工業技術研究院 資訊與通訊研究所 林佑恩

前言

自俄烏戰爭後，許多國家政府意識到緊急備援通訊的重要性，再加上星鏈（Starlink）已成功向世人展示高通量低軌衛星通訊的可能性。衛星通訊近年已受到大量的關注，包括：原有電視衛星轉播的營運商，其如何活化現有衛星與頻譜資產，以克服逐年下降的電視衛星轉播營收，轉型衛星通訊服務；相較於都會地區，傳統電信服務商對於布建/維護人口稀疏區的局端設備成本較高，而營收卻較低，因此對於如何利用衛星通訊擴展現有行動網路覆蓋到人口稀疏區來下降營運成本感興趣。

在兩方人馬對於新的衛星通訊發展與應用都有興趣下，3GPP 技術研討會自2017年來展開非地面網路的討論，嘗試探索將衛星、高空載具平台納入傳統地面網路的考量。在2022年3月，3GPP NR R17發表第一版的非地面通訊協定，在最小更動下，先支援FR1（Frequency Range 1）下的衛星通訊。

工業技術研究院（簡稱工研院）已在4G／5G 基地台開發多年，自2021年與聯發科技共同合作，投入3GPP 非地面網路的前瞻技術開發，工研院負責基地台端的開發，而聯發科技負責用戶端裝置 （UE）的開發。研發的雛型系統展示於2023年世界行動通訊大會（Mobile World Congress；MWC），為世界首發基於3GPP通訊協定的端到端雙向衛星視訊通話。

2023 TechDay 展示現場：手機與非地面網路連線，並進行視訊串流

衛星通訊的國際現況

「自訂規格，百家爭嗚」一句話總結目前衛星通訊的國際現況，如表 1所示。這邊例舉著名的五家公司作為代表，包含：Startlink、Kuiper（Amazon）、OneWeb、Apple、Huawei。其中美國公司佔了3家、英國佔1家、中國1家。五家業者則在不同高度的衛星軌道與衛星數量之間做取捨。Startlink在低軌衛星的發射數量上為最多，Kuiper次之，而Huawei則是五家業者中唯一使用地球同步軌道的衛星，因此只需布建三顆即可覆蓋全球大部分的地區。較低的衛星軌道高度，帶來較低無線通道衰減，因此在相同天線增益與輸出功率下的網路傳輸速度會較高，如Startlink的系統。然而，低軌道衛星訊號照射地面的面積也會較小，因此需要布建較多的衛星才能滿足全球的覆蓋。反之，選擇較高軌道的布建，可減少布建衛星數量的成本，但無線通道的訊號衰減會較大，使得網路傳輸速度下降。甚致在高軌道、地球同步軌道的衛星通訊應用中，只能見到文字簡訊的傳輸或低品質的語音通話，如Hauwei的系統。此外，高軌道衛星通訊帶來雙向來回延遲可能長達半秒，較不利於通話雙方的即時互動。然而高軌道衛星並非沒有其通訊系統上的優勢，高軌道衛星相較於地表的移動速度較慢，甚至是靜止（地球同步軌道衛星），因此對於通訊系統在克服都卜勒頻譜偏移方面的問題較小，較容易支援高頻段的載波。用戶裝置也可以有比較長的時間接收到來自同一衛星的訊號，而不用像低軌道衛星一般，需經常做換手流程，以切換到不同的近地衛星。

此外除了不同衛星軌道高度與數量的取捨外，載波頻段、頻寬的選擇與收發裝置（天線）的大小，也影響了使用者的使用情境。第一類衛星服務業者為低軌衛星業者，如Starlink、Kuiper與OneWeb的系統中，載波頻率選擇了Ka（27～40 GHz）、Ku（12～18 GHz）頻帶，屬於較高的頻段，以容納較大的載波頻寬需求。但高頻訊號的衰減較嚴重，通常收發裝置會採用大型的拋物線碟盤或是陣列天線，如圖２，因此較不易攜帶或移動。目前低軌衛星通訊服務業者多採取此類的衛星通訊系統，較常用於偏遠地區的辦公室、家庭，或大型車輛、船舶上，作為網路回傳段（backhaul）使用。第二類衛星服務業者為行動通訊終端業者，如表一中的第4、5欄Apple、Huawei，則講求使用便利性、手機直連衛星方式研究，在市場上推出與現有手機行動網路相近的低頻段的 L （1～2 GHz）、S （2～4 GHz） 頻段，在不採用天線陣列或碟盤天線的情況下，將衛星通訊系統整合至手機內部，作為衛星通訊的使用者裝置。在使用者外出至偏遠地區時，不需額外攜帶衛星電話或是大型碟盤接收裝置，即可與世界進行連繫。第三類衛星服務業者為新進之行動通訊業者，如表1中AST SpaceMobile 低軌衛星業者，受到營運商Rakuten Mobile、Vodafone等業者支持手機直連衛星提供寬頻服務之方案，由於手機直連衛星服務適用於一般標準的行動手機，不需經過任何修改，也不必使用其他特殊軟體、地面終端或硬體，因此目前收到許多業者的關注，但技術挑戰則須在基站端做大幅修改以克服衛星通道產生的問題。

圖 1 各家Ka/Ku頻帶的衛星通訊使用者接收裝置，體積較大不易攜帶

表 1 國際衛星通訊服務規格比較 （資料來源：工研院整理）

邁向公開標準化的契機

衛星通訊的國際現況可說是處於戰國時代，國際大廠百家爭嗚。各大廠都有自己的通訊規格，彼此並不相容。因此使用者若要使用A家的衛星通訊服務，就必需購買A家公司的用戶終端裝置；用B家的衛星通訊服務，就必需購買B家公司的用戶終端裝置，彼此並不相容。當某家廠商的衛星覆蓋率不足時，其他的使用並無法漫遊到另一家廠商的衛星網路。通訊系統與市場發生割裂，使得整體產業的發展受到限制。在未來若是能有公開統一的通訊標準，或是有單一廠商的規格獨大，整體產業的發展才能再向前邁進一步。

圖 2 衛星通訊領域中，後進者的策略

台灣通訊產業具備完善的手機製造與基地台之產業鏈，如能協助我國晶片設計商制定手機直連策略不外乎有三項：協助我國產業參與 3GPP制定手機直連低軌衛星標準，以及提早自主掌握相關技術，則有機會提升我國國際競爭能力，以下為NTN （Non-terrestrial Network） 進入衛星通訊領域之策略，(1) 以先進者為學習標桿，減少錯誤；(2) 採用成本領先策略，以低價切入市場；(3) 利用在者慣性，趁虛而入。換言之，需將前人的技術開發經驗與探索結果記錄下來，將知識集結成冊，並共享知識。後進者參閱知識庫，即可習得經驗，減少嘗試錯誤的成本。此外，就新思維與新市場方面如圖2所示，若能整合5G行動網路與衛星通訊，引入電信領域的用戶到衛星通訊領域，就可開啟新客戶與新市場的機會。

綜合上述觀點，3GPP組織製定的非地面通訊標準具有不錯的發展潛力，其一，已為傳統電信網路大量採用，據愛立信行動趨勢報告最新統計，至2023年第二季，全球行動用戶數已突破83億。其二，3GPP組織製定的非地面通訊標準為一個公開透明的通訊標準規格，且是基於現有5G NR地面行動網路的規格進行修改，以相容衛星通訊的特性。現有5G NR行動網路已有許多晶片、手機、局端設備製造商，只需再投入部分研發，即可將衛星通訊的市場納入版圖。

圖 3 現有3GPP 5G NR網路架構示意圖　（資料來源：工研院整理）

現有3GPP 5G NR網路架構如圖 3所示，5G網路的元件包含：5G 核心網路（5G Core）、基地台（gNB）、用戶裝置（UE），其中基於O-RAN架構的基地台又可再拆分為中央單元（Central Unit CU）、分散單元（Distributed Unit DU）與射頻單元（Radio Unit RU）。

圖4 3GPP 非地面網路架構示意圖　（資料來源：工研院整理）

在3GPP NR R17版本公開發表後，有將衛星通訊考慮進電信行動網路，相較於原本基地台訊號只從地面發射的情況（地面網路），3GPP NR R17增加可從衛星或高空飛行平台進行基地台訊號的發送，故又稱非地面網路（Non-Terrestrial Networks；NTN），其網路元件的架構示意圖如圖 4所示。其仍在基地台與用戶裝置間安插衛星做為訊號轉發。

依衛星轉發訊號的行為，又可區分為通透型 （Transparent Mode）與再生型（Regenerative Mode）。所謂通透型表示衛星本身（通訊載體）不需理解3GPP通訊協定的內容，只做射頻訊號的放大、頻率轉換與轉發。而3GPP通訊協定與基頻訊號的處理則由地面上的局端設備（NTN基地台）來負責處理。地面NTN基地台產生射頻訊號後，藉由與衛星連結的衛星閘道器（Gateway），將3GPP協定的射頻訊號向空中的衛星發送，而衛星再向遠地的用戶裝置發送。其中衛星閘道器與衛星之間的連結稱之為饋線鏈路（Feeder Link），而衛星與用戶裝置之的連結則稱之為服務鏈路（Service Link）。整段鏈路從衛星閘道器到衛星，再到用戶裝置走的是3GPP NR－uu的通訊介面。對於基地台與用戶裝置而言，衛星通訊只是能承載射頻訊號的無線通道，可視為一種隧道技術（Tunneling），因此，也有人稱此類衛星為「彎管」（bent pipe），如圖 5 (a) 中的藍線。

圖 5 通透型衛星與再生型衛星差異比較示意圖　
(資料來源 : 工研院整理)

在再生型衛星中，其所搭載的通訊載體必需理解、處理3GPP的通訊協定與基頻訊號，3GPP的射頻訊號直接在衛星通訊載體上產生，並發送給用戶裝置。換言之3GPP的基地台搭載於衛星上，與用戶裝置間的服務鏈路走的是NR－Uu介面。由於基地台已搬上衛星，基地台與後端的核心網路之間的饋線鏈路，走的通訊介面就變成NG－C與NG－U。在此情境下，饋線鏈路的物理層傳輸協議則不限定，可使用3GPP的物理層傳輸協定，或是可使用原本衛星領域的通訊協定，如：DVB－S2X。

圖6 依用戶裝置與衛星連接方式可分為：(a) 直連架構 與 (b) 非直連架構　
(資料來源 : 工研院整理)

除了不同轉發類型的衛星外，在用戶裝置如何連接衛星的形式，也分成兩種。分別為直連架構與非直連架構，如圖 6所示。在直連架構中，用戶裝置 （手機）直接透過Uu介面與衛星連接。而在非直連架構中，則用戶裝置（手機）不直接與衛星連接，而是透過地面轉發站 （Relay node）再與衛星連接，其中用戶裝置（手機）與轉發站間的通訊介面仍是Uu介面，而轉發站與衛星間的服務鏈路則變更為Un介面。

由於衛星的類型與用戶裝置的連線架構各有兩種組合，因此共會產生四種不同的網路架構，分別為：A1 手機直連通透型衛星、A2 手機直連再生型衛星、A3 非手機直連通透型衛星、A4 非手機直連再生型衛星。四種架構的優劣勢比較如表 2。

表 2 各種不同的非地面網路架構優劣勢比較　（資料來源：工研院整理）

3GPP NTN非地面網路基地台開發現況

相較於5G行動網路已有大量產品於市面布建、營運，NTN非地面網路則處於前期產品研發階段。初期，第一階段的研發將以概念驗證（Proof of Concept；PoC）為目標，確認3GPP NTN非地面網路的可行性。考量到研發成本的投入風險，假設不重新設計、發射新的衛星情況下，將採用通透型衛星，其不需理解、處理3GPP通訊協定。再者考量到使用者的便利性與攜帶性，以及手機行動網路的廣大市場，手機直連衛星的應用情境被優先考量。因此選擇了A1架構-手機直連通透型衛星，作為第一階段的研發與概念驗證目標。

在鎖定手機直連通透型衛星的架構後，我們得考量非地面網路基地台與地面行動網路基地台有何不同？其中最大的差異莫過於在基地台與用戶裝置間插入了衛星通道，其將造成兩大效應：(1) 訊號源快速移動 (2) 傳輸距離遠。由於基地台的訊號藉由天空中的衛星轉發，對於用戶裝置而言，特別是近地衛星，訊號源變成一個快速移動的狀態，而不像地面行動網路，基地台是固定靜止在大樓屋頂上的。有些近地衛星的移動速度可達每秒7公里，相當於台北到新竹只需12秒即可抵達。當訊號源與接收端彼此之間有相對速度時，接收端聆聽到的載波頻率就會發生變化，稱之為都卜勒效應。圖 7為一個600公里軌道高在3分鐘內的都卜勒頻譜偏移變化量。可以發現最大的頻譜偏移量可達到50 kHz左右，若以3GPP地面網15 kHz的子載波間隔為例，則都卜勒頻譜偏移量將超過3個子載波，若不加以處理，則無法正確解調子載波的訊號內容。

圖 7 衛星快速移動造成與用戶裝置之間的載波頻率偏移量
(資料來源 : 工研院整理)

傳輸距離遠是第二個與地面行動網路很不同的點，除了需要克服嚴重的通道衰減 （Path Loss）外，電磁波的傳遞延遲變變得很明顯，甚至已超過地面行動網路的一個子幀時間長度（1 毫秒）。一般地面行動網路的手機與基地台之間的傳輸距離約在1~10公里，換算成電磁波傳遞延遲不超過0.033 毫秒。此外，此項傳遞延遲並非固定值，而是隨著衛星與用戶裝置間的距離不同而變化，如圖8的例子，約在90秒內，衛星與用戶裝置間的通訊傳播延遲由2.8 毫秒變化到1.8 毫秒。在時變與高延遲的通道下，若基地台的媒體接取層（Media Access Control；MAC）不加以考慮此衛星通道的傳遞延遲影響，則可能造成跨越子幀間的訊號發生碰撞，使得珍貴的頻譜資源被浪費掉，傳輸效率下降。

圖8 衛星與用戶裝置之間的電磁波傳遞延遲變化
(資料來源 : 工研院整理)

為了克服加入衛星後的通道效應問題，我們將地面行動網路的5G基地台做相對應的修改與調整，總結如圖9所示。在用戶裝置嘗試接入網路的過程中，首先用戶裝置必需先聆聽基地台廣播的系統訊息，以了解當前該基地台的系統配置，依照該配置發起隨機接入流程，其中包含欲打出的前導訊息（Preamble; Message 1；Msg1）的頻點與時機點。在非地面網路中，由於用戶裝置與衛星之間的通道具有高都卜勒頻譜偏移、高傳遞延遲，與可預估的時變性。基地台端可透過新增系統廣播訊息SIB19 （衛星星曆資訊） 來告知用戶裝置衛星目前所在的座標與速度，在用戶裝置接收到衛星的座標與速度後，再依用戶裝置當前的位置、速度與時間，推算發送上行訊號 （如：隨機接入流程的前導訊息Msg1）所需校正、補償的都卜勒頻率偏移與上行定時提前量。

圖 9 地面行動網路基地台升級非面地面網路的問題與解決手段

當衛星與用戶裝置間的通道來回延遲大於一個子幀時槽時，基地台端的媒體接取層之資源調度器就必需注意到該延遲的影響。假設衛星在用戶裝置可見的視野中飛行，其電磁波傳遞來回延遲最大不會超過koffset。原本在地面行動網路中的下行控制信令到上行無線資源的調度之時間差為k2值，在非地面網路中，該資源調度的時間差就必需再加上koffset。形成k2’= k2 + koffset。類似的例子還有下行資料傳輸時間到其上行控制通到的混合式自動重送請求回報之時間差k1，在非地面網路中也必需再加上koffset的位移，形成k1’= k1 + koffset。

由於衛星在軌道上的運行具有可預測性，因此可利用此特性來預先調整大尺度的傳輸參數，如：束波成形的方向、傳輸功率、調變編碼率…等。在考量到手機直連的應用情境中，手機的上行傳輸功率有限，因此基地台在調度上行無線頻寬資源時，必需考量到手機剩餘可用功率，並將上行的傳輸功率集中在少數一至二個無線資源塊。

目前工研院自主研發的NTN基地台已對上述的問題進行通訊協定軟體的相關修改，並與合作廠商聯發科技的NTN手機進行互測，打通在近地衛星軌道的下入網控制信令流程，並於2023年世界行動通訊大會（Mobile World Congress; MWC）與 2023年台北國際電腦展（ComputeX）進行端到端的視訊通話展示。展示規格與架構如圖 10所示。

圖 10 工研院非地面網路基地台規格與端到端展示架構

在通訊協定方面，支援目前3GPP NR NTN R17的公開標準，支援近地衛星最高移動速度達7.7 km／s與最大40毫秒的通道傳播延遲。載波頻帶在S頻帶（2.5～2.69MHz），載波頻寬可為20 MHz或5 MHz，子載波間隔為15 kHz。以分頻雙工（FDD）作為上下行分工方式。在空間多工方面，由於基地台與用戶裝置間的衛星通道大都為直達，較少多路徑，因此以天線的雙極化正交來區分兩路資料流，可為2T2R或1T1R。目前所研發的非地面網路基地台是基於原本已成熟的5G O-RAN開放架構與x86伺服器平台來疊加開發，主要更動項目為通訊協定軟體。因此，未來技轉廠商可透過軟體更新，讓原本地面網路的O-RAN伺服器基地台升級到支援非地面網路，透過衛星轉接來服務偏遠地區的用戶。

結論

網際網路的連線已成為現代人生活不可或缺的一部分，甚至部分國家政府開始關注數位平等的問題，減少城鄉差距。然而天災或戰爭可能摧毀地面網路設施，使得手機行動網路發生中斷。利用衛星轉發3GPP 行動網路的訊號，除了可將行動網路服務擴展到偏遠地區，除了可減少城鄉差距，對營運商而言，也可減少調派人員前往偏遠地區維護網路設備的成本。此外，非地面網路還可作為天災或戰爭時，地面網路設施被摧毀後的備用網路。工研院已完成一套相容3GPP NR R17非地面網路（NTN）的基地台雛型，並與聯發科技的NTN手機完成實驗室階段的互通，驗證非地面網路的可行性。

參考文獻

[1] 3GPP TR 38.811 “Study on New Radio (NR) to support non-terrestrial networks”