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技術探索

低軌衛星通訊網路管理與控制系統

工業技術研究院 資訊與通訊研究所 羅秋馨 黃貴笠 徐玉青

近年來各國已經開始準備投入低軌衛星通訊技術,我國目前衛星產業鏈仍以代工為主,其中地面接收端設備營收佔我國衛星產業將近50%[1],產業若要升級至系統整合層級,低軌衛星通訊網路的管理和控制是不可或缺的元素。網路管理系統有助於集中監控網路狀態,控制系統協助網路資源配置,以下內容將逐步介紹低軌衛星通訊網路以及其通訊網路管理與控制的架構與需求。

 

精彩內容

1.低軌衛星簡介
2.衛星通訊系統架構與操作需求分析
3.低軌衛星通訊系統中的網管需求
4.低軌衛星通訊系統中的控制需求


低軌衛星簡介

 

人造衛星依照軌道高度可以區分為地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbits, GEO)、中地球軌道(Medium Earth Orbits, MEO)、低地球軌道(Low Earth Orbits, LEO)3種衛星。低地球軌道衛星又稱低軌衛星,低軌衛星因與地面距離較近,資料傳輸的遲延性低,以國際衛星營運商SpaceX在Starlink計畫為例,根據美國網路測速網站Speedtest.net指出,在2021年第一季時以美國境內特定多個縣做為測試區域,下載速度實測裡,中位數的區域速度為40.36 Mbps,最高速度的區域可達93.09 Mbps。在網路遲延部分的表現,中位數區域遲延為31毫秒,最高遲延區域則為88毫秒。在這些實驗的區域當中,一般的電信供應商所提供的網路遲延在8毫秒至47毫秒不等[2],Starlnik目前網路傳輸速度與遲延在已提供服務的區域,已接近地面行動網路的水準。

低軌衛星除了能使資料傳輸遲延較低外,訊號在傳輸時所需要的能量也較地球同步軌道衛星低。但因為低軌衛星公轉週期與地球自轉週期不同,不會持續停留在特定區域的上空,需要布建更多衛星避免在特定區域通訊中斷,與地球同步軌道衛星相比多了地面站天線需要追蹤衛星,以及衛星離開地面站上方同時,地面站要將連線由此衛星交給另一進入連線區域的衛星的技術問題。

 

低軌衛星應用情境



圖1 低軌衛星可滿足地面網路的缺口

 

在偏遠且地理位置較複雜的環境當中往往區域的網路覆蓋率低,而像是飛機、輪船等在天上海上的交通工具,服務訊號經常中斷且不穩定,前述兩項所在環境都難以在地表布建基礎設施取得網路,若是能透過使用低軌衛星網路便能補足地面網路設施的不足。除了解決使用者連網問題外,低軌衛星通訊能在山區、沙漠等地理環境不適合人類活動的地方提供網路,讓這些地方配置的感測器能夠連上網路,提供即時的監測數據,使得物聯網的應用環境可以延伸到惡劣環境的監測活動。

加拿大的電信業者Kepler Communications提供EverywhereIOTTM服務,使用了低軌衛星為物聯網提供服務,使得物聯網在農業、運輸業、環境監測、野生動物追蹤等領域的應用有更穩定且更全面性涵蓋區域的網路支撐[3]。 太空產業發展如火如荼,今年國內亦通過太空發展法,並規劃發展15項衛星的關鍵技術,包括 B5G通訊衛星技術[4],低軌衛星通訊因低遲延,且不受地球地形限制的特性,為偏遠及惡劣地表環境提供穩定的通訊網路,無論是偏遠地區的一般民用網路、商用航運與貨運、以至政府或是學術單位監控特殊環境等應用,都能因低軌衛星網路補足地面網路覆蓋性、移動性不足的問題而受惠。

 

衛星通訊系統架構與操作需求分析


圖2 低軌衛星通訊網路系統架構

 

低軌衛星通訊系統如圖2所示,包含太空端的通訊酬載,其中之a)低軌衛星通訊收發器主要負責無線電之訊號收送,並將訊號交由b)酬載電腦元件做處理,讓封包可以轉送到不同目的地;另一方面地面端則需有c) 使用者終端,此裝置之作用類似家中的網路數據機,提供後端機器上網服務;d) 閘道,此裝置雖亦提供c)之功能,但比較重要的目標是為了讓e) 衛星網路操作系統 可遠端管理控制 a), b), c), d),其中NMC (網路管理中心) 將收集各裝置之資訊進而分析做管理,而 NCC (網路控制中心) 則負責衛星通訊資源之控制,使a)低軌衛星通訊收發、c)使用者終端、以及d)閘道之間的無線電通訊可以順暢。以下將進一步分析低軌衛星通訊中的網管需求與控制需求。。

 

低軌衛星通訊系統中的網管需求

 

在低軌衛星通訊系統中,會包含許多通訊設備,包含低軌衛星上作為通信之用的酬載部分、收送信號及管理控制衛星網路的地面站、衛星網路終端地面站,為了掌握所有設備的資訊、健康狀況,並且降低維護低軌衛星通訊網路的成本,需要集中管理這些資訊,因此衍生出了網管需求。低軌衛星網路的管理需求包含了:

  • 資料蒐集、資料分析與狀態監控:
    低軌衛星通訊系統的所有資訊需要能夠被集中管理,網路管理系統至少要能蒐集維運的設備產生的原始資料,分析資料得到可用資訊,並且這些資訊可以在中央被監控。在低軌衛星通訊系統中,透過網路管理能夠監控是否資訊有異,以判斷設備運作異常,可有效率的幫助擬定決策、管理與配置設備。
  • 電量管理/排程、軟體/服務更新、事件分析/預警能力
    除了基本的需求外,更進一步要能夠使網路管理從基礎系統狀態監控、故障管理層次,提升至電量管理/排程、軟體/服務更新、事件分析/預警能力,使得系統內的設備能夠達成自動化管理,並且減少人為介入監控與設定。設備提前被設定不同事件,這些事件皆由設備產生的數據判定是否發生,若是事件發生則通報或警示管理人員,採取必要措施維護通訊系統,減少低軌衛星通訊網路的維運人力成本。

 

低軌衛星通訊系統中的控制需求

 

由於低軌衛星網路的無線頻寬、使用時間、涵蓋地區範圍的通訊資源相對稀少珍貴,因此,低軌衛星通訊系統的控制需求,主要落在資源配置的管理與優化上。由於低軌衛星網路的資源管理配置是由地面站的網路控制中心搭配衛星酬載協同完成,加上衛星酬載的運算資源有限,因此需要網路控制中心支援大部份功能,簡化衛星酬載的控制功能需求。同時,為了日後多顆低軌衛星通訊網路架構,低軌衛星通訊系統的控制亦需考量到延續性的系統架構設計需求,可做為後續酬載及地面站的資源管理工作提供發展框架。 從功能面來看低軌衛星通訊系統中的控制需求,低軌衛星通訊系統包括以下的功能需求:

  • 網路控制中心搭配衛星酬載協同完成地面站的同步、登入(Logon)等對話控制(Session Control)功能需求:
    地面站在開機後透過對話控制功能取得訊號的同步,接下來經衛星酬載向網路控制中心發送訊號才能登入低軌衛星網路;在完成登入之後也必須保持與網路控制中心的連線,網路控制中心透過對話控制的程序持續掌握低軌衛星網路中地面站的連線狀態,後續才能達成傳送使用者資料的工作。
  • 地面站的連線控制(Connection Control)功能需求:
    一個沒有被歸屬到現有連線的封包進入地面站後,為了使網路控制中心知道地面站有新的連線需求,地面站會需要發起連線控制的請求(request)封包通知網路控制中心,網路控制中心則需要確認是否可接受此連線,並且在確認後需要回應地面站確認結果,另一方面則需要通知自身的無線資源管理模組,開始為這個地面站所屬的連線安排無線資源。
  • 資源排程(Radio Resource Management)功能需求:
    低軌衛星通訊系統中控制需求的核心就是無線資源配置,需要透過此功能運算資源分配結果,並對所有的地面站發送的資源分配結果的訊息,以告知(或是控制)各地面站在上行時間的哪些時隙發送資料。另一方面,其運算資源分配結果亦需要反應各連線的服務品質(Quality of Service, QoS)需求調配出符合連線應用需求的頻寬配置,同時必須顧及整體衛星網路運作的控制與管理所需的頻寬需求,才能維持整體衛星網路的運作。

 

結論

 

低軌衛星通訊網路的管理與控制系統,能提高網路資源分配以及設備管理的效率。在將來,現階網路管理與控制系統的研發成果亦能協助有意轉型為系統整合商的廠商導入網路管理與通訊控制子系統,加速我國衛星產業從設備代工走向系統整合的過程,減少轉型的開發成本與時間。工研院資通所將基於行動通訊所累積的技術能量,發展B5G通訊衛星技術,預計先實現單顆衛星通訊再朝星系通訊前進。

 

參考文獻

 

[1] (2021) The Commercial Times website. [online]. Available: https://ctee.com.tw/news/stocks/406895.html
[2] I. McKetta. (2021) Starlink: Bridging the Digital Divide or Shooting for the Stars? [online]. Available: https://www.speedtest.net/insights/blog/starlink-q1-2021/
[3] (2021) The Kepler Communications website. [online]. Available: https://www.keplercommunications.com/
[4] 火箭阿伯談台灣太空發展 「目標5年成為新世代衛星重要國家」. Available: https://www.rti.org.tw/news/view/id/2107443