強化緊急應變  鼓勵研發創新 衛星網路技術發展與應用實務

一、引言

自5G開臺以來，我國各大垂直場域業者無不積極撼動科技、經濟、社會與生活等各層面全面性地轉型，近年來為促進數位科技的發展，推動虛實整合的「元宇宙」(Metaverse)樣態逐漸滲透於生活中，此種隨時隨地即時性的沉浸式體驗技術，需仰賴5G技術的超高速、大頻寬與廣連結的特性，惟5G地面基地臺的布建與訊號涵蓋範圍仍有其限制，因此國際上正如火如荼地研究與發展非地面網路(Non Terrestrial Networks, NTN)之通訊技術，以彌補戰亂時的通訊備援，或是偏遠地區的地面訊號涵蓋不足等通訊困境。

有鑑於此，本文先淺談衛星網路之原理與軌道種類，如同步軌道衛星(Geostationary Earth Orbitsatellite, GEO satellite)、中軌道衛星(Medium-Earth Orbit satellite, MEO satellite)與低軌道衛星(Low-Earth Orbit satellite, LEO satellite )，其次研析第三代行動通訊合作計畫 (3rd Generation Partnership Project, 3GPP)中有關衛星網路系統架構、QoS傳輸細節與空中介面規範之應用情境，再進一步研蒐國內外衛星網路應用案例，期能提供我國衛星網路之通訊技術演進情形與面臨挑戰，以提供主管機關衛星網路政策規劃與法規調適之參考依據。

二、國際衛星網路技術發展趨勢

本章將先淺談衛星網路之類型及現行運行原理，期能讓讀者對於衛星網路有基本的認知，再進入討論與研蒐3GPP中有關衛星網路通訊技術發展情形，了解國際上對於衛星網路之系統架構、QoS傳輸與空中介面規範發展情形，以做為我國發展衛星網路通訊技術之參考依據。

(一)衛星網路之基本類型與運行原理

衛星若依其軌道高度可分為同步軌道衛星(Geostationary Earth Orbit satellite, GEO satellite)、中軌道衛星(Medium-Earth Orbit satellite, MEO satellite)與低軌道衛星(Low-Earth Orbit satellite, LEO satellite)，如圖1。若依其地域性可分為全球性(Global) 衛星通訊、區域性(Regional)衛星通訊與國內(Domestic)衛星通訊；若依其應用可分為固定衛星通訊服務(Fixed Satellite Service, FSS)、行動衛星通訊服務(Mobile Satellite Service, MSS)與衛星廣播服務(Broadcast Satellite Service, BSS)；若依其重量則可再區分為大型衛星(大於1,000公斤)、中型衛星(介於500至1,000公斤)與小型衛星(小於500公斤)。

資料來源：本文彙整編製(2024)

資料來源：本文彙整編製(2024)

有別於一般地面網路，衛星網路具備電波涵蓋區域範圍內之通訊，不受天災與地理環境限制之特性，適合單點對多點或是多點對多點之通訊模式，故當災難發生時，藉由衛星通訊覆蓋度廣、高度靈活的優勢，能做為地面通訊網路之延伸和備援網路。衛星網路經常應用於偏遠地區或離島通訊、軍警或企業專用通訊、災防通訊、環境監測、遠距醫療或教學、遠端視訊、高速下載等需求，尤其是地面網路尚未普及之偏鄉地區，國家通訊傳播委員會(以下簡稱通傳會)曾核准業者特許執照經營小型衛星地面站(Very Small Aperture Terminal, VSAT)，其主要由一個主控站與3米甚至更小型的天線所構成，以提供偏鄉地區電話、數據或視訊等訊號收發之通訊服務。

全球衛星網路運作情形，可以想像為由三顆橫跨太平洋、大西洋與印度洋的同步軌道衛星構成全球衛星通訊，中間還無法涵蓋的區域，則可透過中軌道衛星與低軌道衛星來填補，衛星訊號經天線發射至地面或接收來自地面站的訊號，由於其所服務之區域不同，需經特製生成不同的波束(Beams)以涵蓋不同的區域。

因此，為確保全球衛星網路持續且穩定地進行通訊，除了同軌道衛星間的通訊外，不同軌道衛星間亦能通訊，如圖2所示，在全面發展低軌衛星前，除了測試低軌衛星直接對地面系統之衛星地面站通訊外，亦能透過同步軌道之衛星地面站，建構與同步軌道衛星之中繼通訊系統，以進行國土監測與災防公安等衛星物聯網應用服務，而同步軌道衛星網路已行之有年，因此對於串連後端雲端服務與地面節點之服務，除支援備援通訊外，亦具備資訊安全管理能力。藉由同步軌道衛星網路，建構中繼通訊系統，以蒐集前期低軌衛星建置與網路連線穩定度情形，未來大規模布建低軌衛星時，將可提前建立需排解疑難的解決方案。

資料來源：本文彙整編製(2024)

(二)衛星網路之通訊技術發展趨勢

1.典型衛星網路通訊技術

衛星網路屬於非地面網路(Non-Terrestrial Network, NTN)之一，衛星網路通訊系統包含非地面部分和地面部分。非地面部分係指在適當軌道的衛星及遙測、追蹤、命令、控制及監測該衛星之地面設備，地面部分係指所有連接用戶終端設備的衛星地面站，衛星涵蓋區內之地面站發射無線電訊號至衛星，訊號經放大、轉頻，再放大後送至地面接收站，訊號由地面站發射至衛星稱為上鏈(Uplink)，訊號由衛星傳送至地面站稱為下鏈(Downlink)，此種衛星網路通訊系統適用於各種軌道的衛星，所有衛星在涵蓋區內之地面站間均可利用衛星相互通訊。

一顆衛星主要由衛星本體(Spacecraft Bus)與通訊酬載(Communication Payload)所組成，其中衛星本體主要能接受衛星操控地面站的遠端控制，同時能負載並供電給通訊酬載，並須包含推進、指令控制與資料處理等能力。而通訊酬載則是讓衛星具有通訊能力的射頻設備，並能與衛星地面站進行訊號收發，主要由轉頻器(Transponder)、天線、訊號處理器與資料交換器，其中訊號處理器能讓訊號具備再生(Regenerative)的功能，而資料交換器則能與其它衛星互通。

值得注意的是，NTN具備需要由衛星地面站連至公眾電信網路的情形，這是非地面網路的最大特性，也是研究衛星通訊技術與相關介面最有趣之處。無論是圖3與圖4皆可知一個完整的衛星網路具備衛星本體、衛星地面站、終端設備(User Equipment, UE)、服務鏈路(Service Link)與饋線鏈路(Freeder Link )，若是GEO衛星網路可在其電波涵蓋區域範圍內由多個衛星地面站及鏈路來傳遞資訊，通常為一個衛星地面站對應一個終端設備。若為非GEO衛星網路，則須留意切換至同軌道衛星間或不同軌道衛星間，其電波涵蓋範圍是否連續涵蓋，並須留意其服務鏈路與饋線鏈路在切換節點時之時間落差。

另一方面，衛星上面的通訊酬載能在其電波涵蓋區域範圍中發射多組波束，形狀通常是圓形至橢圓形，衛星的電波涵蓋區域範圍取決於其天線、仰角與方位角。而通訊酬載可再分為透明酬載(Transparent Payload)與再生酬載(Regenerative Payload)，由衛星本體與透明酬載所組成的衛星稱為透明衛星(Transparent Satellite)，具備濾波器、轉頻器和放大器的功能；由衛星本體與再生酬載所組成的衛星稱為再生衛星(Regenerative Satellite)，具備濾波器、轉頻器、放大器、解碼、編碼與路由等功能，因此再生衛星形同空中基地臺(例如gNB)的功能。

典型衛星網路系統架構圖如圖3所示，可了解單一衛星與衛星地面站或終端地面接收站間的訊號與資訊傳遞情形，另如圖4所示，可了解衛星間通訊，以及衛星與衛星地面站或終端地面接收站間的訊號與資訊傳遞情形。由衛星本體接受衛星操控地面站之遠端控制，透過資料控制中心將資訊與訊號透過轉頻器與通訊酬載交流，再透過射頻設備、基頻設備與數位介面單元傳輸至用戶終端設備，只要用戶位在該衛星所投射的波束訊號涵蓋範圍內，皆能享有該衛星網路所帶來的創新應用服務。

資料來源：ATIS(2019)

資料來源：ATIS(2019)

2.變型衛星網路通訊技術

國際上非地面網路結合地面網路的變型衛星網路系統架構，從3GPP第16版(Release 16, Rel-16)開始熱烈討論，底下研析透明衛星與再生衛星的變型衛星網路通訊技術。

1. (1)變型透明衛星網路之系統架構、QoS傳輸與空中介面規範
   如圖5所示，變型透明衛星網路中饋線鏈路上的衛星無線介面(Satellite Radio Interface, SRI)為NR Uu空中介面(NR Uu Interface)。衛星地面站亦支援NR Uu所需的完整功能，此時不同的透明衛星連接至地面網路的同一組基地臺(例如gNB)上。在此架構下的QoS傳輸細節如圖6，UE透過衛星無線介面接取5G系統，用戶資訊在UE和5G核心網路間傳輸，在此種網路系統架構下，透明衛星也可以在次世代無線接取網路(Next Generation Radio Access Network, NG-RAN)架構中獲取所需資訊，其空中介面規範如圖7的用戶面通訊協定堆疊與圖8的控制面通訊協定堆疊。
   值得注意的是，若是LEO衛星網路，其通訊技術須再考量時間延遲的因素，至少應包含饋線鏈路、SRI和衛星間鏈路(Inter-Satellite Links, ISL)等傳輸時間，否則控制面與用戶面都將達不到地面網路，即在控制面需要提供NRUu更長的傳輸時間，在用戶面亦需要提供NR Uu更長的傳輸時間，以利後續接取gNB。低軌衛星在高速移動下同時收發訊號時，由於低軌衛星與地面站有相對運動，將造成明顯的都卜勒效應(Doppler Effect)，將嚴重影響地面網路設備(例如基頻接收機)的解調與解碼功能，同時也會增加地面網路設備的時槽配置困難度。因此在低軌衛星快速移動時，地面網路的波束獲得(Beam Acquisition)與切換(Handover)機制至關重要。

資料來源：ATIS(2019)

資料來源：ATIS(2019)

資料來源：ATIS(2019)

資料來源：ATIS(2019)

1. (2)變型再生衛星網路之系統架構、QoS傳輸與空中介面規範
   如圖9所示，變型再生衛星網路中，UE和衛星間服務鏈路上的衛星無線介面為NR Uu，NTN和衛星間的饋線鏈路為SRI，再生通訊酬載還提供ISL。衛星地面站變成一個傳輸網路層節點，支援所有的通訊協定。在此架構下的QoS傳輸細節如圖10所示，其空中介面規範如圖11的用戶面通訊協定堆疊與圖12的控制面通訊協定堆疊。

資料來源：ATIS(2019)

資料來源：ATIS(2019)

資料來源：ATIS(2019)

資料來源：ATIS(2019)

三、 國內外衛星網路應用方向

我國因位於歐亞板塊及菲律賓海板塊交界處，地震發生頻繁，對國際通訊所倚賴之海纜傳輸路由也曾因此中斷，亦或如馬祖地區對臺灣本島的海纜亦時有斷纜情形發生，故此對國內通訊影響甚鉅。且每年6月至10月常有颱風侵襲及熱帶氣旋帶來豪雨等天然災害，使得部分地區可能因為電力或固網傳輸中斷造成行動通訊全面中斷，導致出現區域性通訊對外全部中斷，例如屏東縣滿州鄉及蘭嶼鄉行動通訊因天災中斷。另外也因所處地理環境、國際經貿及政治情勢等特殊因素，尤其需要對可能造成的衝擊嚴加防範，為可能發生的災變做好準備。

在烏俄戰爭發生後，衛星通訊的重要性逐漸被國際所重視，烏克蘭使用太空探索科技公司(SpaceX)的星鏈(Starlink)衛星網路服務，但臺灣因為法規面的考量及國安的風險，目前優先考慮其他家衛星服務，例如英國OneWeb及盧森堡環球衛星公司SES S.A.所提供的中軌衛星連接服務。由於本文在前一小節已說明國際衛星網路通訊技術發展情形，故本小節茲就國內外衛星通訊網路應用案例，分別研析國外偏遠地區建置低軌衛星網路案例，以及國內建置低軌衛星網路案例。

(一)國外衛星網路應用案例

1. 案例背景
   英國倫迪島(Lundy Island)距離北德文郡(North Devon)海岸19公里，長期以來皆受到網路連線不穩定之困擾。英國電信(British Telecom, BT)和OneWeb已成功為北德文郡帶來超高速、低延遲的網際網路服務，這意味著該通訊技術可為偏遠地區提供穩定網路連線，並邁向一個重要的里程碑。
2. 應用目標
   除了倫迪島之外，英國電信預計在西元2028年以前，將透過OneWeb低軌衛星在整個英國提供超高速及廣連接的關鍵基礎建設與應用服務。該應用不僅支援偏遠地區，還包括生態旅遊、搜救行動與慶典用短期設置等項目。
3. 系統架構圖
   衛星鏈路係透過在島上部署Intellian雙拋物面接收天線來完成連線。此種室外型衛星天線系統與OneWeb的衛星星鏈相連，該星鏈由630多顆LEO衛星組成，這些衛星的軌道距離地球表面僅1，200公里。即使在最偏遠的位置，LEO衛星也能提供超高速與低延遲的服務。此外，島上的室內衛星數據機亦可實現雙向資料連接，從而完成完整的通訊鏈路。如圖13所示，資料傳輸過程從倫迪島的使用者終端(UserTerminal, UT)開始，透過LEO衛星將資料傳送到衛星網路落地站(Satellite Network Portal, SNP)。數據從SNP透過OneWeb外網回傳，並傳遞給BT位於倫敦的接入點(Points of Presence, PoP)之一。一旦進入PoP，資料可能會被回傳，或者被傳送到BT的21世紀網路(21st Century Network, 21CN)。

資料來源：OneWeb(2019)

4. 應用效益
   該計畫目的為提供偏遠地區高速網路服務，透過與OneWeb和BT合作，該島現在將可以從衛星通訊服務獲得超高速與高可靠性之連線品質，這不僅為該地居民帶來新的機會，而且還能支援生態旅遊、搜救行動與慶典用短期設置等項目。該服務不僅將對島上居民帶來革命性的影響，亦展現衛星通訊效益的重要里程碑，此類解決方案對於英國及其偏遠地區建置關鍵基礎設施，將發揮關鍵作用。

(二)我國衛星網路應用案例1

1. 案例背景
   鑑於馬祖重要聯外海纜之臺馬海纜屢遭漁船勾斷，全島網路訊號陷入困境事件頻傳，為提升我國偏遠離島通訊網路之強韌性及可用性，使用衛星網路特性建立遠距無線網路。
2. 應用目標
   為協助強化我國本島、離島及偏鄉於緊急情況時的應變通訊能力，於馬祖進行非同步衛星系統暨備援網路的先期研究。
3. 系統架構圖
   此項於馬祖南竿進行之衛星連線測試研究，研究內容包含了非同步軌道通訊衛星在進行視訊會議、網路電話、直播系統等應用時，其順暢度及衛星通訊鏈路的穩定性，期間也針對衛星通訊網路在馬祖地區的訊號涵蓋、傳輸速率、延遲與穩定度等效能指標進行測試，做為後續政府建置衛星通訊應變網路的參考。
   以租賃非同步衛星系統服務方式並運送到馬祖南竿進行備援網路的先期研究，展開為期一個月的測試。架設地點經過中華電信實地會勘後，以連江縣南竿鄉的中華電信機房戶外做為衛星接收天線的架設基地，配合國內代理商的技術人員，首次於離島地區架設衛星接收天線，並實際進行衛星鏈路的角度調校，成功連線衛星服務，如圖14所示。主要透過以衛星數據電路做為基地臺連接到核心網路的路由、Wi-Fi結合衛星鏈路上網際網路服務，以及海纜對國際網路的替代路由等面向，進行研究的試作或實驗。

資料來源：本文彙整編製(2024)

4. 應用效益
   馬祖地區基地臺原先是透過海纜回到臺灣的海纜登陸站後，再透過陸纜系統連回到電信業者核心機房內，這條路由若因故斷纜，則馬祖地區行動基地臺將無法提供通訊服務，各種便利性將大幅降低，造成諸多不便。衛星電路因為屬於無線通訊的一環，比較不容易受到人為破壞，以往業者在馬祖地區的備援路由均以微波為主，近年來衛星通訊的迅速發展，也提供多一種備援路由的選擇。針對衛星通訊網路在馬祖的訊號涵蓋、傳輸速率、延遲與穩定度等效能指標進行相關測試，未來也會結合5G網路的驗證，以期在人為或天然災害發生緊急狀況時，可充分發揮通訊備援的功能。
5. 申設情形
   民國112年3月21日由通傳會核准技術實驗研發專用電信網路設置，該計畫設置目的為以離島非同步衛星網路暨備援網路先期研究驗證相關網路。

(三)我國衛星網路應用案例2

1. 案例背景
   本案例透過Eutelsat取得OneWeb衛星服務，Eutelsat屬於傳統的衛星通訊業者，提供地球靜止軌道衛星(Geosynchronous Equatorial Orbit, GEO)的通訊能力，而Eutelsat與OneWeb兩家企業合併後的Eutelsat Group，具有Eutelsat的37顆靜止軌道衛星與One Web超過600顆低軌道衛星，在軌道上運行並提供全球服務，Eutelsat Group將成為第一家提供整合性解決方案的多軌道衛星運營商，結合GEO提供特定區域更多容量，並結合LEO衛星群提供低延遲通訊服務品質。
2. 應用目標
   
   1. (1)使用OneWeb低軌衛星，做為本案例強化攜帶型5G專網之基地臺回傳路由(5G Backhaul)之概念性驗證。
   2. (2)使用OneWeb低軌衛星，做為本案例提供企業衛星寬頻上網連線之概念性驗證。
3. 系統架構圖
   本案例使用OneWeb衛星終端產品，做為實驗網路設備以強化網路穩定度，衛星終端配置有兩臺相同終端設備，並設定成主備援之相互支援模式，終端與衛星連接狀態之資訊將同步至備援設備。當主設備無法正常運作時，備援設備將接續作業，以達成網路高穩定度之要求。本實驗網路通訊方式，採用衛星終端設備及3GPP Rel-17規範之攜帶型5G專網設備，其主要網路設備分為衛星終端設備、攜帶型5G專網設備及行動接取網路設備等。驗證「攜帶型5G專網+NGSO Backhaul」、攜帶型衛星站、單天線衛星地面站及攜帶型WiFi衛星站功能等，系統架構圖詳見圖15至圖18。
   其衛星傳輸鏈路採用單路單載波(SingleChannel Per Carrier, SCPC)技術，即分頻多工( Frequency Division Multiple Access, FDMA)的一種，在有限的頻寬切成每個等寬頻帶的通道，從衛星通訊的角度而言，SCPC指在每個通道傳送語音或數據訊號，提供安全、高速固定帶寬衛星連接。利用兩個載波實現地面站的接收和發射，從而在UT和SNP實現點對點通訊。另一方面透過部署專用基地臺及專用多接取邊緣運算架構(Multi-access Edge Computing, MEC)連接至中華電信之核心網路，透過專用MEC進行訊務本地卸載至企業端網路。

資料來源：中華電信股份有限公司

資料來源：中華電信股份有限公司

資料來源：中華電信股份有限公司

資料來源：中華電信股份有限公司

4. 應用效益
   本案例之驗證結果將可做為後續衛星商用服務之參考，其應用如能實現將可提供我國偏鄉、離島、高山、大海等地面網路不易或無法涵蓋地區的寬頻上網服務，並縮短數位落差與實現數位平權；同時補足在戰時或須應變時地面網路或海底電纜突發性癱瘓之通訊困境，亦可與現有非同步軌道或同步軌道衛星網路互補，提供多元化的數位韌性網路解決方案。
5. 申設情形
   112年7月21日由通傳會核准技術實驗研發專用電信網路設置，該計畫設置目的為進行低軌衛星網路測試驗證。

四、結語

在現行衛星技術發展趨勢方面，全球衛星網路對於同步軌道與中軌道衛星已行之有年，近年來為彌補既有衛星涵蓋不足的問題，各國相繼發展低軌衛星通訊技術與相關設備，我國亦致力於跟上國際的腳步，無論是實驗室或是於室外進行實證，各家業者無不爭相發展，本文建議未來我國在發展低軌衛星時，除低軌衛星本身設備的連通性外，建議亦可以關注不同軌道衛星間資訊傳遞之情形，以及資料落地之情形。

在國內外衛星網路應用案例方面，衛星通訊主要做為戰亂時的通訊備援，或是偏遠地區的地面訊號涵蓋不足使用，惟我國因現階段尚未建置衛星SNP，故在使用衛星網路做為傳輸時，尚須倚賴日本、澳洲及泰國等地之SNP，再透過國際海纜回到臺灣本島，時間延遲性將受到影響，建議可由政府協調或由第三方投資，於我國建置SNP，直接在臺灣落地，將可改善時間延遲問題。

(本文作者為財團法人電信技術中心管理師、副工程師、高級工程師、副主任)