低軌道通訊衛星(LEO)將無線訊號的涵蓋延伸，讓全球行動通訊進入3D時代，隨著衛星發射技術更趨成熟，維運成本大幅降低，衛星通訊黃金成長期來敲門。根據產業研究機構TrendForce數據預估，2022年全球衛星市場產值將達2,950億美元，年成長3.3%，未來產業鏈產值不亞於半導體，為台灣資通訊產業帶來另一個轉型升級的良機。隨著低軌衛星通訊產業話題的發燒，未來幾年衛星產業將迎接高度成長期，帶給市場無限美好的想像。
衛星通訊的「太空財」不再遙不可及。然而，航太等級的通訊衛星，關鍵零組件品質、驗證與地面裝置大相逕庭，商業模式如何與已經成熟的行動通訊業務相輔相成，都是未來幾年關鍵發展期的挑戰。本活動探討衛星通訊技術發展動態，全球衛星通訊產業鏈概況，台灣可以扮演什麼角色？應該如何切入此一火熱的話題，並卡位關鍵商機。
5G衛星整合系統之網路架構
資料來源：3GPP，MIC整理(01/2022)
太空元件取得飛行履歷為關鍵
近年來，每年發射的人造衛星數量持續成長，為降低成本亦朝小型化與標準化方向發展，低軌道通訊衛星成為近年大勢。中央大學太空科學與工程學系教授張起維(圖1)表示，低軌通訊衛星因距離地表較近，具有低傳輸延遲性、低傳輸能量等優勢，且加上衛星通訊興起，衛星需求量大，低軌通訊衛星技術門檻、成本相較高度在3.6萬公里的同步軌道衛星容易。
圖1 中央大學太空科學與工程學系教授張起維表示，飛行履歷是確保低軌通訊衛星與次系統元件是否達到升空且能執行任務的關鍵
張起維說明，由多個次系統與元件組裝而成的低軌通訊衛星，雖在高度2,000公里以下執行任務，但大部分時間無人操作監控，運作時須具備自主運作執行任務能力，並能克服惡劣的太空環境，因此，各類系統架構需達到嚴苛的規格，是衛星升空的先決條件。
現階段若要確保低軌通訊衛星與次系統元件是否達到升空且能執行任務，可藉由飛行履歷(Flight Heritage)代表元件或模組過去已搭載於相關衛星系統並順利運作完成任務，而透過美國國家航空暨太空總署的技術完備等級(Technological Readiness Level, TRL)所分的九個等級，從第一級別通過任務系統至第九級別的實際任務證明，是目前許多太空系統遵循的飛行規範。
各類的系統服務還須要做任務定義，包含通訊頻帶與配置、軌道高度與衛星數量，以及重量、尺寸、運作年限等，對此複雜的太空系統架構，提供一條龍服務極為重要，包含衛星設計、資料分析，還有後續軟硬體設置。
5G非地面網路技術與應用趨勢
B5G/6G逐步發展，帶動非地面網路通訊系統技術演進。資策會(MIC)產業分析師曾巧靈(圖2)表示，3GPP為達成陸、海、空立體空間下無縫聯網體驗之願景，自Release 15起進行5G整合非地面網路標準制定工作，預計Release 17將可完成部分制定。而在3GPP標準下，衛星通訊主要作為行動網路之補充與延伸，主要應用範疇包含服務擴展、網路延續及服務無所不在。
圖2 資策會產業分析師曾巧靈指出，衛星通訊主要應用包含語音及窄頻傳輸、衛星寬頻及衛星物聯網等
未來在5G架構下，衛星可直接或間接提供用戶終端5G連結，並因應傳輸需求具備不同程度之5G基地台功能。曾巧靈指出，目前3GPP考量之5G衛星通訊使用之頻段，包含2GHz以下中低頻及20GHz以上等毫米波頻段，中低頻段可用於接取網路之布建場景，而毫米波主要應用於回傳網路。
利用衛星通訊系統「廣覆蓋」優勢，可提供大範圍多播服務或卸載行動通訊流量。曾巧靈表示，衛星通訊主要應用包含語音及窄頻傳輸、衛星寬頻及衛星物聯網等，其中衛星寬頻為近期低軌衛星業者重點布局之應用領域，可提供消費者、企業及車機船等目標市場寬頻連線服務。
曾巧靈說，針對物聯網可藉由衛星通訊系統廣覆蓋優勢，滿足更多垂直應用之傳輸需求；長期而言，在3GPP標準工作進行下，已有許多業者投入5G行動通訊整合發展服務研發測試，未來是否可成為衛星通訊主流標準應持續觀察。
低軌道衛星太空元件驗證
隨著衛星發射技術日趨成熟，也掀起低軌衛星通訊熱潮，但電子元件必須在發射過程中撐過振動並克服溫度、輻射等太空環境挑戰，因此元件、模組須要精準的模擬、測試與分析，才能確保衛星元件升空之後仍能自主運作。
衛星在完成組裝後，會經歷各種太空環境測試，以確認可以通過嚴苛的發射環境，並且在高低溫變化劇烈且真空的環境中正常工作。宜特科技技術副理吳欣怡(圖3)表示，這些測試包含了振動測試、音震測試、太陽能板展開測試、熱真空測試、電磁相容性測試、質量特性量測等。
圖3 宜特科技技術副理吳欣怡分析，衛星會經歷太空環境測試，確認可通過嚴苛的發射環境，並在高低溫變化劇烈且真空中工作
吳欣怡解釋，電磁相容(EMC)測試是在量測衛星內部各個次系統之間，是否有電磁干擾的現象產生。量測過程是將衛星置於全電波暗室內，分別利用天線和探棒來進行輻射(Radiated)測試與傳導(Conducted)測試，以了解衛星在正常運作時，本身所產生的電磁場響應，以及衛星所能承受電磁波干擾的極限。
衛星在太空環境下，須面臨來自宇宙射線、太陽事件與輻射帶的太空輻射，這些來源含有各種高能量的粒子如質子與離子等，太空輻射會與衛星上的電子元件或材料相互作用，引發所謂太空輻射效應。吳欣怡說，這些效應會對衛星產生重大不良的影響，造成衛星電子元件劣化、暫時或永久的功能異常，因此電子元件輻射驗測須要彙整衛星任務，輻射源、劑量計算及量測，以及輻射安全防護等各種專業與實務，也形成業者跨入的門檻。
低軌通訊衛星系統規劃嚴謹
衛星因為要發射到太空中運作，運作環境不如地面，條件惡劣，所以在衛星正式發射升空之前，必須要完成嚴謹的計畫流程，工研院資通所視訊處理與遠距通訊技術組長梁庭榕(圖4)表示，台灣已計畫要發射低軌道通訊衛星，目前計畫2025與2026年各發射一顆，按照歐、美航太單位的規範，需要完成任務定義(Mission Definition Review)、系統需求定義(System Design Review)、系統初步設計(Preliminary Design Review)、系統關鍵設計(Critical Design Review)等標準系統工程的流程，並進行很多測試。
圖4 工研院資通所視訊處理與遠距通訊技術組長梁庭榕說明，衛星運作環境不如地面，在升空前須完成嚴謹的計畫流程
另外，除了進行計畫流程之外，系統開發如通訊酬載與地面通訊系統，都需要經過EBB(Embedded Bearer Board)、工程模型(Engineering model)、工程認證模型(Engineering Qualified Model, EQM)、飛行模型(Flying Model, FM)等嚴謹的系統開發階段，確保研發成果可以應付太空環境與運作需求。
低軌通訊衛星服務儘管已經有類似Starlink這類服務已經上路，其實在技術層面還是存在不少挑戰，梁庭榕指出，太空環境條件與地面大不相同，輻射、機構、散熱、組裝、供電系統等設計都更加困難，通訊軟體設計與開發需要高可靠度、高效能與低功率消耗；可以適應太空環境運行的半導體元件也非常重要，還有火箭的發射與太陽能板的設計。相較之下，地面設備也有部分技術要件需要滿足，包括波束追蹤(Beam Tracking)、都卜勒效應(Doppler Effect)、相位陣列天線與晶片的成本降低，還有衛星星網的維運都相當重要。
另外，低軌通訊衛星系統的營運有許多部分需要考慮，梁庭榕說，基本的前提包括應用需求與衛星動態系統架構等，主要系統功能的部分，就包含應用支援與其他主要系統功能，與衛星動態組合起來就成為營運模式，同時也會透過營運的需要進行許多功能測試，檢視系統的功能有沒有辦法滿足應用需求。
衛星元件電路設計門檻高
在設計通訊系統時，最初也最重要的步驟就是計算鏈路預算(Link Budget)。耀登科技技術整合部經理許永泰(圖5)解釋，鏈路預算是在一個通訊系統中對發射端、通訊鏈路、傳播環境(大氣、同軸電纜、波導、光纖等)和接收端中所有的增益和衰減的核算。通常用來估算訊號能成功從發射端傳送到接收端之間的最遠距離。
圖5 耀登科技技術整合部經理許永泰說，鏈路預算通常用來估算訊號能成功從發射端傳送到接收端之間的最遠距離
在晶片系統的設計上，許永泰進一步說明，多路相控整合晶片設計，需整合多個射頻前端電路與數位控制單元，除了布局本身須注意隔離度問題，每一射頻電路都有其重要指標。包括功率放大器(Power Amplifier, AP)、低雜訊放大器(Low Noise Amplifier, LNA)、收發切換開關(T/R Switch)、相移器(Phase Shifter)、可變增益放大器(Variable Gain Amplifier)或衰減器(Attenuator)等，整體而言，毫米波前端相控晶片需緊密與天線單元結合，其設計須搭配整體系統，針對整合、散熱與功耗深入考量。
在元件材料部分，過去習慣採用的砷化鎵(GaAs)和矽的溫度、頻率、功率已達極限，當溫度過高時，這兩類材料的運作效率不佳，因此具備寬能隙特性的化合物半導體如氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)逐漸被市場重視，其中GaN具備高頻、高功率、大頻寬、低功耗與小尺寸特性，未來高頻通訊元件採用GaN將越來越普遍，包括NXP、ADI、Renesas、TI、ST等大廠近年都積極布局化合物半導體技術。
製程部分，許永泰說明，雙極互補式金氧半場效電晶體(BiCMOS)技術，是將兩種不同製程的技術優勢整合在一顆晶片上，雙極晶體管開關速度快、增益高，此優勢適合應用於高頻類比元件；相較之下，CMOS擅長建構簡單的低功耗邏輯閘。另外，BiCMOS HBT的截止頻率遠高於CMOS，因此想要達到相同頻率，CMOS必須使用更先進的製程，導致晶片整體性能下降，成本提升。
相位陣列主動式天線成趨勢
低軌通訊衛星距離地面約100~2,000公里的高度，遠低於中軌與同步衛星，平均大概1.5小時就繞地球一圈，與地面的相對速度相當快，所以地面站欲接收衛星訊號不能採用傳統機械天線，需要採用電子掃描的方式。
未來三年，天空上將會非常熱鬧，Anokiwave業務總監張肇強(圖6)提到，幾個主要的衛星通訊營運商都有大規模布建計畫，Amazon的Kuiper計畫發射3,236顆低軌衛星，進度最快的SpaceX Starlink已經發射1,740顆衛星，低軌衛星數量預計會達到2.6萬顆，Telesat計畫2022年開始發射低軌衛星，Oneweb已經布建368顆衛星；另外，許多亞洲與歐洲的國家也計畫發射低軌通訊衛星，而為了接收衛星的訊號，全球地面站的數量將達數百萬之譜。 而低軌衛星的星座構型也是影響網路服務與效能的關鍵，不僅決定系統能力，也影響終端與衛星成本。主要的構型有兩種，「低軌低密度」構型架構簡單，但要平衡共性和個性需求，一般只有一到兩層衛星，衛星數量約72~500顆之間；而「低軌高密度」構型，需根據業務特性、目標定位設計星座高度、星座層級等。張肇強說，以Starlink為例，其構型為低高度、多層不規則星座，共設計了八層網路，每層數百到數千顆衛星，以強化網路效能。
圖6 Anokiwave業務總監張肇強解釋，由於低軌衛星與地面站的通訊依靠電子掃描，使用相位陣列主動式天線成為趨勢
也由於低軌衛星與地面站的通訊依靠電子掃描，因此使用相位陣列主動式天線(Phased Array Active Antenna)成為趨勢，相位陣列希望在更小的單位面積中放入更多天線單元，加上許多衛星服務系統採用毫米波頻段，因此使用矽CMOS製程的電路設計較容易實現。不過，其也帶來許多挑戰，張肇強表示，採用先進製程的主動天線電路設計複雜、難度高；同時，大型天線也需要搭配大量波束轉向(Beam Sterring)晶片；主動陣列天線接收單元提升，功耗也持續提升；主動陣列天線需要校正，困難度也不低；且系統成本相對較高。
訊號驗證確保系統效能與穩定性
低軌衛星由於使用電子掃描，所以在裝置、系統、網路上都將帶來技術挑戰，透過測試驗證，可以確保系統的效能與穩定性。R&S應用支援部經理陳飛宇表示，波束轉向驗證、訊號與連接、通訊協定、衛星定位、網路模擬都是測試重點。主要測項包括：元件時間延遲、輸出/輸入訊號轉換、雜訊功率比(Noise Power Ratio)、雜散(Spurious)、相位雜訊(Phase Noise)、寬頻、誤碼率、干擾等。
由於每個衛星通訊系統的投資都是相當昂貴的，因此如果出現效能不佳或互相干擾的時候，就是一個重大的損失與浪費，所以需要透過完整的量測避免相關的狀況產生。另外，未來衛星通訊廠商將大量發射衛星到天空中，因此相鄰的衛星可能因為距離過近，產生相互的干擾，透過雜散量測，可以降低衛星的干擾現象。
另外，由於低軌通訊衛星發展剛起步，許多技術與規範都還在發展中，量測的項目與時間都相對複雜與繁瑣，陳飛宇說，透過量測儀器與方法的協助，可以有效降低量測複雜度與量測所需時間，協助衛星通訊廠商快速掌握技術特性與改善方案。