工業技術研究院 資訊與通訊研究所 張亞雯 程士恒 孫朋志
突破類比線路傳輸瓶頸，DIFI標準將傳統受限於物理距離與訊號衰減的類比中頻線路，轉化為基於標準乙太網路的數位傳輸。
前言
隨著低軌衛星（Low Earth Orbit, LEO）通訊網路的部署規模擴大，以及非地面網 （Non-Terrestrial Networks, NTN）與第五代行動通訊系統 （Fifth Generation Mobile Communication System, 5G） 的逐步融合，傳統基於類比中頻 （Analog Intermediate Frequency, Analog IF） 的地面站架構在擴充性、頻譜效率與設備互通性上皆面臨限制。既有的類比傳輸模式受限於物理線路特性，難以支援動態頻寬分配與大規模星系所需的多波束快速切換。
本文旨在分析數位中頻互通標準 （Digital Intermediate Frequency Interoperability Standard, DIFI） 如何透過其規範與虛擬化生態系統波形架構 （Waveform Architecture for Virtualized Ecosystems, WAVE） 聯盟之參考架構，解決專用硬體造成的廠商鎖定與訊號衰減問題。文中將探討 DIFI 協定機制、時序同步挑戰，以及 WAVE架構如何透過軟體定義網路 （Software-Defined Networking, SDN） 與網路功能虛擬化 （Network Functions Virtualization, NFV） 技術，推動地面系統向商用現成設備 （Commercial Off-The-Shelf, COTS） 轉型。最後將對比 5G 開放無線存取網路 （Open Radio Access Network, O-RAN） 的發展，分析台灣資訊與通訊科技 （Information and Communication Technology, ICT） 供應鏈在此典範轉移中的優勢與新發展路徑。
精彩內容
1. 類比中頻邁向數位中頻之典範轉移
2. DIFI 標準技術解析
3. WAVE 參考架構
4. 應用場景效益分析
5. 台灣ICT產業之策略分析 |
類比中頻邁向數位中頻之技術典範轉移
因應 NTN 與多軌道星系發展，地面設備需具備處理高通量、低延遲以及頻繁換手的能力。傳統衛星地面站多採用類比中頻架構 （如圖1上半部） ，在跨越天線與機房的設施分界 （Facility Demarcation） 時，此架構必須依賴多條平行的實體中頻線路 （Inter-Facility Link, IFL） 來傳輸降頻後的訊號。此種「硬體定義」的架構面臨以下瓶頸：
- 擴充彈性低：新增鏈路須實體重新佈線，難以支援軟體定義的頻寬調度。
- 訊號品質受限：類比訊號在長距離電纜傳輸中會產生不可逆的衰減，限制了天線與機房的佈署距離，且易受環境電磁干擾影響。
- 廠商鎖定嚴重：單一電纜需同時承載電源、時脈與專屬控制訊號。因缺乏標準化指令，使數據機 （Modem） 僅能搭配特定頻率轉換器，如區塊升頻轉換器 （Block Upconverter, BUC） 或低雜訊降頻器 （Low-Noise Block downconverter, LNB） ，導致系統極為封閉。
針對上述問題，「數位中頻」技術提供了解耦軟硬體的根本解決方案 （如圖1下半部），數位架構將跨越設施分界的繁複 IFL 線路收斂為單一數位傳輸介面，突破距離與佈署限制。DIFI 之所以具備強大潛力，在於其標準化的乙太網路 （Ethernet） 協定介面。未來面臨多頻多軌的複雜應用情境時，系統可透過單一網路架構，將天線控制單元 （Antenna Control Unit, ACU） 與軟體數據機無縫對接。這不僅大幅提升了擴充的彈性，也能根據當下任務即時調配資源。
圖1 傳統類比架構 vs. 數位中頻架構 （Figure from [1]）
DIFI 標準技術解析
VITA 49.2 的簡化
DIFI 標準是基於軍用標準 VITA 49.2 進行優化與商業適配的成果。DIFI 透過「減法工程」將其轉換為務實規範，簡化事例包括：
- 封包類別嚴格限縮： VITA 49.2 允許極其靈活的封包標頭與拖尾 （Trailer） 配置。DIFI 則規定必須使用特定的 Packet Classes，例如強制將 Data Packet 與 Context Packet 的結構固定化，避免廠商因選擇不同的選填欄位而無法解讀對方的數據流。
- 傳輸層的單一化： VITA 49.2 本身不強制綁定傳輸層協定，而 DIFI 則明確定義於 使用者資料包協定 （User Datagram Protocol, UDP） over 網際協定 （Internet Protocol, IP） 之上，並規範最大傳輸單位 （Maximum Transmission Unit, MTU）。
- 消除模糊空間： DIFI 將 VITA 49.2 中許多「應選 （May）」欄位改為「必選 （Shall）」或「禁止 （Shall Not）」。明確禁止了 VITA 49.2 中複雜的分段機制，改用單純的連續序列號進行封包完整性檢查。確保了不同供應商的數位化器 （Digitizer） 與軟體數據機之間具備真正的隨插即用 （Plug-and-Play） 能力。
雙封包機制與 Class 體系解析
DIFI 核心建立在「資料」與「情境」的分離之上，透過虛擬無線電傳輸 （VITA Radio Transport, VRT） 標頭的識別碼實現精確的功能映射（雙流架構如圖2）。根據最新 v1.3.0 標準， DIFI 封包必須包含一個由組織唯一識別碼 （Organizationally Unique Identifier, OUI）、Information Class ID 與 Packet Class ID 組成的識別碼。DIFI 聯盟獲配之 OUI 為 0x001240，所有符合標準的封包皆以此作為組織識別基礎。
資料封包類別 （Data Packet Classes）
負責承載離散化的同相與正交 （In-phase and Quadrature, I/Q） 樣本。為了應對不同的通訊場景，DIFI 定義了多種數據封包類別：
- 標準訊號數據 （Packet Class 0x0001）： 最基礎的數據格式，用於傳輸連續的 I／Q 樣本，如單一載波單一通道 （Single Channel Per Carrier, SCPC） 。
- 特定位元寬度數據 （Packet Class 0x0002/0x0005）： 針對不同量化精度進行優化。
- 突發訊號數據 （Packet Class 0x0007/0x0008）： v1.3.0 新增類別，強化對分時多工存取 （Time Division Multiple Access, TDMA） 應用的支援，允許準確定位突發脈衝。
情境封包類別 （Context Packet Classes）
提供訊號的中繼資料 （Metadata），確保接收端能「理解」收到的 I/Q 數據。DIFI 透過 Information Class 區分不同的管理維度：
- 標準中頻情境 （Information Class 0x0001）： 傳輸中心頻率、取樣率、頻寬與參考電位。這是實現「軟體定義」的基礎，讓modem能根據訊號屬性自動調整解調參數。
- 鏈路建立與能力宣告 （Information Class 0x01XX）： 這是 v1.3.0 引入的關鍵機制。透過 0x0101 （Capability Class） 與 0x0102 （Version Class），設備可在連接初始化階段宣告支援版本與同步精度，實現自動化相容性檢核。
透過這種精密的 Class 體系，DIFI 不僅達成了物理層資料的無損傳輸，更建立了邏輯層的溝通語言，打破了傳統類比線路中因廠商客製化協定所形成的黑盒子。
圖2 DIFI v1.3.0 雙流傳輸 （雙封包機制） 架構示意圖 （Figure adapted from [2]）
時序與同步挑戰
全數位化架構中高度依賴系統時序同步，DIFI 支援高達皮秒 （Picosecond, ps） 或飛秒 （Femtosecond, fs） 級的時間解析度。業界借鏡IEEE 1588v2 精確時間協定 （Precision Time Protocol, PTP） 實現亞微秒級的同步精度。若精度不足將導致相位雜訊惡化，影響高階調變的解調效能。
WAVE 參考架構：從硬體虛擬化到系統化協調整合
DIFI 解決了異質設備間介面透明度的問題，然而邁向全虛擬化地面系統的關鍵，在於如何將這些數位化訊號整合進標準化的計算平台。根據 WAVE 聯盟發布的 WAVE-Gateway Spec v0.0 與 Reference Architecture v1.0，該架構已從單純的硬體抽象演進為多層次的協調體系。
WAVE 架構將數位化訊號整合進標準化計算平台。在初期的 v0.0 規範中，強調利用 COTS 伺服器與硬體加速器，透過動態部分重構 （Dynamic Partial Reconfiguration, DPR） 技術部署波形。隨後發布的 v1.0 架構則借鏡 5G O-RAN邏輯，將地面站解構為三個核心（層級結構如圖3）：
1. 數據機智慧控制器 （Modem Intelligent Controller, MIC）：
負責高層應用的集中化管理。透過 Interface #1 對接編排器 （Orchestrator） 如 Kubernetes，並利用 Interface #2 直接控制服務鏈的部署。MIC 引入了嵌入式智慧，支援服務品質 （Quality of Service, QoS） 與人工智慧/機器學習 （Artificial Intelligence/Machine Learning, AI／ML） 流量預測，實現控制平面 （Control Plane, CP） 與用戶平面 （User Plane, UP） 解耦。
2. 多波形集中式無線電存取網路控制器 （Open Radio Equipment Controller, O-REC）：
與下層透過 Interface #3 進行溝通，負責動態協調資源，管理虛擬網路功能 （Virtual Network Functions, VNFs） 或雲端原生網路功能 （Cloud-native Network Functions, CNFs） 的全生命週期。其核心功能在於對下層 O-REN 分發算力資源，並透過安全隔離機制確保異質波形在同一硬體平台上的運行穩定性。
3. 分散式無線電存取網路節點 （Open Radio Equipment Node, O-REN）：
直接以 DIFI 介面對接天線端，執行即時的物理層 （Physical layer, PHY） 與介質存取控制層 （Medium Access Control, MAC） 功能，並分配可程式化邏輯閘陣列 （Field-Programmable Gate Array, FPGA） 資源，以支援高效能波形處理。
透過這三層架構，WAVE 聯盟不僅推動了硬體的通用化，更透過「波形容器化」（WAVE-form） 技術，實現了在異構環境中對多樣化波形的動態調度與管理，達成真正的軟體定義衛星地面站。
圖3 WAVE 參考架構，定義了 MIC、O-REC 與 O-REN 的層級結構，以實現全虛擬化的衛星地面系統。 （Figure from [3]）
應用場景效益分析
地面站：資源池化與地端即服務 （Ground Station as a Service, GSaaS）
在 WAVE 架構下，多個天線訊號可彙整至統一的伺服器運算池，效益包括：
- 動態資源分配： 依衛星過頂時間動態分配運算核心。同一組伺服器資源可無縫切換處理不同波形，無需為每顆衛星配置閒置的專用數據機。
- 軟體化冗餘：虛擬化架構下，故障時可毫秒級啟動的軟體實例取代硬體備援，降低資本支出。
- GSaaS 與亞馬遜網路服務 （Amazon Web Service, AWS） 之實踐：此技術基礎徹底改變了衛星地面站的商業模式。以 AWS Ground Station 為代表的服務商，透過 DIFI 標準實現了射頻數位化前端與雲端處理中心的解耦，並結合 WAVE 架構中的 O-REC 與 O-REN 邏輯，在標準 AWS 基礎設施上建構了可彈性調度的虛擬化平台。營運商能以租代買，依據實際需求按量付費，顯著降低了進入衛星通訊市場的門檻 （軟體定義架構如圖4）。
1. 多任務頻段支援： 針對不同衛星觀測任務， AWS 基礎設施可透過數位中頻流動態指派虛擬化數據機與特定波形容器。用戶不再需要為特定頻段購買或建置專屬硬體架構，而是透過軟體定義的方式，在衛星過頂時即時調用所需之調變與解調能力。
2. 無縫整合雲端生態： 透過全數位化架構，解調後的數據可直接進入 AWS S3 儲存，或利用 EC2 進行即時運算，甚至整合AI 工具進行自動化影像辨識。這種「數據落地即入雲」的流程，消除了傳統架構中複雜的訊號線路轉接與數據遷移過程，顯著提升了資料處理的時效。
圖4 AWS Ground Station 雲端軟體定義架構 （Figure from [4]）
使用者終端與佈署優化：多軌道適應性與設施安全性
針對多軌道混合網路與大型設施部署，DIFI 與 WAVE 架構顯著提升了終端的靈活性與整體的安全性，其影響範圍涵蓋航空電子、大型地面設施以及未來的新興終端應用。
- 多波束運作實踐：面對主動電子掃描陣列天線 （Active Electronically Scanned Array, AESA） 需要同時驅動多波束的場景，DIFI 允許單一天線在數位域被拆分為多個獨立的資料流，由多個虛擬化數據機同時驅動不同的波束指向，優化了多軌道間的無縫切換體驗，也印證了透過 Ethernet 協定高度擴充的優勢。
- 布署靈活度與基礎設施保護：DIFI 的數位化特性徹底解決了傳統地面站受限於類比電纜傳輸距離與矩陣切換器複雜度的痛點。
1. 地理位置解耦：訊號可透過高帶寬光纖無損傳輸至數公里外的安全機房，使得貴重基礎設施能與天線陣列空間解耦，提升資產隱匿性。
2. 動態路由與災後復原：訊號以 IP 封包形式存在，系統具備極強的動態對應能力。若天線受損，運算核心可透過軟體定義路由快速切換至備援節點，確保數據傳輸連續性。
- 小型終端之發展與挑戰：雖然 DIFI 在大型設施中已展現優勢，但在小型終端的應用仍處於驗證階段。在多頻多軌的環境下，數位中頻架構具備快速波形重設與切換的潛力。然而目前 DIFI 數位化器多以 FPGA 實作，尚無量產專用特殊應用積體電路 （Application-Specific Integrated Circuit, ASIC）。由於 FPGA 在功耗、體積與大規模量產成本上仍有其局限性，未來能否拓展至消費級市場，仍有賴 ASIC 技術成熟以降低硬體門檻。
台灣ICT產業之策略分析
從通訊專用設備轉向 IT 標準架構
DIFI 與 WAVE 推動的「通訊設備 IT 化」，與 5G O-RAN 的發展路徑相似，皆致力於介面標準化與軟硬體解耦。這將衛星地面設備的競爭範疇，從高度客製化的射頻電路設計，轉移至台灣擅長的領域：標準伺服器設計、高速網路交換與系統整合。台灣廠商在白牌伺服器 （White-box Server） 與交換器上的優勢，使其有機會跳過衛通專利壁壘，直接切入次世代開放架構藍海。
關鍵技術開發建議
- DIFI 相容數位化前端： 開發能原生輸出 DIFI 封包的寬頻射頻模組，作為傳統天線與數位核心的橋接器。
- 硬體加速運算單元： 雖然 WAVE 強調通用運算，但 DIFI 封包化與高通量快速傅立葉轉換 （Fast Fourier Transform, FFT） 運算仍對中央處理單元 （Central Processing Unit, CPU） 造成顯著負載。開發基於 FPGA 或智慧網卡 （Smart Network Interface Card, Smart NIC） 的硬體加速卡將是提升系統效能的關鍵差異化產品。
- 高精度同步網路設備： 開發針對 PTP 優化的網路交換設備，以滿足 DIFI 對皮秒級解析度的標記需求，維持全網同步。
研發布局與雛形實作
為協助國內產業掌握先機，工業技術研究院（Industrial Technology Research Institute, ITRI） 已率先投入 DIFI 技術研究，並建立實驗性測試平台以實證軟體定義數據機與數位化前端之互通性 （平台架構如圖5），此平台作為核心橋樑，串接網通與伺服器雙端，完整對應了台灣資通訊產業的生態切入點。
在協助業者轉型方面，ITRI 提供可參考的技術基準與研發驗證環境。讓國內網通與伺服器廠商能直接利用此平台進行相容性測試，大幅省去自建衛星模擬環境的昂貴成本。此外，亦積極協助廠商將既有的射頻與基頻技術整合至開放式架構中，提供從規格制定、雛形開發到場域驗證的一站式輔導，具體降低國內資通訊業者切入衛星新通訊標準的門檻，加速產業從傳統專屬硬體代工，轉型為具備軟硬整合能力的系統供應商。
圖5 ITRI 驗證平台與台灣產業生態鏈對應圖
結論
衛星地面站系統正由專用硬體架構轉向軟體定義平台。本文探討之數位中頻架構與 WAVE 系統，分別透過 DIFI 標準化封包格式與網路功能虛擬化機制，實現介面解耦與資源池化，推動地面設備之彈性化與可擴展化。此技術整合不僅回應多軌道衛星網路之需求，亦為台灣產業轉型提供契機，使競爭焦點由客製化射頻硬體轉向通用伺服器、高速交換設備及系統整合能力，強化台灣於全球低軌衛星開放網路之關鍵角色。
參考文獻
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