項目鉅資投入的道路環境各項設施,更要考量車聯網對於延遲性的需求,如能以地面通信系統規劃結合地軌道衛行通信系統支持,將可同時作為解決建置成本、網路覆蓋率、及低遲延等問題的解決方案。

(四)大容量高傳輸寬頻連接的補充技術

前已述及,5G 網路基礎建設無論在人口集中及已開發地區,或是偏遠及城鄉落差地區,皆有不同的網路環境建置門檻,例如前者,可能面臨基地台不敷使用或是路權取得不易,低軌道衛星通信因延遲性縮短,數據傳輸率提升,地面終端則因技術發展在重量、體積、發射功率等與一般行動通信系統終端漸無差異,使用者體驗與感受也所差無幾,如能於地面信號接收端就低軌衛星通信及行動通信部署專用設施或終端設備,兩種通信及網路系統融合並無縫切換,就原地面網路連接不足地區之家戶、商辦或是部落、社區等,衛星通信系統可視為地面及行動聽信網路的補充技術及替代方案。

惟系統容量及傳輸設計確實是一個難題,5G 將建設 2-3 倍於 4 G 基地台的數量以服務後匯流寬頻網路需求,從衛星通信角度來看,要提升系統容量意味著要增加衛星數量,以星鏈計畫每顆衛星承載量大約為 15–20 Gbps,預計發射上萬顆,在頻率資源稀缺之限制下,即使新進低軌道通信衛星業者已大大降低了發射衛星的成本與門檻,各家成千上萬低軌道衛星在空中,既擁擠有可能因為傳輸網路設計造成衛星系統癱瘓,這是有待驗進一步克服的問題。

(本文經原作者前國家通訊傳播委員會主任委員 詹婷怡 授權轉載,並同意 BuzzOrange 編輯導讀與修訂標題,原文標題為〈與5G兼容互補及6G生態融合--論低軌道衛星通信服務與相關產業發展(上)〉。首圖來源:wiki

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