3D立體網路指日可待　B5G低軌道衛星無縫整合

非地面網路通訊系統技術，正在行動通訊標準組織3GPP進行研究報告制定階段，將衛星納入無線存取的一環，預計於2021年中，完成第一份5G非地面網路(Non-terrestrial Networks, NTN)技術規格。此版本將先著重在低軌道及同步軌道衛星成為5G基地台到5G終端的傳送途徑，與現有5G網路形成互補，將5G基地台難以覆蓋的區域，如高山、沙漠、海洋，或是因土地取得、回傳網路等因素導致無電信建置之區域，擴大實施納入通訊範圍內；達到B5G著重的「Ubiquitous Connectivity」，將「路、海、空、天」全地形、全空間立體覆蓋連接，提供無縫服務、進階IoT應用、緊急救災網路、廣播/群播服務。

本文將從衛星通訊與5G整合的發展現狀，分析衛星5G融合的相關技術及產業發展趨勢，包括：3GPP標準討論的系統架構、Air Interface設計、基於軟體定義網路(SDN)/網路功能虛擬化(NFV)的網路虛擬化部署以及技術解決方案討論等；同時對整合時可能存在的問題進行探討，並提出潛在的關鍵技術解決方案；最後提出未來衛星與5G相整合的應用場景。

NTN衛星通訊技術

3GPP標準現況

在3GPP TR38.811, TR22.822等文件中，討論了衛星通訊相關議題，包括NTN技術的技術特性、優勢及垂直應用等。相關文件及內容整理如表1、2所示。

衛星通訊導致之通訊問題

相比地面移動通訊網路，衛星通訊利用高、中、低軌衛星可實現廣域甚至全球覆蓋，可以為全球用戶提供無差別的通訊服務。然而在整合5G通訊與衛星中，將衍生下列相關問題，簡述說明如下：

1. LEO衛星覆蓋範圍隨時間與區域變化

基於600公里的LEO衛星的系統中，服務衛星或波束會以7.56km/s的速度高速移動，因此必須快速執行從一個波束到下一個波束，或從一個衛星到下一個衛星的切換過程，否則UE可能無法有效的使用目標波束或衛星資源，進而造成資料遺失。強化換手程序確保服務的連續性。

2. 傳播延遲

以600公里的LEO衛星高度，在90o衛星仰角處獲得的最小傳播延遲為2ms，在10o衛星仰角時增加到6.5ms，衛星通訊中的傳播延遲要比地面移動系統長得多。UE在進行初始存取前，會在物理隨機接入信道(PRACH)上發送隨機存取前導碼。gNB根據接收的隨機接入前導碼估計上行通道延遲，大傳播延遲會影響原來RACH的機制與參數設定，且為降低整體傳輸延遲，RACH的程序與步驟需進行評估與調整(圖1)。

3. 都卜勒效應

由於LEO衛星的高速移動，都卜勒效應在LEO系統中非常明顯。在600公里的高度，LEO衛星以7.56km/s的速度移動，最多可以在2GHz的載波頻率下產生大約48kHz的都卜勒頻移，為了避免因此效應造成正交分頻多工(OFDM)正交性的偏移，gNB需根據UE發送的隨機接取前導碼估計上行通道頻移，並且在隨機存取響應訊息中將頻率調整資訊提供給UE端以進行頻移補償，因此5G NR中的現有RACH程序需要進一步增強以實現上行通道頻率估計。

相關技術探討

基於上述原因，提出目前較多人討論之技術議題：Mobility Enhancement與Random Access相關考量及設計作法。

1. NTN移動性技術(NTN Mobility)

公眾行動電話網路(Public Land Mobile Network, PLMN)網路雖功能強大，仍是針對陸地設計之移動網路，因其需要在陸地上搭建基站並接收移動終端的無線訊號，在浩瀚無際的海洋中則無法發揮其作用，這時就要靠衛星通訊進行無線訊號的傳輸。

對於GEO NTN，移動管理程序需要特別留意較長的傳輸延遲(Large Propagation Delay)，特別是在無線連結管理上會需要特別的NTN相關配置(Configuration)。

對於LEO NTN，移動管理程序需要別加強考慮衛星移動軌道所造成的影響，例如量測的有效性(Measurement Validity)、終端裝置移動性、移動方向、快速變化且較長的傳輸延遲、動態變化的相鄰小區集合(Neighbor Cell Set)。

以小區為單位的移動性程序設計將能透過上層RRC訊號的交握來完成無縫移動換手程序。RRC如何來決定啟動換手程序，則可以從PLMN ID的設計與換手分析著手(圖2)。

在NTN傳輸系統中的延遲相較於既有通訊系統來得大，以GEO場景為例的RTT約為544ms；以LEO場景為例的RTT為28.4ms。總的來說，這些傳輸延遲可能來自於量測回報、換手請求/確認、換手命令的接收、基地台間Xn介面的傳送等等因素都將造成服務中斷時間成長。無線連結端基本的換手程序如圖3所示。 簡易運算服務中斷的時間至少為2.5RTTs(RTT+Switch to New Cell)；是以該技術主要困難點在於，現有5G NR要求換手的服務中斷時間為0ms，也就是說如何縮短NTN系統換手的服務中斷時間將是極大的挑戰。 

-GEO NTN：降低換手延遲，從1360ms(2.5 RTT)到0ms

-LEO NTN：降低換手延遲，從71ms(2.5 RTT)到0ms

考量到衛星的涵蓋範圍較大，因此一個小區衛星可能可以服務非常大量的終端裝置。特別是在LEO布建場景中，衛星可能在固定軌道上移動，造成大量終端裝置非必要且經常性的換手需求，這將造成大量的換手訊號負擔。而此負擔將取決於終端裝置密度、衛星移動速度等等情況而定。

現有的換手程序都是針對單一終端裝置所設計的。設計適用於NTN場景的換手程序將能有助於解決大量終端裝置同時間換手的需求。另一方面，後端閘道器也可能隨著衛星移動而更換，如何同時考量前端與後端的換手需求，來降低換手訊號負擔將是一大挑戰(圖4)。

2. NTN隨機存取技術(NTN Random Access)

・隨機存取容量(RACH Capacity)

較高的PRACH碰撞率會降低可服務用戶端的RACH容量。在蜂巢式系統中，隨機存取前導碼碰撞率通常保持在低至1%，以確保高品質的服務。由於空閒模式UE執行的隨機存取是透過競爭方式，此時不止一個UE可能選擇相同的前導碼並在相同的上行通道時槽上發送。如果發生碰撞，或者如果網路無法正確地檢測所使用的前導碼，則UE沒有接收到隨機存取響應訊息，並且需要重新發送另一個前導碼，進一步產生時間延遲。RACH容量可以藉由分析隨機存取資源出現頻率以及每次隨機存取配置多少前導碼來計算得出，得到此RACH容量大小後，可進一步藉由UE應用情境得知UE發動RACH的頻率以及波束覆蓋的面積大小，推導出單位面積可以容納的UE個數。

・下行通道時間同步

為了存取5G網路，UE必須檢測PSS和SSS同步訊號，同步訊號可用來作為時間和頻率校正以及Cell ID檢測。蜂巢式系統中的UE必須在-6dB的接收環境SNR下，以誤報機率(False Alarm)小於1%為條件來決定單次檢測成功率(TR38.802)。地面移動系統的UE對初始頻率偏移的容忍度需達5PPM(即需能克服10kHz頻率偏移在S頻段，100kHz頻率偏移在Ka頻段)。然而LEO衛星600公里的高度，以7.56km/s的速度移動，最多可以在2GHz的載波頻率下產生大約48kHz的都卜勒頻移，遠大於10kHz頻率偏移，因此衛星通訊的非地面架構下需額外進行頻率偏移補償。

全球衛星產業分析

以全球衛星產業產值預估2020年約2,937億美元，預估五年產值總成長8.3%，至2024年全球總衛星產值可望達3,181億美元。因應全球主要衛星營運商如SpaceX、OneWeb等申請布建低軌衛星(LEO)計畫，預估七年內需批次發射達申請之50%衛星數量，而在14年內完成100%衛星發射。因此，就2020~2024年間，綜合各次產業之產值與成長率等因素來看，以地面設備_非GNSS布建需求將有明顯成長(47.8%)。根據Frost&Sullivan統計，目前小型衛星接收設備逾7成是支援S-band與X-band的頻段，兩頻段主要以地球遙測通訊及電視廣播通訊為主；未來因應高速傳輸需求，將往Ka-band與Ku-band之地面設備成長布建需求，預期相關供應鏈商機成長(圖5)。

國內而言，「台揚」為國內受惠低軌道衛星商機程度最高的公司，營收約有80%來自衛星通訊相關產品，主要客戶為歐美電信營運商、衛星頻道業者、系統整合商。近期台揚積極與低軌道衛星營運商合作，開發通訊設備產品。「昇達科」為微波元件供應商，主要客戶包括電信設備商，如Ceragon、華為、Ericsson、NEC等。2018年開始切入衛星通訊市場，並打入多家知名廠商供應鏈，包括與台揚合作供貨OneWeb衛星通訊設備，並開始供貨美國G客戶南亞標案訂單，受惠新興市場4G LTE滲透率持續提高，低軌道衛星市場快速成長，以及5G基地台毫米波/微波通訊設備需求。「新復興」為微波通訊基板製造商，預估將受惠未來低軌道衛星建設商機。「太空中心」2020年發射福衛七號，6顆低軌道衛星，未來10年將持續發送10顆。並且成立太空產業發展協會，尋求台灣衛星發展出路。

另一方面，台灣產業於5G產品，從晶片、毫米波天線、手持式終端、智慧眼鏡、小型基地台、邊緣運算、8K+5G解決方案、資安解決方案及雲服務平台等，已建構出完整的端到端5G產業鏈。網通廠如中磊、啟碁等，5G相關產品陸續出貨，宏達電的5G行動智慧分享器(5G Hub)也已開始量產出貨。其他相關產業包含天線廠耀登、譁裕，射頻元件及模組廠昇達科、雷捷、穩懋，手機晶片廠聯發科，網通設備商中磊、明泰、合勤控、盟創、廣達、技嘉、研華、凌華、立端，產品測試商匯宏，以及電信運營商中華電、遠傳等。 

整體而言，台灣產業不論是在網通或是衛星產業，都已經奠定良好的利基，加入B5G非地面通訊技術，除跨領域整合外，更可提早布局B5G/6G產業供應鏈，帶動產業升級。

全球衛星未來發展情境

2017年衛星行業、電信運營商、高校等機構聯合成立了SaT5G(Satellite and Terrestrial Network for 5G)聯盟，正在通過一系列的研發和實驗摸索衛星通訊和5G無縫整合的最佳方案，並將在歐洲進行試用。2018年國際電信聯盟(ITU)成立了Network2030研究組，探索6G的網路需求，衛星地面網路融合是其中一個重要方向。2018年通訊標準化組織3GPP通過了NTN的解決方案和路線圖，涉及不同軌道或平台類型的衛星，為5G與衛星的融合發展鋪平了道路。一方面將促使衛星與地面網路融合合作，以便為5G服務提供所需的關鍵性能，例如全球覆蓋和移動性、服務普遍性以及整體網路可靠性和安全性；另一方面衛星可以從先進的5G能力中受益，透過3GPP標準的應用來降低終端開發、部署和運營成本，衛星網際網路在5G時代迎來了重大的戰略發展機遇期。新興衛星運營商如SpaceX、OneWeb和Telesat，計畫在未來幾年內大量發射衛星，向全球提供衛星通訊服務。其中，SpaceX已獲得FCC核准，發射低軌道衛星4,425顆、超低軌道衛星7,518顆，將在2027年以前完成部署；而獲得日本軟銀投資的OneWeb，也計畫在未來幾年發射2,720顆衛星，並在2022年開始提供衛星通訊服務。

現今行動通訊的環境已與過往大為不同，20年前全球手機的滲透率並不高，使用的人數有限，現今不僅人手一機，更是無時無刻都想上網傳訊息與照片；對於網路需求不只追求大頻寬，還要能夠服務物聯網，因此訊號必須低延遲，尤其像是機器人、車聯網所使用的網路訊號，必須達到無縫隙，因此需要衛星補足；而近年覆蓋地域愈廣的衛星，成本下降愈快，因此適合地面網路覆蓋不到或建設成本高昂的地區，例如沙漠、高山峻嶺，以及海洋、甚至於南北極、飛機上。原本2D的平面通訊網路，也會因為加入高空通訊而構成3D立體網路。

市場估計，目前全球商業化衛星數量約1,700~1,800顆，未來十年內將成長至1.7~1.8萬顆；而前端設備市場規模，將從2015年40億美元，成長至2020年70億美元、2026年250億美元，年複合成長率超過20%。

與低軌道衛星商機有關的台系廠商，包括低雜訊(LNB)/機上盒(STB)射頻晶片設計業者宏觀，微波元件業者昇達科，高頻微波通訊基板業者新復興、衛星通訊設備業者台揚等，皆可藉由NTN技術帶動產業升級，並打入下世代通訊之供應鏈(表3)。

NTN通訊技術應用場景

NTN技術整合衛星與5G通訊技術之優勢，衛星通訊覆蓋面大、部署快、不受地面情況影響，一直被視為特殊地理位置和特殊場合的唯一通訊手段。低軌道衛星因具備低資料傳輸延遲性、低傳輸耗能特點，可望作為光纖電纜網路的互補產品，以及結合5G通訊達到全區域性的訊號覆蓋率，適合大眾市場普及，成為當前產業發展的熱點。 

NTN行動通訊是2030年之前，全球網路化的必要技術。3GPP標準組織，在R15、R16成立NTN相關的研究項目，預計在R17(2020)年起，成為B5G的工作項目，相關NTN標準規格將在2021完成第一個版本，NTN將成為行動通訊的一員，預計2024年起，相關技術及基礎建設(Infrastructure)將趨於成熟。台灣在網路通訊有相當基礎，將可藉此切入相關產業鏈，但在非地面載具上面，可趁勢與前沿發展者同步(SpaceX、Amazon、 Thales、SES等)，將拓展原有台灣衛星供應鏈。

針對衛星與地面5G融合的問題，國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)提出了5G融合的多種應用場景，包括轉發器(Repeater)、小型基地台回程網路(Small Cell Mobile Backhaul)等，並提出支援這些場景必須考慮的關鍵因素，包括廣播(Broadcast)/群播(Multicast)、智慧路由器(Intelligent Routing)、動態快取(Dynamic Cache)及自適應流支持、Latency、服務品質(QoS)、NFV/SDN兼容，並考慮商業模式的靈活性等。 

以環境面而言，在土地無法取得或是地勢險峻區域，或是受限於Backhaul Link而無電信服務區域，NTN技術可以輕易克服此限制，不需再困難重重的架設實體網路線及基地台，即可為物聯網設備以及飛機、輪船、火車、汽車等移動載體用戶提供連續不間斷的網路連接，衛星與5G融合後，可以大幅度增強5G系統在這方面的服務能力。

此外站在社會民生福祉考量上，整合5G的衛星通訊，可以用在地面網路難以覆蓋的區域，提供偏鄉網路，並全面覆蓋飛機、遠洋船隻、偏遠山區等的通訊，保障國民基本通訊權益、落實照顧偏遠地區居民的基本通訊權益，不論居住於都市、鄉村、高山或離島，均得按合理價格公平享有一定品質之必要電信服務，符合國家資訊化社會之政策。衛星優越的廣播/多播能力可以為網路邊緣及用戶終端提供高效的數據分發服務。

以產業面而言，台灣在衛星通訊產業發展已久，過去大多聚焦在中軌道衛星及高軌道衛星零件供應鏈。不過隨低軌道衛星廠商發展快速，勢必需要快速轉型，以瞄準低軌道衛星未來商機。藉由NTN技術，衛星與5G融合帶動產業升級，並打入下世代通訊之供應鏈。

迎接衛星通訊時代B5G NTN促網通/衛星異業結合

衛星通訊已經是物聯網(IoT)和網際網路基礎架構的重要一環，未來，隨著5G行動通訊時代來臨以及物聯網不斷擴張，衛星必將扮演更重要的角色。儘管地面網路已足以有效應付尖峰承載，但當遇到災難或基礎架構損毀時，衛星就能扮演緊急救難的角色，因為衛星不受地面絕大部分事件的影響。所以在這個層面上，確保衛星安全將更為重要，而且也能支援更多計畫。

台灣在衛星通訊產業發展已久，過去大多聚焦在中軌道衛星及高軌道衛星，如啟碁、台揚、百一、兆赫、穩懋等，隨著低軌道衛星商機開始發酵，台揚、精測及昇達科已經投入相關產業鏈，另外還有新切入廠商如同欣電，亦看好低軌道衛星未來商機。

人造衛星因高軌道衛星起步較早，目前商轉衛星仍以高軌道衛星為主，以衛星直播電視的市場規模最大，台廠過去也大多是布局此供應鏈，但隨著衛星直播電視用戶受到OTT分食，供應鏈價格競爭嚴重，導致相關供應鏈產商近幾年的獲利表現普遍不佳。不過隨低軌道衛星廠商發展快速，今年已經陸續有衛星廠商成功發射低軌道衛星，為相關廠商以及新加入者帶來新的機會。

台灣產業於5G產品，從晶片、毫米波天線、手持式終端、智慧眼鏡、小型基地台、中繼站、邊緣運算、8K+5G解決方案、資安解決方案及雲服務平台等，已建構出完整的端到端5G產業鏈。因應B5G NTN帶來的供應鏈變化加值轉型，並促使網通與衛星業者異業結合，如纜線(Cable)業者，成為NTN之Fixed最後一哩(Last Mile)，創造新營運模式。

未來衛星通訊的商業模式可視為類似「漫遊」的概念，例如在國內使用中華電信的門號，到日本時，訊號變成NTT Docomo，打電話就是由NTT Docomo索取費用，中華電信分潤，因此，未來可能會是當人類到了高山、大海或偏遠處，就只連得到衛星網路訊號，藉由衛星通訊，提供等同地面5G通訊的服務，且不需另外租用衛星電話，即便聯網費用相對較高，但是為了便利性與安全，仍然有其需求。

NTN技術將促使衛星與地面網路融合，提供5G服務所需的關鍵性能，例如全球覆蓋和移動性、服務普遍性以及整體網路可靠性和安全性；另一方面，衛星可以從先進的5G能力中受益，藉由3GPP標準的應用來降低終端開發、部署和運營成本。台灣產業不論是在網通或是衛星產業，都已經奠定良好的利基，加入B5G非地面通訊技術，除跨領域整合外，更可提早布局B5G/6G產業供應鏈，帶動產業升級及產業結構優化，以NTN軟體技術提升硬體系統附加價值，並提高台灣國際地位。

(本文由台灣資通產業標準協會提供，作者為資策會系統所先進通訊系統中心工程師)