低軌衛星串起5G非地面網路　低成本高頻寬覆蓋全球

自1957年10月4日Sputnik 1衛星發射進入軌道，將其獨特的蜂鳴聲訊號傳回地球以來，衛星已成為人們通訊系統中不可或缺的一部分^[1]。當然，隨著網路成為一種更重要的通訊方式，衛星也在不斷調整，與時俱進。如今，新一代衛星有可能以驚人的低成本為地球上的每個人提供網路服務。

儘管衛星通訊已存在數十年，但就網路的存取性而言，衛星通訊仍然是昂貴的(圖1)。地面通訊幾乎一直是提供網路存取的首選方式，除了少數案例，例如在交通不便地區，由於人煙稀少或地形複雜，安裝基礎設施並不符合經濟效益。私營企業可能永遠無法收回在這些地區鋪設電纜或安裝無線塔所需的資本支出，而這些電纜或無線塔將可覆蓋這些地區的大部分人口。網路的缺乏幾乎是偏遠社區落後的主要原因。

在現代社會中，人們幾乎不會想到網路帶來多少便利。如今，大多數人可能已經無法想像沒有網路的世界是什麼樣子。與其他地區相比，缺乏網路存取的地區處於明顯的劣勢。要將這些地區與世界其他地區虛擬連接起來，衛星網路是唯一可行的選擇，只要價格夠便宜。

衛星網路也被證明是災難期間緊急服務的重要工具。在此類事件發生後，該地區的電力供應通常會嚴重受損，導致通訊中斷。依靠電池供電的衛星設備讓救援服務和公用事業公司能夠協調合作，解決問題、恢復電力並拯救生命。

太空網路

第一枚通訊衛星Telstar 1由AT&T於1962年發射升空^[2]。Telstar的橢圓軌道距離地球最近處為592英哩，最遠處為3,687英哩。它可以接收及發送電視廣播、電話和圖像，但在大約兩個半小時的軌道上僅有30分鐘時間可以進行跨大西洋轉播。

後來，通訊衛星採用距離赤道22,236英哩的地球靜止軌道(Geostationary Orbit, GEO)，改善了運行時間。在這個高度上，衛星的軌道速度與地球的軌道速度一致，因此衛星相對於地球的位置保持不變，能夠始終在原地傳輸和接收資料。三顆這樣的GEO衛星幾乎可以覆蓋整個地球^[3]。

儘管GEO衛星大幅提升了人們的通訊能力，但仍存在成本等問題。在如此高的軌道上運行意味著衛星會暴露於范艾倫輻射帶(Van Allen belts)的強烈輻射中，要求電子元件必須進行屏蔽保護。這反過來會導致衛星變得更重，進一步增加成本。

地球有兩個范艾倫輻射帶，其距離地球的範圍大約在400~36,040英哩之間^[4]。這些環狀輻射帶在赤道上最厚，在兩極最薄。它們是由地球磁層捕獲高能輻射粒子形成的。這些粒子能保護地球免受太陽風暴和太陽風的影響(圖2)，這些太陽活動可能損壞電子系統並對人類造成傷害。由於GEO衛星在22,236英哩的高度運行，它們始終處於范艾倫輻射帶的輻射範圍內，但卻位於大部分輻射帶對深空輻射事件的保護區之外。

這並不是GEO衛星唯一的問題。極遠的軌道距離也會造成延遲，44,472英哩的往返路程會耗費約500毫秒的訊號傳輸時間。最後，一旦發生故障，就必須更換整顆衛星。備援系統有助於為關鍵系統提供更長的運行壽命，但會增加重量和費用。GEO衛星加上所有的遮罩與備援系統，成本可高達4億美元，重達5噸，設計與製造需時5年^[5]。

替代方案

最近出現了一種新技術，可以彌補GEO衛星的缺點。低軌(Low-Earth Orbit, LEO)衛星的軌道範圍從100~1,200英哩不等，可以用多顆LEO衛星作為單一實體覆蓋整個地球。雖然單顆低軌衛星只能覆蓋地球表面的一小部分，而且不會固定在地球上空，但它會在范艾倫輻射帶的保護下運作，這表示它不需要像同步軌道衛星一樣的遮蔽程度。

LEO衛星(圖3)的價格也較低，平均成本約為500,000美元，重量較輕(介於220~2,200磅之間)，可在約18個月內完成設計與製造。它們的發射更具成本效益，而且能以更高的頻寬提供更好的服務^[6]。LEO衛星網路的典型延遲時間約為40毫秒，更接近地面通訊的終端使用者體驗。如果其中一顆衛星發生故障， 則可重新安排衛星群中的其他衛星，以彌補覆蓋範圍上的任何缺口。此外，衛星可快速加入衛星群，以提升容量並提供更好的服務品質。

人們很難精確估計目前在軌的LEO衛星數量。目前，最大的組合是Starlink星群，總數約為7,000顆^[7]，未來規劃的衛星數目則多達42,000顆^[8]。目前使用中的GEO衛星只有600顆。Starlink只是其中一個例子。中國的Thousand Sails星座到2027年應該會有1,296顆衛星進入軌道，長遠而言，最終的衛星數目會達到12,000顆^[9]。亞馬遜也藉由該公司的Kuiper計畫進入這個領域，該計畫的衛星星座規劃有3,232顆衛星，並且即將進行發射^[10]。

許多科技的進步讓這麼多複雜的系統能夠協同運作。由於衛星在地球上空並非完全靜止，因此當衛星越過地平線而失去訊號時，必須與其他衛星密切合作。為了與其他衛星通訊，較新的Starlink衛星都已採用三個雷射，可以達200Gbps的速度進行衛星間通訊。這些以雷射為基礎的通訊降低了基地台的工作量。

再生式通訊是另一項可望減少基地台數量與複雜性的創新。早期的LEO衛星扮演基地台與目標位置之間的管道，僅放大訊號並變更頻率進行廣播。這種稱為彎管技術。再生式技術可讓衛星對訊號進行解調、解碼、重新編碼和調變，以改善訊噪比。如果需要，它還可以選擇性地處理資料。

LEO衛星也開始整合5G行動通訊。5G非地面網路(5G-NTN)可以是彎管式或再生式，再生式網路包括部分或全部的衛星基地台^[11]。這種整合可以帶來許多好處，特別是對於訊號覆蓋不足的社區。它可以讓偏遠地區的居民使用行動通訊、物聯網(Internet of Things, IoT)感測器和機器對機器(Machine to Machine, M2M)連線，可能會促進他們的經濟。5G-NTN也能改善大容量應用的品質。在發生災難時，LEO星群可以暫時取代受損的地面網路。

由於碟形天線難以滿足不斷上升的需求，電子天線(圖4)(如主動電子掃描陣列(AESA)和相控陣列天線)也被迅速導入衛星。這些天線可以電子方式快速改變訊號方向，而碟形天線則需要實體移動。這些技術反應更迅速，並可進行波束成形，以進行更快速、更精確的調整，讓衛星間的交換更快速。

最後，GEO衛星的最新創新技術可讓這些衛星與LEO衛星緊密合作，提供更高品質的服務。LEO衛星可在全球提供快速、低延遲的網路服務，而GEO衛星則可利用其大容量功能，為人口密集的都市地區提供非時間敏感性的應用服務。

所有這些技術都能讓衛星智慧地分配和轉移流量，節省寶貴的頻譜空間並提昇網路的彈性。

機遇/挑戰

技術進步提升吞吐量並降低發射成本，各供應商積極部署衛星群，增加容量降低終端使用者成本，讓偏遠地區的衛星通訊更經濟實惠。

低軌衛星群有助連接偏遠社區、促進經濟與社會效益，但也帶來挑戰。隨著社會進步，人們需平衡廣泛衛星存取的好處與負責任地管理軌道空間，這對於維持進展並避免天空擁塞至關重要。

(本作者任職於貿澤電子)

參考資料

[1] https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/ display.action?id=1957-001B

[2] https://airandspace.si.edu/collection-objects/ communications-satellite-telstar/nasm_ A20070113000

[3] https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_ Transportation/Types_of_orbits

[4] https://spacenews.com/van-allen-probes-spot-an-impenetrable-barrier-in-space/

[5] https://www.te.com/en/industries/aerospace/ insights/cots-components-in-leo-satellites.html

[6] https://www.te.com/en/industries/aerospace/ insights/cots-components-in-leo-satellites.html

[7] https://satellitemap.space/

[8] https://www.the-independent.com/tech/elon-musk-satellites-starlink-spacex-b2606262.html

[9] https://phys.org/news/2024-10-china-thousand-starlink-latest-mega.html

[10] https://www.aboutamazon.com/news/ innovation-at-amazon/what-is-amazon-project-kuiper

[11] https://www.qorvo.com/design-hub/blog/ advancing-communication-the-role-of-leo-satellites-in-the-wireless-expansion