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技術探索

6G低軌衛星通訊系統之挑戰

工業技術研究院 資訊與通訊研究所 胡恆鳴  張百荃  邱曉莛  周敬淳  許崇仁

 

本文將說明低軌衛星在高速移動及高頻傳輸的通道效應,針對低軌衛星在設計基頻時須考量到的高頻損耗及高速移動通道效應部分加以介紹,並根據現存的無線資源分配方式做簡介,探討在低軌衛星通訊系統中,不同使用者的應用環境下分配無線資源的方式。

 

精彩內容

1. 低軌衛星通訊的挑戰
2. 高頻段損耗及高速移動通道效應簡介
3. 多重存取類型簡介

低軌衛星通訊

 

因應未來通訊爆炸性成長的頻寬及傳輸速率的需求,低軌衛星通訊被視為下一世代通訊中最有前景的通訊技術之一 [1]。通訊衛星的軌道通常有3種基本類型,分別為地球靜止軌道 (Geostationary Earth Orbit, GEO) 衛星,距離地球表面約35,700公里。地球靜止軌道衛星有一個特點,當觀測者從地面觀察該軌道上的衛星時,衛星的視位置不會發生變化,看上去像是在天空中固定不動的。這是因為靜止軌道衛星的軌道周期和地球自轉周期正好一致。該軌道的優點是,地面站的天線可以固定地朝向衛星所在的位置,而不必轉動天線來跟蹤衛星。第2種為中地球軌道 (Medium Earth Orbit, MEO) 衛星,距離地球表面較近,軌道高度約為2,000公里到35,700公里。第3種為低地球軌道(Low Earth Orbit, LEO) 衛星,又稱為低軌衛星,其高度低於中地球軌道,距地面表面大約160公里到2,000公里。

 

低軌衛星通訊的挑戰

 

現行的數位視頻廣播-衛星(Digital Video Broadcasting – Satellite, DVB-S)/第2代衛星數位視頻廣播 (Digital Video Broadcasting – Second Generation Satellite, DVB-S2)/ 第2代衛星擴展數位視頻廣播(Digital Video Broadcasting – Second Generation Satellite Extensions, DVB-S2X)/ 數位視頻廣播-回傳通道衛星(Digital Video Broadcasting - Return Channel Satellite, DVB-RCS)/ 數位視頻廣播-第2代回傳通道衛星(Digital Video Broadcasting - Second Generation Return Channel Satellite, DVB-RCS2)等傳統衛星基頻標準規範主要用於地球靜止軌道衛星,然而由於地球靜止軌道衛星的移動角速度與地球相等,地球靜止軌道衛星可被視為相對靜止的狀態。然而一般低軌衛星的高度小於2000公里,因此在低軌通訊系統中,相較於地球靜止軌道衛星,需要額外考量低軌衛星的高度移動造成的通訊損失,所以傳統地球靜止軌道衛星的基頻標準規範無法直接應用於低軌衛星情境,需要修改標準規範來符合低軌道衛星的使用情境。此外,受限於現今有限的頻段,第3代合作夥伴計劃(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)在下一世代的通訊系統中,將Sub 6G和毫米波(Millimeter Wave)的頻段被視為是重點發展技術的可用頻段 [2] ,因此可應用於低軌衛星通訊系統的傳輸頻帶。

 

高頻段損耗及高速移動通道效應簡介

 

由於低軌衛星相對於地面的基地台而言處於高速移動的狀態,在設計低軌衛星的通訊系統時,必須重點考量關於都卜勒效應(Doppler Effect)造成的都卜勒偏移(Doppler Shift)和採樣時鐘偏移(Sampling Clock Offset),若沒有多加設計,將造成通道嚴重損耗。在高頻段及高移動速度情境下,都卜勒效應顯著,嚴重影響地面通訊基頻接收機解調解碼效能。同時,都卜勒效應也會增加地面通訊基頻接收機之時序和頻率同步困難度。另外,低軌衛星移動快速,地面通訊之波束獲得(Beam Acquisition)與切換(Handover)機制更加重要。

 

高頻段損耗

 

通訊系統的高頻段傳輸訊號在空氣中會快速衰減,為了抵抗快速衰減造成的損耗,在高頻段傳輸時需要使用多輸入多輸出系統(Multiple Input Multiple Output, MIMO)的波束成型(Beamforming),讓訊號強度集中在特定方向。為了使訊號強度更強,在低軌衛星上也需要增加功率放大器來增加天線的傳輸功率,然而功率放大器存在功率放大器非線性度(Power Amplifier Non-linearity),因此在使用功率放大器時,需額外考量非線性效應,提出補償或是減輕方式。如圖1所示,由於要使用高頻段的傳輸,在將基頻訊號載到高頻段時,也需要進一步考量到相位噪聲(Phase noise)所造成的通道損失,確保傳輸速率能維持在通道容量的限制內[3]。


圖1 高頻段損耗方塊圖

相位噪聲是由於震盪器相位/頻率控制環路的雜訊所產生,由於考量高頻段的傳輸,基頻訊號必須透過震盪器依序載到中頻及高頻,因此相位噪聲的效應須加以考量到衛星系統的高頻段傳輸。相位躁聲可以透過高頻載波產生的時間偏移來產生表示。一般射頻中討論到的是震盪器的相位噪聲,而在數位系統中則會對應到處理時域中的抖動(Jitter)效應[3]。

 

高速移動通道效應

 

由於低軌衛星的高速移動特性,除了抵抗高頻段損耗之外,仍需考慮高速移動下造成的都卜勒效應。由於都卜勒效應會造成都卜勒偏移和採樣時鐘偏移,在基頻系統中需額外考量其他設計,來補償都卜勒偏移及採樣時鐘偏移的效應,盡可能降低損耗的訊號雜訊比(Signal-to-noise ratio, SNR)。而由上一段所述,在高頻段傳輸中,常需使用多根天線的波束成型技術來抵抗快速衰減的通道效應,然而因為低軌衛星高速移動,為了讓低軌衛星的波束和地面站的波束在傳輸過程中保持對準的狀態,波束獲得與切換的設計與可能造成的延遲將需要格外的考量與對策。不僅如此,為了維持低軌衛星和地面站能在通訊時間內始終對準最強訊號的波束,針對此一通訊系統,重新做整體的框架(frame)設計也能有效的提高傳輸效率。都卜勒效應是由低軌衛星在高速移動下同時傳送/接收訊號所造成的物理效應,由於低軌衛星與地面站有相對運動,在衛星以及地面站所觀察到的頻率並不相同,而造成低軌衛星/地面站接收到的傳輸訊號的頻率發生偏移,此一效應在高速移動下都卜勒頻偏將尤其嚴重。為保持可傳輸的通道容量,在此系統中需針對都卜勒的頻偏做額外的補償設計。

 

多重存取類型簡介

 

在無線通訊中,訊號是使用電磁波在空氣中的物理頻帶傳遞,因此其無線資源分配對頻帶的有效利用是一個重要的問題,為了有效利用無線資源,有2種方式解決多重存取問題:競爭式與無衝突式[4],又因為低軌衛星通訊的特點,其收發機所在的空間位置與一般之無線通訊收發機相當不同,除了高度在600至2000公里外,因其相對地面站而言,移動速度可達每秒7.4公里,競爭式的碰撞後重送在訊號傳遞的時間上浪費太大,故而採取無衝突式的多重存取協定。如圖2所示,包含分時多工(Time division multiple access, TDMA),在頻帶上以不同時槽區分並傳遞使用者訊號、分頻多工(Frequency Division Multiple Access, FDMA),在頻帶的同一時間點上,以不同載波頻率區分並傳遞使用者訊號)、分碼多工(Code Division Multiple Access, CDMA,在頻帶上以不同的碼區分並傳遞使用者訊號)、多頻分時多工(Multi-frequency time-division multiple access, MF-TDMA)…等方法[5]。


圖2 多重存取概念圖

 

無衝突式多重存

 

採用無衝突式多重存取雖提升了無線頻帶之利用率,但在不同的無衝突式多重存取方法下,針對低軌衛星通訊卻也會有不同的效果,若使用分頻多工,依頻率切分的各使用者頻率,因長距離的傳輸造成的衰減,使得傳遞訊號需要補償都卜勒偏移,若各使用者頻率間保有的保護頻率帶太小,容易使訊號接收解析出錯,又或使用較大的保護頻率帶,卻會使得傳輸效率不彰;若使用分時多工,因其訊號中的各使用者資料是以不同時間點編入訊號中,地面站與低軌衛星使用的時間則需要同步,否則訊號解析也會出錯,但因為低軌衛星與地面相對一般無線通訊距離更加遙遠,傳送端與接收端的對時問題也會導致傳輸效率下降;低軌衛星通訊也因其特殊應用,需要較一般衛星電視、衛星電話等,需要傳遞更加龐大的資料量,在多重存取策略上,也可採用多頻分時多工等方式提升頻帶使用率[6]。

 

多工存取的目的

 

多工的目的在於滿足前述複數使用者的不同流量需求,在這裡先將問題簡化為不同的流入應用所需的服務品質(Quality of Service, QoS)需求不同,不同應用間有相異的頻寬/延遲/服務週期/誤差/可靠度等等門檻,所以實際上系統無線資源使用效率、會受到多工所採用的方式所影響,例如分頻多工需要動態將進入系統的流量進行準確的分配,否則容易會有被佔用的資源難以釋放的問題;分時多工則需要考慮服務所需的延遲問題,不恰當的分配會有資源配置效率低落、或是難以滿足延遲要求的問題;多頻分時多工雖然可以透過單一無線資源區塊的分配來避免這兩者的狀況,但額外的系統訊息傳輸和同步動作所造的無線資源消耗則非常可觀。進行多工的設計與取捨,需要從整體系統的觀點出發,同時考量使用者需求和系統負荷這2個方面來進行。

 

多工存取使用者需求面

 

從使用者需求面來看,單一的使用者可能會使用複數不同的應用,產生差異化的流量要求,因此會需要以個人的層級來滿足其服務品質門檻。此門檻會受到包含所需服務的資料類型、服務本身的特性、不同服務或使用者間的忍受度、各應用情境造成的滿意度差異、付費額的差異等等,需要有針對各需求進行差異化的服務品質分析。因此,在整個系統上來看,會需要在流量進入系統時,確認其服務品質的需求,並且透過對應的多工機制,正確地分配其資源及流量配置,來滿足使用者的應用環境。

 

多工存取系統負荷面

 

從系統面負荷面來看,衛星系統和一般通訊系統一樣,需要同時滿足複數使用者的不同應用需求,並藉此做出正確的系統配置。在不會超過系統負荷及物理層頻寬上限的條件下,計算出滿足各使用者需要的整體配置。但衛星系統也因為其物理上的特性:高速移動所以通道變化迅速、距離遙遠所以傳輸和控制訊息的延遲長、太空電磁環境惡劣所以需要額外保護造成運算力低落,這幾個條件使得衛星的系統層面考量更為複雜,多工的機制也會受到影響。在衛星系統的開發上,會優先進行系統效能分析,針對給定的應用情境需求,確認物理層的頻寬上限、和多工配置是否能滿足系統需要,再進行後續無線存取控制層中的L2通訊協定開發動作,這是必要的衛星系統多工設置流程。

 

結論

 

在下一世代通訊發展中,低軌衛星通訊將扮演重要的角色。低軌衛星由於常用高頻段傳輸並且處於高速移動的情境,其高頻訊號相較地面通訊訊號來的容易造成衰減,且高速移動也會造成都卜勒效應,因而在設計通訊系統時需考量相位噪聲、都卜勒造成的頻偏及採樣時鐘偏移等效應。此外,根據不同的使用者需求和系統負荷及物理層頻寬限制,也會考慮採用不同的多工存取。如何的找出高頻段損耗和高速移動通道效應的補償和減輕方法,以及採用哪種多工存取將是一個低軌衛星的系統設計上的挑戰。工研院資通所目前正進行低軌衛星開發計畫,以實現「通訊衛星頻發射 天涯海角都滿格」為願景。在高頻段與高移動速度的衛星通訊環境下,投入地面基頻與通訊協定等技術開發,能夠達到系統鏈結高可靠度及高傳輸效能。連結相關法人與業界力量,共同建立自有低軌衛星通訊試驗場域。

 

參考文獻

 

[1] Agrawal, “Introduction to wireless &Mobile System 4/e ,” January 2016.
[2] Israel Leyva-Mayorga, Beatriz Soret, Maik Röper, Dirk Wübben, Bho Matthiesen, Armin Dekorsy and Petar Popovski “LEO Small-Satellite Constellations for 5G and Beyond-5G Communications”
[3] Phase noise, https://en.wikipedia.org/wiki/Phase_noise
[4] IAikhar Khan, “Fishing in View: Satellite Technology based Monitoring, Control and Surveillance System for Pakistan Marine Sector,” Workshop on the Applications of Global Navigation Satellite System, May 2015.
[5] Tam Nguyen, Kathleen Riesing, Ryan Kingsbury, and Kerri Cahoy, “Development of a pointing, acquisition, and tracking system for a CubeSat optical communication module,” Proc. SPIE 9354, Free-Space Laser Communication and Atmospheric Propagation XXVII, 93540O, March 2015.
[6] Barry Evans, Yogaratnam Rahulan, “5G Terrestrial and Satellite,” Satellites for 5G Colloquium, October 2018