第17卷・第3期
中華民國112年9月出刊
中華民國112年9月出刊
衛星通信可追溯至西元1957年蘇聯發射第一枚人造衛星1，這些年來已深植我們生活當中，如衛星電話、衛星電視轉播、手機導航、氣象科學與遙測等領域。國際通信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)於西元2022年9月新聞稿2中指出，2022年估計有27億人(世界人口三分之一)未能連網，大多生活在偏遠、難以到達之地區(remote, hard-to-reach areas)；而衛星具有廣覆蓋的特性，能使山上、偏鄉、海上、空中及沙漠等區域皆能實現連網的需求。鑒於低軌衛星業者SpaceX於烏俄戰爭中協助烏克蘭對外通訊，衛星通信對於5G人口涵蓋率超過94%的臺灣3來說，除了能補足涵蓋外，也能提升數位韌性，在緊急狀況時維持通信不中斷。
有別於傳統同步衛星造價昂貴，發射成本高且服務不易推廣之特性，低軌衛星業者SpaceX研發出火箭回收技術，大大降低發射成本，衛星通信服務也開始朝向以生產周期短、低成本等快速布建之方式拓展市場。
本文將依軌道特性說明衛星系統，並介紹衛星通信服務發展現況，最後為結語。
依照ITU資料，依衛星軌道特性大致可分為四大類衛星系統4，分述說明如下：
比較比較LEO、MEO與GEO衛星系統，最直觀的就是軌道高度的差別，影響無線信號的衰減、延遲與涵蓋範圍。無線信號的衰減除了與傳輸路徑長度(在衛星應用上可視為軌道高度)有關，也與無線信號的工作頻率有關。無線信號的延遲，考慮光速為每秒300,000公里，以LEO軌道高度500公里、MEO軌道高度8,000公里與GEO軌道高度35,786公里來計算，其延遲(地表→衛星→地表)分別為3ms、53ms與239ms。
有關衛星涵蓋範圍，如圖1所示，使用三顆GEO衛星，可實現除了高緯度極地區域以外之常時全球覆蓋。
資料來源：本文作者
考慮LEO或MEO，若是採取與GEO類似之作法，將衛星置於赤道上空，則相較於GEO，高緯度的盲區範圍將更為擴大，同時亦將增加LEO或MEO衛星系統對於GEO衛星系統干擾之風險。對於LEO衛星系統，常見的作法是軌道平面會與赤道面形成一個角度，如圖2所示。
資料來源：本文作者
參考Casio的網頁計算工具6，軌道高度500公里的低軌衛星，繞行地球一圈約需要95分鐘，我們馬上可以明白，要讓圖2的地表觀察點隨時都能觀察到低軌衛星，軌道平面上不能只有一顆衛星;另一個問題是，只有一個軌道平面就夠了嗎?這個答案也是否定的，地球會自轉，所以某個低軌衛星系統即便只是想要覆蓋某個地理區域(如臺灣 )，也會需要一個低軌衛星星系(Constellation)，而不只是幾顆低軌衛星，除非通信需求是一天只需要幾分鐘的通信機會。
對固定地表觀察點來說，GEO衛星是相對靜止不動的，但LEO或MEO衛星均會移動，這也代表LEO或MEO衛星系統若要獲得最好的傳輸品質，地表的用戶終端需要具備追星的能力。當然若是考慮船舶或飛機等觀察點會移動之應用時，即使是GEO衛星系統的用戶終端，也需要具備追星的功能。
衛星通信服務發展已趨多樣化，本文分別就行之有年的GEO衛星系統各類應用服務、近期異軍突起的LEO衛星系統寬頻應用服務，以及萌芽階段的手機直連衛星服務等三大部分加以分析說明。
1.Inmarsat國際航海衛星通信
Inmarsat衛星系統覆蓋範圍為北緯70度到南緯70度之間，船舶上的用戶終端透過Inmarsat衛星，與各洋區的海岸地面電臺連接，利用陸上通信網路建立船舶與陸地間的通信，可提高船舶航行通信效率及增進航海安全。
2.Thuraya衛星行動通信服務
Thuraya涵蓋亞洲、中東、歐洲與非洲地區，提供多款終端設備，支援語音、簡訊、定位與Internet等衛星行動通信服務。透過Thuraya衛星行動通信服務，即使在沒有陸上行動網路的地區，用戶仍可使用Thuraya的終端對外通信，這項服務對登山客、救難人員或跨國旅客等格外重要。若涵蓋範圍符合需求，此項服務亦可應用到航海人員。
3.電視節目衛星中繼
GEO衛星的涵蓋優勢使其適合廣播業務，電視臺或電視節目內容提供業者，將戲劇節目、電影節目、新聞播報或體育節目經由衛星傳送到有線電視頭端，再傳送到各收視戶。以圖3所示ST-2衛星為例，電視節目送至陽明山衛星地面站，透過編碼系統(Encoder)將電視節目編碼，也可依據客戶需求提供編播系統(Injection)、鎖碼系統(Conditional Access, CA)等額外功能。電視節目透過衛星上鏈(Satellite up Link)設備及衛星轉頻器頻寬廣播(Broadcast )，依據客戶指定有線電視頭端站(Cable TV Headend)，鋪設接收設備，將衛星電視節目引入。
資料來源：
4.國際衛星電視電路業務(Occasional Use TV, OUTV電視訂線)
遇上重大事件時，新聞臺派出衛星新聞轉播(Satellite News Gathering, SNG)車到當地，將現場畫面傳回電視臺，以提高新聞即時性。SNG車的應用就是OUTV服務的一種，服務架構如圖4所示。以我國GEO衛星ST-2為例，服務範圍不侷限於臺灣，亦可達太平洋洋區(Pacific Ocean Region, POR)及印度洋洋區(Indian Ocean Region, IOR)。
資料來源：本文作者
5.離島或孤立山區之聯外通信
南沙群島的太平島是距離臺灣本島最遠的疆土，與高雄港相距約1,600公里，沒有海底電纜的太平島，須利用衛星對外通信。民國102年中華電信利用衛星為東沙島及南沙太平島提供2G行動通信服務；民國106年中華電信透過衛星提供3G及4G行動通信服務，完成太平島網路系統。除了太平島和東沙島外，也已陸續在東引、烏坵、彭佳嶼等其他離島，利用衛星提供行動通信服務。
6.衛星行動基地臺車
衛星行動基地臺車是將行動通信基地臺、衛星電路設備與發電機等設備，一起設置於一臺車上，提供可移動的行動通信基地臺功能。在大量行動電話用戶、臨時人潮聚集，或發生緊急事件，因而導致(或可能導致)訊擁擠現象時，可將行動車開到現場，增加行動通信容量來疏通壅塞。除了分擔訊務外，在發生重大災害而斷網時，衛星行動基地臺車也可提供臨時行動通信容量，維持基本通信功能。
7.衛星物聯網
衛星也可用來滿足行動網路布建困難區域的物聯網(Internet of Things, IoT)涵蓋，參考Inmarsat描述7石油、天然氣事業與電力事業等資本密集型產業的使用情境，並披露&其與澳洲昆士蘭州配電公司；Ergon Energy提供昆士蘭州720,000戶的電力，與Inmarsat合作實現配電網路的遠端監控與管理。
經由上述說明可知，GEO衛星除廣播服務外，已可提供偏遠地區上網及其他地面通訊備援(如基地臺)，亦可提供飛機及船舶等載具通信。惟GEO衛星費用較高，且容量、速度及延遲逐漸無法滿足日新月異之需求。近期低軌衛星的發展，不僅大幅提高衛星通信上網服務的速率，同時也將上網方案的費用變得更為親民，提升一般民眾的使用意願。
以下說明低軌衛星系統架構與四大業者現況，接著介紹低軌衛星龍頭業者Starlink之服務應用與業務發展。
1.低軌衛星系統架構說明
低軌衛星系統提供Internet服務架構如圖5所示，其中的用戶終端基本上配備碟型天線或是平板天線，而非一般手機。用戶終端將訊務傳送至空中飛行的低軌衛星，低軌衛星將訊務轉送至低軌衛星閘道地面站，再藉由骨幹網路將資料傳送至Internet網際網路或是雲端中心。低軌衛星與用戶終端中間的連線稱為服務鏈路(Service Link)，而低軌衛星與低軌衛星閘道地面站之間的連線稱為饋線鏈路(Feeder Link)。
資料來源：本文作者
就技術上來說，當低軌衛星沒有涵蓋閘道地面站時，若具備衛星間鏈路(Inter-Satellite Links, ISL)功能，則可透過ISL將訊務經由其他低軌衛星傳輸到閘道地面站。例如在烏俄戰爭中，馬斯克(Elon Musk)提供烏克蘭Starlink設備供其通信，由於烏克蘭當地沒有低軌衛星閘道地面站，Starlink便利用具備ISL功能的低軌衛星將訊務轉導至鄰國波蘭或是更遠的閘道地面站。
2.四大低軌衛星業者概述
四大低軌衛星業者分別為SpaceX的Starlink服務、OneWeb、Telesat與Amazon的Kuiper計畫，以下整理已發射衛星數、商轉時程、涵蓋範圍與發展動態等資訊如表1。
| 美國 SpaceX 公司的 Starlink 服務 | |
|---|---|
| 發射衛星數 (2023/6/28) |
4,367 |
| 商轉時程 | 2021年初商轉 |
| 涵蓋範圍 | 已全球涵蓋 |
| 發展動態 | 發射第二代衛星 |
| 英國衛星營運商 OneWeb | |
| 發射衛星數 (2023/6/28) |
634 |
| 商轉時程 | 2023年於加拿大提供服務 (與電信商合作) |
| 涵蓋範圍 | 2023年底全球涵蓋 |
| 發展動態 | 於多國簽訂MOU |
| 加拿大衛星營運商Telesat的Lightspeed | |
| 發射衛星數 (2023/6/28) |
1(Demo用) |
| 商轉時程 | 預計2026年布署商用衛星 |
| 涵蓋範圍 | 無 |
| 發展動態 | 於多國進行衛星測試 |
| 美國Amazon公司的Kuiper計畫 | |
| 發射衛星數 (2023/6/28) |
0 |
| 商轉時程 | 預計於2025商轉 |
| 涵蓋範圍 | 無 |
| 發展動態 | 公布三款衛星終端 |
資料來源：本文作者
就各方面來看，Starlink的發展速度遠遠超前其他業者，除發射衛星數遙遙領先外，商轉時間也最早，目前也已發射第二代容量更高的衛星。
相較於Starlink面對消費客戶，依據OneWeb官方網頁有關解決方案的介紹，OneWeb把重點放在電信營運商與企業(Carrier & Enterprise)、政府機關(Government)、海事(Maritime)、航空(Aviation)與陸上移動性(Land Mobility)等領域。
OneWeb於西元2023年2月1日新聞稿9提到，OneWeb透過經銷夥伴Galaxy(為企業客戶提供電信服務的衛星服務公司)在加拿大提供服務；西元2023年6月28日新聞稿10則提到服務範圍已擴展到歐洲與大部分的美國地區。
Telesat雖早在西元2018年1月就發射LEO衛星進行驗證測試，但依據西元2023年5月的新聞11披露，其商用系統的衛星布署將延後至西元2026年。
Amazon於西元2023年3月14日揭露三款消費終端，但要到西元2025年才有可能開始提供服務12。Starlink為低軌衛星服務龍頭業者，以下將介紹Starlink資訊提供的應用服務與終端。
3.Starlink資訊介紹
Starlink服務13分為個人住宅客戶(Residential)、商業客戶(Business)、漫遊(Roam)、移動性(Mobility)、海事(Maritime)、航空(Aviation)與IoT。航空服務目前在預約階段，官方估計將於西元2023年提供服務，IoT服務是由SpaceX另一家子公司Swarm提供，而Starlink設計三種終端以用於各種服務場景。以下介紹Starlink主要終端類型、服務方案、用戶數與使用狀況速率等業務發展資訊。
(1)Starlink終端介紹
Starlink提供三種終端，分別為標準型(Standard)、高效能型(High Performance)與平面式高效能型(Flat High Performance)。
標準型終端包含電子式相位陣列天線(513mm x 303mm)、天線基座、Wi-Fi路由器及各式連接線。標準型終端適用於個人住宅客戶，用戶自行在室外將天線裝設於最合適位置，再利用連接線串連天線與Wi-Fi路由器，使用Wi-Fi進行上網服務。不管是何種衛星天線都需要空曠的地區，樹林及樓房的遮擋將影響用戶體驗。
高效能型終端包含電子式相位陣列天線(575mm x 511mm)、天線基座、Wi-Fi路由器、電源供應器及各式連接線，高效能型終端適用於追求效能的用戶、商業用戶或是企業客戶。
平面式高效能型終端包含電子式相位陣列天線(575mm x 511mm)、Wi-Fi路由器、電源供應器、各式連接線與固定配件，平面式高效能型終端可在移動中提供聯網能力，所有終端類型都有iOS或是Android APP輔助安裝與設定。
(2)Starlink服務方案說明
依據Starlink官方網站資料，以下整理Starlink四大服務方案在美國的費用如表2，其他國家則視匯率、稅率與其他市場條件而有所變動。
| 標準型 Standard | |
|---|---|
| 使用情境 | 單一地點 |
| 適用服務類型 | 個人住宅客戶 |
| 特色 | 無限量高速低延遲網路服務 |
| 月租費 (美金) |
120 90 |
| 推薦終端 (美金) |
標準型599 |
| 具優先權型 Priority | |
| 使用情境 | 單一地點 |
| 適用服務類型 | 商業用戶與高需求用戶 |
| 特色 | 無限量的標準型資料用量、網路優先權、流量優先權 |
| 月租費 (美金) |
250 500 1,500 +0.5/GB |
| 推薦終端 (美金) |
高效能型2,500 |
| 可移動型 Mobile | |
| 使用情境 | 隨處 |
| 適用服務類型 | 漫遊、露營車 |
| 特色 | 陸上無限量 |
| 月租費 (美金) |
150 200 +2/GB |
| 推薦終端 (美金) |
標準型599 |
| 具優先權可移動型 Mobile Priority | |
| 使用情境 | 隨處 |
| 適用服務類型 | 海事、緊急救援、移動業務 |
| 特色 | 移動中可用、海上可用、網路優先權、流量優先權 |
| 月租費 (美金) |
250 1,000 5,000 +2/GB |
| 推薦終端 (美金) |
平面式高效能型2,500 |
資料來源：本文作者
Starlink宣稱用戶一般下載速率在25Mbps至220Mbps間，大部分可超過100Mbps，上傳速率約在5Mbps至20Mbps間，實際效能要看地點、時間與方案的優先等級。大部分陸上區域的延遲在25ms至50ms間，海上延遲可能會超過100ms。在網路壅塞或流量大幅消耗時，速率可能會低於上述範圍。具優先權型與具優先權可移動型的用戶優先級高於標準型，而標準型的優先級又高於可移動型。
(3)Starlink用戶數與速率發展趨勢
依據西元2023年5月18日美國財經媒體CNBC(Consumer News and Business Channel)的報導14，Starlink的用戶已超過150萬，距其發布測試版服務(Beta Service)僅約兩年半時間，而西元2022年12月的用戶數已超過100萬，相比之下老牌衛星服務公司休斯(Hughes)在美國用戶從0成長到100萬約花八年(西元2008年至2015、2016年)。
就以上CNBC報導來看，Starlink並不僅是把其他衛星服務公司的生意搶走，而是把餅做大。雖然Starlink在巴西增加的用戶數，與休斯失去的用戶數幾乎相同，但以澳洲西元2023年3月的報告來看，Starlink的用戶數為12萬，但其既有的衛星服務商NBN(National Broadband Network)用戶數僅較峰值10.6萬減少，而非接近為0。
Starlink用戶數持續增加，也帶來對系統容量更高的需求。根據Ookla的統計15，整理從西元2021年第4季至西元2023年第1季Starlink在美國、加拿大、墨西哥與智利的上下行速率與延遲的中位數(如圖6)，可發現近期的下行速率，比起西元2021年第4季的最高值，有明顯下降，惟在Starlink持續增加衛星與閘道地面站的態勢之下，美國與加拿大兩個規模較大的市場，下行速率亦有緩步向上的趨勢。
資料來源：本文作者
上述介紹GEO與LEO的衛星應用，都需要專屬終端才可使用其服務。隨著Starlink的快速發展引爆低軌衛星話題，加上未來6G談到全覆蓋的議題，全球行動通訊標準組織3GPP(The 3rd Generation Partnership Project)已在西元2022年的Release 17，完成非地面網路(Non-Terrestrial Networks, NTN)基本功能規格制定16，這使得未來一般智慧型手機都可能具備直接連接衛星的能力。
手機直連衛星服務目前還在萌芽階段，蘋果公司的iPhone 14與iPhone 14 Pro在特定國家，遇到沒有行動網路與Wi-Fi涵蓋時，可以通過衛星使用緊急簡訊服務17；聯發科技在西元2023年世界行動通訊大會展示3GPP NTN技術，由聯發科技、Bullitt與摩托羅拉共同推出的摩托羅拉defy 2與CAT S75兩款手機，支援雙向衛星簡訊功能18；新創公司AST SpaceMobile則是以未修改的Samsung S22手機，透過測試衛星BlueWalker 3完成語音通信19。
衛星通信自西元1960年代持續發展，對於地面行動網路布建困難區域的重要性，至今仍然無可取代。近年在Starlink帶領下，低軌衛星更是獲得全球關注，其在烏俄戰爭中之表現，提醒眾人衛星通信系統能在緊急狀態時，維持通信不中斷。
對於5G人口涵蓋率超過94%的臺灣來說，衛星通信在日常情況下可補足偏鄉與離島地區的涵蓋及容量，在緊急情況下則可做為一種備援通信手段。期盼國內低軌衛星寬頻服務發展能早日商轉，以提升我國韌性通信。
