工業技術研究院 資訊與通訊研究所 黃任鋒 林佑恩 劉瑋俊 陳鐿心 王源培 方士豪

Ameba RAN是全球少數完成高軌與低軌衛星通訊實網驗證的系統架構之一，實現了端對端的視訊通話、影音串流與數據傳輸，為全球5G NTN商轉提供可行的技術基礎。

前言

為實現全球無所不在的通訊覆蓋，非地面網路（Non-Terrestrial Networks, NTN）成為3GPP標準化的關鍵發展方向之一。NTN技術整合衛星、無人機（UAV）與高空平台（HAP）等空中平台，能有效補足地面網路在偏遠地區、海洋與高空等環境的覆蓋不足。為提升NTN系統的連接穩定性與服務靈活度，多軌基地台技術（Multi-Orbit Base Station Technology）透過整合低軌（LEO）、中軌（MEO）與高軌（GEO）衛星資源，實現跨軌道協同與頻譜最佳化配置，成為實現彈性連接的關鍵技術。

本文聚焦於工業技術研究院（以下簡稱工研院）開發的阿米巴基地台（Ameba RAN）系統，提出一套符合3GPP Release 17標準的軟體定義多軌NTN基地台解決方案。Ameba RAN所展現的不僅是符合3GPP標準的技術實作，更是全球少數完成高軌（GEO）與低軌（LEO）衛星通訊實網驗證的系統架構之一，實現了端對端的視訊通話、影音串流與數據傳輸，為全球5G NTN商轉提供可行的技術基礎。在國際合作上，工研院與MediaTek、OneWeb、Airbus、SHARP、中華電信等多國產業領導者合作，於法國、台灣等地進行跨國測試，展現台灣在基地台與衛星整合上的創新影響力。

特別是在GEO高延遲傳輸、LEO頻率補償與動態波束追蹤等挑戰上，Ameba RAN成功導入GNSS輔助補償、星曆預測、條件式切換等標準化功能，並率先實作Transparent Mode 與 O-RAN架構融合，是目前全球少數完成軟體定義多軌NTN系統且具實網部署經驗的基地台方案。未來可進一步擴展至遠洋漁業、災害通訊、航空連接布建等應用場域，成為推動6G時代「天地融合」的關鍵支柱。

本文將探討3GPP NTN多軌基地台技術的原理、架構與標準化進展，並說明其在全球連接性與智慧型網路應用中的潛力與挑戰。

多軌道衛星通訊技術與3GPP協議

在3GPP公開標準中，非地面網路（Non-Terrestrial Networks, NTN）架構涵蓋多種非地面通信平台，包括地球同步軌道（Geostationary Earth Orbit, GEO）、中地球軌道（Medium Earth Orbit, MEO）、低地球軌道（Low Earth Orbit, LEO）衛星，以及運作高度約20公里的高空平台系統（High Altitude Platform Station, HAPS）。在架構設計上，3GPP定義了兩種運作模式：透明模式（Transparent Mode）與再生模式（Regenerative Mode）。在透明模式下，衛星僅作為射頻訊號中繼器，不進行任何信號處理，所有基地台功能均部署於地面之新一代基站（next-generation Node B, gNB）上；再生模式中，衛星則搭載部分或全部gNB功能，可直接在衛星上進行信號解調、編碼與路由等處理，並可藉由衛星間鏈路（Inter-Satellite Link, ISL）實現跨衛星通訊。

NTN系統在地面所需的關鍵節點包括NTN衛星閘道（NTN Gateway），其負責將衛星鏈路連接至5G核心網路（5G Core Network）；此外亦可部署地面中繼節點，接收衛星下行信號並提供本地終端用戶接入服務。

為因應NTN系統的挑戰，3GPP在Release 17中引入多項關鍵增強功能。首先，新增廣播信令SIB19（System Information Block Type 19）以下發衛星星曆資訊（Ephemeris Data），使具備全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System, GNSS）能力的使用者設備（User Equipment, UE）能依據與衛星的相對速度預補償上行鏈路的都卜勒頻移（Doppler Shift）。其次，在初始接入流程中新增Cell-specific與UE-specific的時域偏移參數，以改善由長距離傳播延遲所導致的時間同步問題。此外，為因應NTN高延遲特性，混合自動重傳請求（Hybrid Automatic Repeat Request, HARQ）處理程序數量從原本的16個擴展至32個，以提供更高的數據緩衝能力與傳輸可靠性。

3GPP協議在多軌道技術挑戰

在非地面網路（NTN）中，多軌道（Multi-Orbit）技術是指整合不同高度軌道的衛星系統（如LEO、MEO與GEO）以提供混合型通信服務架構。3GPP自Release 17開始，即著手研究與標準化支持不同軌道衛星接入5G系統的能力，而在Release 18中更進一步探討跨軌道協同的架構與增強功能。多軌道NTN系統的核心目標是透過軌道多樣性實現更高的連續性、容量與覆蓋彈性，以支援全球規模的通訊任務。

多軌道NTN架構支援三種衛星軌道系統：

• 低地球軌道（LEO, 200–2000 km）：提供低延遲、高容量與大頻寬資源，適合延遲敏感的寬頻應用，但覆蓋區域小、衛星需頻繁切換。
• 中地球軌道（MEO, ~8000–20000 km）：作為延遲與覆蓋能力的中庸選擇，可用於導航、語音和數據通訊。
• 地球同步軌道（GEO, 約35786 km）：可長時間固定覆蓋某一區域，系統穩定、簡化部署，但存在較大傳輸延遲（單向約250ms）。

透過多軌道衛星的互補特性，NTN可依據業務類型、區域條件與資源可用性進行動態鏈路分配與最佳化。例如，在城市上空可優先使用LEO以取得更低延遲與高吞吐量，而在偏遠地區或緊急災害場景則可由GEO衛星提供持續覆蓋與備援能力。

多軌道NTN架構克服多軌道下不同衛星的需求：

• 抵抗都卜勒效應：LEO／MEO衛星的高速運動造成用戶與衛星之間的顯著都卜勒頻移。3GPP要求UE配備GNSS定位能力，並利用在SIB19中廣播的星曆資訊計算相對速度，對上行鏈路的頻偏進行預補償，從而保證頻域同步。
• 大時延與同步：由於衛星高度較高，信號往返時延可達數十到數百毫秒，超出傳統RACH和定時控制的原有範圍。為此，Release 17提出分段計時補償方案：將UE到衛星的“服務鏈路TA”與衛星到地面閘道器的“饋電鏈路TA”分別計算和補償，UE最終統一補償整個鏈路延遲。
• 移動性管理：衛星移動導致覆蓋波束快速變換，傳統依賴RSRP／RSRQ的切換觸發難以適應。Rel-17引入基於時間和基於位置信息的條件切換機制：UE可根據自身GNSS位置和衛星軌跡信息，在當前衛星即將停止服務時自動觸發切換。
• 波束管理：衛星移動及大覆蓋範圍使得用戶所屬波束快速改變，必須進行動態波束調度。3GPP採用衛星軌跡信息與UE位置信息結合的方式預測波束覆蓋，對波束進行預調度和跟蹤，確保UE始終在最佳波束內得到服務。

綜上所述，多軌道NTN架構能有效結合不同軌道衛星的優勢，補足彼此在延遲、容量與覆蓋範圍上的限制，提供高度靈活與可靠的全球通訊能力。在此架構下，成功克服了都卜勒頻移、大時延、動態波束與高速移動性等技術挑戰，奠定其作為支援未來6GNTN應用的堅實基礎。透過這些技術突破，將可廣泛應用於多種場域，例如偏鄉與海上連線、重大災害下的緊急通訊備援、空中交通或遠洋航運的即時數據連結，真正實現「無死角」的全球行動通訊覆蓋。

解決方案：阿米巴基地台系統簡介

為因應5G NTN系統在高延遲、都卜勒頻移、波束切換等挑戰，工研院開發的Ameba RAN架構導入了虛擬化、容器化與模組化技術，突破傳統專用硬體對基地台功能的限制，實現高度彈性與可擴展的軟體定義解決方案。並且實現3GPP Release 17 NTN核心標準，能有效支援LEO、MEO、GEO等多軌道衛星場景，展現非地面通訊且多軌網路整合上的關鍵技術優勢。

Ameba RAN E2E解決方案，採用軟硬體分離設計架構（參考圖1），硬體部分採用白牌x86伺服器搭配FPGA加速卡，軟體採用軟體定義架構的CU／DU／RU／OAM，以實現靈活部署與模組化升級能力。其軟體層全面支援O-RAN標準架構，包含O-CU、O-DU、O-RU及OAM模組，具備可插拔式功能模組與標準介面，便於異質網台，能依應用情境彈性部署於資料中心或邊緣節點，兼顧運算彈性、低延遲與功耗優化。此分離架構設計為Ameba RAN 實現 NTN多軌道接取與軌道協同提供堅實基礎。

在阿米巴基地台（Ameba RAN）系統架構中，無線接取網路的功能被拆分為多個邏輯實體，主要包括無線單元（Radio Unit, RU）、分散單元（Distributed Unit, DU）、集中單元（Centralized Unit, CU）以及運營維護管理（OAM）系統。各組件的功能和相互關係可概括如下：

• Ameba RAN無線單元（RU）：負責無線信號的發射與接收。RU將從DU傳來的基頻信號轉換為射頻信號並經由天線發射，同時將接收到的射頻信號轉換回數位數據，再送回DU處理。目前Ameba RAN支援多款包含NTN的FDD RU、TN的TDD RU。
• Ameba RAN分散單元（DU）：主要處理物理層基頻訊號以、MAC、RLC層功能，包括調變解調、信道編碼、MAC調度等。DU與RU之間通過eCPRI相連，靠近RU布署以降低傳輸延遲。
• Ameba RAN集中單元（CU）：處理的協議功能，包括RRC（無線資源控制）和PDCP（分組數據融合）、數據加密／解密等控制平面與承載平面功能。CU支援控制平面（CU-CP）與用戶平面（CU-UP）兩部分，其中 CU-CP 負責連接管理、用戶接入與移動性控制，CU-UP負責用戶數據的轉發與路由。CU透過NG核心網互連，統籌多個DU。
• Ameba RAN控制管理單元（OAM）：負責端到端的生命周期管理、配置管理、故障監測和性能監控與優化。透過O1與DU、CU相連接，實現NTN／TN網路協作。

圖1 Ameba RAN

Ameba RAN採用虛擬化、容器化和商用現成（COTS）硬體，將傳統在專用硬體中運行的RAN功能轉換為靈活可擴展的軟體定義網路。Ameba RAN核心優勢在於：可以彙集多個虛擬TN／NTN網路元件，提高資源利用率與能效，實現靈活的服務部署和升級。綜合而言，Ameba RAN搭配Ameba OAM能提供更高的頻譜效率、較低的資本和運營支出，並支持快速擴充和自動化管理。

多軌衛星通訊應用情境下的解決方案

3GPP NTN通訊協議在多軌衛星通訊應用情境

NTN在實務上可應用於多種高覆蓋需求場域，以下列舉四大代表性應用情境：

圖 2 NTN Use Cases （本圖為AI生成）

• 偏遠地區連接：NTN能為地面基站難以覆蓋的偏遠、鄉村和海洋地區提供通信接入。3GPP指出，NTN可作為未覆蓋／欠覆蓋區域的後備通信路徑，提升服務可達性。這對農業監測、能源開採基地等場景尤為重要，可實現全球範圍的廣域連接。
• 航空及移動平台：衛星／空中平台可為飛機、無人機和高速列車等移動平台提供5G連接。例如，NTN可連接機載本地網絡與地面核心網，支持飛機高速移動時的連續漫遊；亦可為海上船隻、車載單元等提供持續寬頻接入。3GPP正在研究在高頻段支持對飛機、船隻、UAV等移動平台的NR衛星接入。
• 災害緊急通信：在自然災害或突發事件造成地面網絡中斷時，NTN可用作備用或主通道恢復通信。衛星通信能快速恢復公共或專用救援網絡連接，增強網路韌性，支持公共安全及應急響應，比如重建災區臨時移動電話覆蓋和數據鏈路。
• 海洋通信：NTN為遠洋船舶、海上平台和海洋監測設備等提供連續連接。例如，衛星可為商業船隊提供互聯網接入，並與海上物聯網感測器協同工作，支持海上運輸管理、漁業監測以及海上緊急救援等場景。

針對多軌衛星通訊應用情境Ameba RAN解決方案

在面對非地面網路（NTN）日益重要的發展趨勢下，基於Ameba RAN架構提出一套高度模組化且具備彈性的基地台解決方案，可適用於各種3GPP NTN應用情境，涵蓋O-RAN架構中O-CU、O-DU、O-RU、FLFA與OAM等組件，全面支援 3GPP NR NTN Release 17規範，並預先針對未來Release 19的Ku頻段進行相容設計。Ameba RAN的架構能與現有DVB衛星閘道無縫共存，展現出其在多標準共存環境中的高度整合能力。在通訊效能優化方面，Ameba RAN採用精確的饋線鏈路頻率補償技術（Frequency Compensation of Feeder Link），有效減少頻偏造成的干擾與傳輸誤差。此外，系統內建衛星星曆（Ephemeris）自動更新功能，能即時同步衛星軌道資訊，確保鏈路穩定性與定位精準度，對於高機動性應用極具價值。為因應NTN特有的時延挑戰，Ameba RAN支援Conditional Handover與Delay Tolerant Communication的模式設計，並搭配波束與頻率自動切換（Pattern Beam／Frequency Switching）技術，靈活應對不同場景下的動態通訊需求，提升用戶體驗與網路效率。

Ameba RAN解決方案-世界領先的國際場域實證

Ameba RAN在中華電信高軌衛星實現全球首創3GPP 5G NR NTN通訊應用驗證

中華電信與工研院攜手合作，成功完成全球首例基於3GPP 5G NR NTN（Non-Terrestrial Network）標準的高軌衛星端到端雙向視訊通話驗證。（參考新聞稿[10]）本次技術突破充分展現台灣在5G與衛星通訊整合領域的創新實力與國際競爭力。

在此次驗證中，雙方共同於中華電信陽明山衛星通訊中心建置5G NR NTN驗證場域（參考圖3），整合工研院開發之5G NR NTN基地台、中華電信的Ku頻段ST-2高軌衛星資源，以及配套之衛星通訊轉頻設備與用戶終端，成功構建出符合3GPP標準的NTN實驗環境。

圖3 開發團隊於中華電信衛星園區進行場域驗證

本次驗證展示中，不僅完成Forward Link（下行鏈路）與Return Link（上行鏈路）之訊號傳送測試，更於Return Link中模擬使用者設備傳送5G NR訊號，訊號經衛星通道後，由地面基地台接收並分析其通訊品質。實驗顯示，不論是QPSK參考訊號或64QAM高階調變訊號，皆能成功解調與辨識，顯示基地台於高延遲與訊號衰減情境下仍具良好穩定性。相關驗證作業可透過Signal Analyzer（如圖4所示）可以看到在有衛星訊通訊導致號偏移狀況下，右下角Constellation Diagram仍可以解析出RF訊號。

圖4 RF訊號在衛星通道下的驗證

最具挑戰性的部分在於系統需克服36,000公里高軌衛星的傳輸延遲與頻率漂移問題。雙方透過時間同步調整、頻率補償技術及終端調變適應機制，成功解決高軌衛星通訊特有瓶頸，實現具備實用價值的雙向通話與資料傳輸，為未來NTN實際商轉奠定重要基礎。此項POC不僅是台灣在NTN國際標準實踐上的重要里程碑，也於MWC 2025中進行展示，持續推動衛星通訊、5G／6G與空地整合技術之全球布局。

Ameba RAN在OneWeb低軌衛星實現全球第一個3GPP標準通訊驗證

工研院與MediaTek、OneWeb以及Airbus合作，成功完成全球首例基於3GPP Release 17標準的5G-Advanced NR-NTN（非地面網路）實網連線測試（可以參考新聞稿[6]），展現台灣在低軌道衛星（LEO）通訊技術領域的領先地位與研發實力。此次實驗整合了多項先進技術與國際資源，包括OneWeb所部署的低軌衛星群（由Airbus製造）、MediaTek開發之5G NR-NTN測試晶片、工研院研製的5G NR NTN基地台（Ameba RAN）、SHARP所提供的Ku頻段陣列天線，以及來自Rohde & Schwarz的高階測試儀器，構建出符合3GPP R17規範的端對端驗證環境。

在本次測試中，團隊透過Ku頻段衛星鏈路，模擬真實使用情境，成功驗證5G NR訊號在LEO衛星系統下的上行與下行連線表現。測試結果顯示，即便在衛星高速移動與大氣干擾條件下，完成多項高品質通訊指標之驗證，證明5G NR-NTN技術可實際應用於商業LEO衛星服務。

此外針對低軌衛星，Ameba RAN更進行更多的Lab驗證，皆成功啟用並建立PDU連線，順利驗證了多項應用，包括IP影音串流（如YouTube）與網頁瀏覽等常見服務，展現良好的用戶體驗表現。測試結果顯示，Forward-link頻譜效率可達近2 bps／Hz，在5 MHz頻寬下實現8.98 Mbps傳輸速率，展現優異效能。此外，此次實驗也成功證明FR1的數位調變參數（Numerology）可應用於Ku頻段，使用者設備（UE）能順利附著並穩定傳輸數據，且測試中採用的相位雜訊水準與實際商用設備相當，進一步驗證了系統的實用性與商轉潛力。

結論與未來展望

Ameba RAN的開發團隊與來自全球產業與研究機構的密切合作，包括MediaTek、OneWeb、Airbus、SHARP、中華電信及VIAVI等來自歐洲、亞洲與北美的合作夥伴。這些合作加速了系統功能的實現與驗證，也助於與國際標準接軌。相關成果亦獲得部分肯定，如工研院產業創新獎金牌與R&D 100國際研發獎項。

Ameba RAN的目標是建構一套符合3GPP NTN標準的多軌道基地台平台，並透過平台化設計，實現靈活部署與實作驗證的能力。系統支援O-RAN模組化架構，整合低地球軌道（LEO）、中地球軌道（MEO）與地球同步軌道（GEO）等多種衛星系統，並導入包括自動星曆更新、條件式交遞與頻率補償等機制，以因應NTN系統中常見的高延遲、都卜勒效應與波束快速切換等挑戰。目前，Ameba RAN 已支援 Transparent Mode（透明模式）運作，並正在研議進一步支援Regenerative Mode（再生模式），嘗試將部分gNB功能虛擬化後部署至衛星端，以支援邊緣訊號處理與星際鏈路（ISL），以降低延遲、提升網路韌性並改善偏遠地區的服務涵蓋。

在實驗驗證方面，Ameba RAN團隊與中華電信合作，於ST-2地球同步軌道衛星完成 3GPP 5G NR NTN雙向視訊通話測試；另亦與OneWeb、MediaTek與Airbus合作，完成符合Release 17標準的LEO商用衛星實網通訊測試。這些驗證工作為系統功能的可行性提供初步佐證，並有助於提升後續技術發展的信心。

未來，Ameba RAN將持續關注3GPP Release 18／19與6G NTN標準演進，逐步強化多軌道協同能力，並朝向提供更具彈性與可擴展性的天地融合通訊平台邁進。Ameba RAN遵循3GPP NTN標準架構下的多軌基地台規範，並透過Ameba RAN平台實現具體實作與應用驗證。透過支援O-RAN模組化設計、整合透明模式與多軌衛星架構，導入自動星曆更新、條件式交遞與頻率補償等核心技術，Ameba RAN展現其在高延遲、都卜勒效應與動態波束環境下的穩定通訊能力。此外，透過與中華電信合作，成功於ST-2高軌衛星驗證雙向視訊通話功能，以及與OneWeb、MediaTek、Airbus跨國協作，於LEO商用衛星完成3GPP R17規範下的實網通訊驗證，更顯示出Ameba RAN在全球NTN通訊應用與國際標準實踐中的領先地位。未來，Ameba RAN將持續支援6G NTN之標準演進與多軌協同技術，朝向天地融合的智慧連接願景邁進。

參考文獻

[1] 3GPP, “Solutions for NR to support Non-Terrestrial Networks,” TR 38.821 V16.2.0, Mar. 2023.
[2] 3GPP, “NR and NG-RAN Overall Description; Stage-2,” TS 38.300 V17.3.0, Jan. 2023.
[3] ETSI, “Seamless integration of satellite and/or HAPS systems into 5G and related architecture options,” TR 103 611 V1.1.1, Jun. 2020.
[4] MediaTek, “Eutelsat, MediaTek and Airbus announce world’s first 5G non-terrestrial network connection leveraging OneWeb LEO satellites,” Press release, Jan. 31, 2025. [Online]. Available: https://www.mediatek.com/press-room/eutelsat-mediatek-and-airbus-announce-worlds-first-5g-non-terrestrial-network-connection-leveraging-oneweb-leo-satellites
[5] Industrial Technology Research Institute, “ITRI and global partners launch multi-orbit 5G NTN field trials,” Press release, Jan. 30, 2025. [Online]. Available: https://www.itri.org.tw/english/ListStyle.aspx?DisplayStyle=01_content&MGID=114031416223538088&MmmID=617731531241750114&SiteID=1
[6] MediaTek, “World’s first 5G NR-NTN connection over LEO satellites,” Blog post, Feb. 1, 2025. [Online]. Available: https://www.mediatek.com/tek-talk-blogs/worlds-first-5g-nr-ntn-connection-over-leo-satellites
[7] Developing Telecoms, “Eutelsat trials 5G NTN on its OneWeb LEO satellites,” Mar. 2, 2025. [Online]. Available: https://developingtelecoms.com/telecom-technology/satellite-communications-networks/18039-eutelsat-trials-5g-ntn-on-its-oneweb-leo-satellites.html
[8] Sharp Corporation, “Sharp provides innovative phased array antenna for 5G NTN user terminal,” Press release, Mar. 3, 2025. [Online]. Available: https://global.sharp/corporate/news/250303-b.html
[9] Industrial Technology Research Institute, “衛星與5G 通用軟體調適基地台技術,” [Online]. Available: https://ictjournal.itri.org.tw/xcdoc/cont?xsmsid=0M236556470056558161&sid=0O359607258185999261
[10] 中華電信, “全球首創！中華電信攜手工研院完成3GPP NR NTN衛星視訊通話,” Feb. 27, 2025. [Online]. Available: https://www.cht.com.tw/home/enterprise/news/latest-news/2025/0227-1000