由低軌LEO構成的衛星寬頻網路可向農村、偏遠以及服務不足地區的人口發送寬頻訊號，為數百萬人提供聯網服務，消滅數位鴻溝，進而改善教育、醫療條件，甚至刺激經濟成長，遂成為各界關注和資本投資的焦點。
想像一下，數千顆低軌(LEO)衛星構成巨型衛星星座覆蓋地球，向農村、偏遠以及服務不足地區的人口發送寬頻訊號。從尼泊爾山區到非洲平原，高速可靠的衛星寬頻連線為數百萬人提供或改善數位存取服務。
目前，此類網路的定價結構對大多數農村人口而言過於昂貴，並且衛星寬頻僅限於地面解決方案難以實現的少數市場。儘管該技術仍存在許多不確定性，但成本將隨著技術進步和規模經濟而持續變化，如果衛星星座供應商能夠提供有競爭力的定價，則消費者需求或將隨之飆升，而LEO正可以為全球提供衛星寬頻連線。
LEO滿足偏遠地區聯網需求
雖然電纜、光纖和5G行動裝置確實推動了全球新一代數位基礎設施的發展，但從長遠來看，LEO衛星星座全面投入運作後，預計將在支援全球連接生態系統方面發揮關鍵作用。LEO可望刺激經濟成長，改善教育和醫療條件，並協助彌平數位鴻溝。
LEO將把高速互聯網存取擴展至內陸發展中國家，以及難以抵達的偏遠及農村地區。島嶼國家可透過衛星存取寬頻互聯網，進而節省建造承載國際通訊的海底電纜系統的巨額成本(圖1)。此外，衛星能夠為5G行動通訊網路提供骨幹連接，同時為亟需服務的使用者提供關鍵通訊存取。
圖1 LEO將在全球網路聯網中扮演重要角色，可望消除數位落差
偏遠地區建置LEO，政府補貼/新商業模式需齊頭並進
在人口稠密的城市環境中為數百萬客戶提供寬頻互聯網，這是一項利潤豐厚的業務。然而，建造並維護針對人口稀少地區的地面擴張專案卻代價高昂，其投資回報往往難以抵消成本。因此，農村及偏遠地區的地面建設可能會滯後數年，甚至長達數十年。
無論採用何種技術，其過程均涉及建構並營運核心網路的基礎設施成本、持續性客戶設備成本，以及客戶的經常性使用者成本。地方、州省及國家提供資助計畫，能夠協助承擔部分地面基礎設施的成本和服務計畫。美國聯邦傳播委員會(FCC)的平價上網計畫、美國農業部(USDA)的ReConnect農村寬頻計畫以及美國兩黨基礎設施法案，為各州營運商提供了數十億美元基礎設施擴建資金，並為低收入家庭提供了補貼計畫。但地面建設計畫的規模和範圍有限，需要另尋更加全面的解決方案。
如今，低軌(LEO)衛星是各界關注和資本投資的焦點。多達12,000顆LEO衛星構成巨型衛星星座，目前正處於早期部署階段。麥肯錫(McKinsey)於2020年商業航太產業分析中指出，如果目前的衛星互聯網提案成為現實，則十年內在軌衛星將達到約50,000顆(圖2)。
圖2 90%的地球衛星屬於LEO
不過，LEO衛星星座需要由數百或數千顆衛星構成的龐大網路實現穩定的全球覆蓋(圖3)，而衛星星座重點針對的農村及偏遠地區，這些地區通常無力承擔衛星天線設備和數據計畫的成本。因此政府計畫與補貼以及新型商業模式勢在必行，需要所有參與者遵循相關標準開展深入合作，並採用可交互操作的開放架構。
圖3 需要上百、上千顆衛星才能構成龐大的網路，覆蓋至偏遠地區
不僅如此，過去商業航太業務主要為低批量、政府資助的一次性項目，而如今正轉變為部署可重複使用火箭、經濟小巧LEO衛星的大型商用專案。該產業尋求適應性強且彈性的解決方案，此類方案需既具有成本效益，又能滿足快速成長的需求；參與者、相關營業、商業模式與政府計畫持續湧現，賦予商業航太生態系統充沛活力和競爭力。
目前推動商業航太衛星產業發展的市場因素包括遍及農村、偏遠及城市地區的全球覆蓋；彌平數位鴻溝的願景；更低的發射及地面站成本，更精巧、輕便、經濟的衛星等。在支援技術方面，則是涵蓋現代IC技術、先進的相位陣列功能，以及巨型衛星星座的發展等。
LEO成本下降得益於可重複使用火箭產線
設計、製造和標準化方面的進步對衛星產業產生了明顯影響，使衛星的部署更加快速彈性。然而，成本最終是否會下降至衛星寬頻連線趨於平價，則尚不明確。
不過，LEO衛星的發射數量正在迅速增加，而成本卻逐步下降。發射成本的下降，得益於垂直一體化的運載火箭生產線，此類生產線的可靠性、適應性與效率均有所提升。共用火箭「共享」模式、助推器重複使用以及低軌衛星部署協同助力降低成本，使得目前每顆衛星的發射費用僅需100萬美元(圖4)。
圖4 SpaceX重複使用「獵鷹9號(Falcon 9)」一級助推器，單次可將多達60顆LEO衛星送入太空
另外，對於高可靠性、耐輻射的半導體，其初始目的是在極端太空環境中使用數十年，其承擔的是美國國家航空航天局(NASA)的行星任務，搭載的則是高地球軌道GEO衛星。但之後LEO衛星市場放寬了相關要求，持續工作時間縮短為數年，低軌的輻射暴露水準也有所降低。
對此，ADI航空航太、防務和射頻產品經理Chris Chipman表示，如今，高量能商業航太市場無法承擔、且通常並不需要成本較高的「典型」元件。相關人員可選擇像是ADI的現成商用(COTS)元件，進而實現成本節約。
此舉的優勢包括先進技術、高水準整合和性能，以及卓越的尺寸、重量和功率規格(SWaP)；商用航太低軌道衛星(CSL)為在低輻射環境中運行、且需要更多保護的衛星星座提供了合適的測試和篩選服務。
LEO要普及，降低地面站成本是關鍵
地面站是全球網路的核心，衛星天線必須在距離地面站500英里以內的位置才能存取互聯網，因此需要廣泛的互聯網連接地面站網路。如今，業界正致力於為農村及偏遠地區服務不足的人口提供連接，因而降低所需地面站的成本或數量非常重要。
除此之外，部分LEO衛星具有雷射鏈路或光學跨衛星鏈技術(OISL)，能夠減少全球連接所需地面站的數量(圖5)。雷射鏈路分配通訊流量，並在衛星之間繞星座進行路由，而非在地面站和太空之間來回發送訊號。由此，路由訊號將直接發送至家用天線。
圖5 使用雷射鏈路減少所需地面站的數量
LEO有望創造更多經濟與社會發展機遇
2021年亞洲開發銀行的報告指出，據預期，在目前沒有光纖電纜的偏遠及農村地區，LEO衛星將明顯增加可用的互聯網頻寬。隨著頻寬的提升，投資於LEO衛星星座的民營企業將可發掘具備長期價值的市場機會，並將服務拓展至此類地區，進而為當地創造更多經濟與社會發展機遇。
最主要的原因在於，衛星網路可望將互聯網的覆蓋範圍擴大至傳統固定與行動網路無法企及之處，或地面技術就經濟而言難以實行的地方。且衛星寬頻能夠提供無處不在的連接，創造新穎的工作與生活方式，而無需受到電纜和光纖連接的限制。最終，衛星寬頻的服務水準可能會媲美光纖電纜的速度和延遲，實現未曾想像外的嶄新應用。
目前有十幾家初創公司計畫利用小型衛星(LEO)來實現物聯網(IoT)連接。據市調機構GSMA Intelligence預測，直至2025年，全球消費和工業物聯網連接總量將達到近250億。
然而，要實現此一願景，天基通訊網路必須與地面網路無縫整合，以盡可能提升雙方效率。在衛星地面站、服務提供者以及資料中心之間，部署空間通訊技術和地面有線基礎設施需要大量投資。
有鑑於衛星能夠改變通訊格局並弭平數位鴻溝，互聯網供應商、製造商以及各領域企業均應為未來做好準備，並研究如何充分利用新通訊前緣技術所帶來的機遇。
同時，隨著資料頻寬需求的增加，對於LEO衛星網路營運商而言，提供端對端性能的任務變得愈加複雜。產品快速上市和輕鬆整合優勢比以往更加重要。如今，衛星的電子內容呈指數級成長，為了實現雄心勃勃的新型設計解決方案，相關人士需做到精減尺寸、減輕重量，並降低功耗和成本(圖6)。
圖6 發展LEO需做到精減尺寸、減輕重量，並降低功耗和成本
對此，業者如ADI透過廣泛的產品系列，致力為商業航太衛星供應商提供簡化架構、加速設計以及優化半導體和整合子系統級所需的各項支援；像是為相位陣列天線提供從資料轉換器和收發器IC到射頻前端的完整訊號鏈，將協助客戶設計相位陣列天線解決方案，使小型元件以理想方式協同工作，降低SWaP並提高性能。
(本文作者為ADI無線通訊副總裁)