【Nicole 數位經濟專欄】衛星通信和 5G、6G 的互補與融合:低軌道衛星通信的發展歷程

Blue Origin 的貝佐斯、SpaceX 的馬斯克,明星企業佳芬恩投入太空旅行、衛星通信領域,到底從何而來,前景又如何呢?
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REUTERS/達志影像
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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情境、與相關發展趨勢與前景等議題進行分析。

衛星通信服務歷史與現況

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,過去幾十年的時間,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。

人造衛星的種類

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:

  1. 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,而不用轉動天線來追蹤衛星。
    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ㄧ顆衛星,之後因技術升級成為一度角ㄧ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。
  2. 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。
  3. 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。

台灣的通信衛星

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營運商,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。

距離影響訊號強弱

衛星軌道與地表之間的距離差異直接影響的訊號傳輸表現,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。

頻率分配

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:

  1. 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。
  2. 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。

衛星網路星系熱潮

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。

責任編輯:Mia
核稿編輯:Anny

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AWS For Data Web Day 報名須知

  • 日期:2022 年 5 月 25 日(星期三)
  • 時間:2:00 PM~5:00 PM
  • 形式:線上研討會

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