衛星物聯網技術/應用面面觀(1)

衛星物聯網(IoT)通訊很可能成為IoT領域的下一個遊戲規則改變者。長期以來，此技術一直被視為可與現今的蜂巢式IoT網路互補，以作為蜂巢式技術的備用解決方案，並增強遠端和關鍵應用的韌性。現在，隨著新的基礎建設、專有無線通訊標準和創新的接收器硬體快速進展，衛星IoT非地面網路(NTN)解決方案的成本將有望降低，覆蓋範圍也隨之擴大。

衛星和地面網路彼此互補

衛星IoT連接可作為地面蜂巢式和非蜂巢式網路的補充解決方案，特別是在一些偏遠地區，傳統連網技術會受到部署不易的限制。事實上，目前地球表面只有約10%的區域可使用地面連網服務。這為衛星IoT通訊帶來了龐大商機，包括農業、資產追蹤、海上和複合運輸、石油和天然氣勘探、公用事業、建築和政府等領域的應用，都將獲益於此技術。有鑑於此，既有衛星營運商和許多新倡議都對衛星IoT市場躍躍欲試，競相利用其潛能來拓展商機。

連網裝置的數量快速成長，帶來前所未有的流量。因此，把衛星和地面網路視為電信產業中各自獨立的生態系統的傳統觀點亦逐漸消失。現今的衛星通訊網路利用多種星載平台(Spaceborne Platform)，包括低軌道(LEO)衛星、中軌道(MEO)衛星和地球同步軌道(GEO)衛星(圖1)。

LEO衛星網路預計將在未來的整合網路中扮演重要角色，提供通用的網際網路和通訊服務。這也是為什麼近來業界對於利用OneWeb、Lightspeed、Starlink和Kuiper等LEO衛星系統提供寬頻服務，展現出強烈興趣。

3GPP非地面網路倡議

為了因應人們對衛星通訊日益成長的需求，蜂巢式通訊標準組織3GPP修訂了5G新無線電(NR)、窄頻IoT(NB-IoT)和機器類型通訊LTE(LTE-M)標準，以提供衛星連接技術，分別稱為NR-NTN和IoT-NTN。繼初期以研究項目(Study Item)公布之後，這些技術已獲得增強，並將規範性工作納入其中。

由於NTN規範直到2022年才最終確定，還需要一段時間才能建構完整的生態系統，因此衛星供應商在為全球部署做好準備之前，還有很長的一段路要走，其中包括確保在多個國家取得許可權，並與蜂巢式行動網路業者(MNO)簽訂全面的漫遊協議等工作。

如何建置基於3GPP NTN的衛星IoT通訊？

迄今為止，3GPP非地面網路(NTN)的關注重點是為消費者提供衛星通訊服務。這項工作包括支援各種衛星星系，特別是高度600公里以上的LEO衛星和GEO衛星。

要實現以3GPP NTN架構為基礎的衛星通訊系統，有兩種架構可用。一般情況下，衛星無線電的酬載(Payload)將透過衛星地面基地台或閘道器(Gateway)連接至核心網路，稱為饋線鏈路(Feeder Link)。接著，衛星再透過服務鏈路(Service Link)向使用者設備(UE)提供通訊服務。

圖2展示了3GPP Rel 17中規範的透明式(Transparent)非地面網路架構，但其演算法和增強功能亦被設計為能夠支援以下描述的再生式(Regenerative)架構。

• 透明式架構：在透明式架構中，基地台(gNodeB或gNB)置於地面，並位於閘道器後方，而衛星主要擔任中繼器(Repeater)的角色。衛星負責進行頻率轉換、放大和波束管理等射頻(RF)處理任務，但不具備執行全面處理功能的能力。
• 再生式架構：在再生式架構中，衛星包含完整的gNB或gNB的某些元件，例如無線電單元。這使得衛星具備解碼和處理封包的能力。在此配置中，連接衛星和地面的饋線鏈路類似於地面網路的前傳/回傳(Fronthaul/Backhaul)，並且不一定採用NR技術。由於再生式架構具有支援衛星間鏈路的能力，可提供更大的靈活性、更佳的效能和全球覆蓋範圍(圖3)。

使用地球固定波束減少越區切換

現代衛星系統通常將服務區域劃分為許多稱為點波束(Spot Beam)的子區域，這些子區域由單獨的波束來提供服務。每一個區域都對應一個行動通訊基地台(cell)，其範圍可橫跨數十甚至數百公里。當波束相對於衛星固定時，它們會掃過地球表面，而產生頻繁的移動事件，例如行動基地台之間的越區切換(Handover)，即使對固定使用者設備也是如此。

或者，衛星上的波束轉向機制可以在較長時間內將波束指向地表的特定區域。此方式稱為地球固定波束(Earth-fixed Beam)，透過讓裝置在同一波束和基地台內保留幾分鐘，減少頻繁的越區切換。

雖然3GPP Rel 17支援上述兩種方案，但地球固定波束的概念具備了能夠最小化基地台間頻繁越區切換的優勢。

衛星物聯網技術/應用面面觀(1)

衛星物聯網技術/應用面面觀(2)