前言
受到近期俄烏與以巴戰爭的影響，各國政府開始思索面對地面通訊網路，無法提供通訊時，是否有戰備通訊模式之可能？因此近期韌性網路之討論成為了相當熱門的議題，包括高空通訊平台（High Altitude Platform Station, HAPS）與低軌（Low Earth Orbit, LEO）衛星通訊（Satellite communication）等技術也因此受到相當程度的關注。工業技術研究院（簡稱工研院）已投入研發韌性網路的通訊技術多年，並於資通訊科技日 (2023 TechDay) 展示相關成果。
高空通訊平台所搭載的無人載具可以是氣球、無人機或飛船等，它可以做為相當重要的通訊中繼和監控載具。2023 TechDay 展示飛船載具解決方案，飛船具有滯空時間較長、空運能力較佳以及成本較低等特點，可為未來通訊提供另一種新的選擇。此外，飛船在戰時及救災需求下可以快速部署臨時通訊連結，協助人員傳輸重要資訊，進行緊急調度與監控任務，會中展示光通訊傳輸效能之突破，並提供4K影像串流傳輸以及即時操控的技術。同步也展示低軌衛星通訊技術成果，包含國內第一套自主研發之衛星酬載、衛星地面站和射頻晶片系統；以及實地動態展出衛星酬載與地面設備端對端Live視訊直播模式，展現出本計畫波束控制技術穩定傳輸效果的成果。最後，本文也探討未來的技術趨勢及應用，做為國內相關通訊產業在建置非地面網路，包括高空通訊平台以及低軌道衛星通訊之參考，進一步提升國內相關產業的技術應用能力。
精彩內容
1. 高空通訊平台成果展示
2. 低軌衛星通訊動態成果展示
3. 未來趨勢探討 |
高空通訊平台成果展示
2023 TechDay展出基於飛船系統的高空通訊平台應用技術成果，包含：高空飛船載具、氦氣回收設備、光通訊連結傳輸系統設備等。高空偵蒐的情境是飛船應用的主要情境之一，以此情境為例，飛船系統應用架構主要包含飛船操作系統、數據傳輸鏈路、影像偵蒐系統三個部分。飛船往往會配備一套高度自動化的飛船操作系統，當飛船從地面升空時，這套系統會依據預設路徑，使用其導航儀來確保正確的航向。而當飛船到達目標高度時，系統可讓飛船滯空停留在預定軌道上，以利於對地面的持續偵蒐，原實際場域驗證用的飛船長度為19米，本次展示採用縮小版的飛船以利展示，由於飛船是用氦氣填充，我們也同步展示氦氣回收的設備。在數據傳輸鏈路部分，展示中模擬藉由光通訊設備進行光源對準連結與數據傳輸，作為酬載用的高傳輸速率的通訊傳輸鏈路，酬載將透過該鏈路提供即時的影像及偵蒐訊息回傳。酬載是飛船主要的影像偵蒐工具，包括各種感測器、照相機等設備。感測器可以監測環境條件，例如溫度、壓力、濕度等。照相機則可以拍攝地面的照片，而這些照片的解析度高到可以辨識出地面上的細節。下圖1為本次展示空間，由右至左分別為氦氣回收設備、飛船載具及其操作系統（含影像偵蒐系統）、光通訊連結傳輸系統設備。
圖1 2023 TechDay基於飛船系統的高空通訊平台應用技術成果展示
成果展示主題為韌性通訊 無線傳遞，高空飛船的4K極致突破，如圖2所示；透過空對地的傳輸通訊將4K空拍影像即時以無線通訊方式傳回地面，未來也可做為串接太空網路（低軌衛星）、近太空網路與近地面網路的重要中繼，在下一節中，將會就低軌衛星通訊的成果展示進行說明。而為了可以將飛船上的高畫質影像即時傳遞至地面站，飛船上必須搭載無線數據傳輸的設備，透過空對地的通訊傳輸的串接，達到即時傳遞4K影像之功用。
近年來，為了酬載指向的精準控制以維持較長時間的穩定連線，對準追蹤控制技術（Pointing-Acquisition-Tracking, PAT）技術成為高空飛船透過無線光通訊傳輸的關鍵技術。PAT對準控制技術是從初始對準後開始執行粗部及細部的擷取，最後進入追蹤階段，如果在連結的過程中因特殊因素導致追蹤失敗或中斷，則須重新執行整個流程。利用光通訊傳輸技術進行遠距離PAT對準控制演算機制，可大幅提升追蹤能力。美國太空發展局（Space Development Agency, SDA）所制定之光通訊終端設備（Optical Communications Terminal, OCT） OCT3.0標準目前已規範PAT對準最大週期須於100秒以內完成，目前工研院光通訊技術已超越OCT3.0 通訊標準的規格，PAT對準最大週期於30秒以內便可完成對準追蹤的控制。
因此，在這次展示中，工研院與日本慶應大學展出共同研發的光通訊終端設備，包括垂直軸控制器（Vertical actuator）、水平軸控制器（Horizontal actuator）及光通訊設備（Optical communication device）三部分所組成，如下圖3所示，而其相關規格如下表1與表2所列。
圖2 成果展示主題看板，韌性通訊 無限傳遞，高空飛船的4K極致突破
圖3 光通訊設備系統
表1 反光鏡控制器設備規格(Mirror actuators)
|
水平(Horizontal)
|
垂直(Vertical) |
| 模組 |
Canon GM-1015 |
Thorlabs DDR100/M |
| 掃描角度(Scanning angle) |
20 degree |
360 degree |
| 設置時間(Setting time) |
390 μs |
200 ms |
表2 光通訊設備規格(Optical communication device)
| 型號 |
SOT-US100 (Toyo Electric Corporation) |
| 光束角度(Beam angle) |
1.2 degree |
| 波長(Wavelength) |
860 mm |
| 傳輸率(Link rate) |
100 Mbps |
在展場上，我們透過在飛船滯空飛行操作時，實際使用Sony 4K 相機進行即時影像拍攝，飛船透過影像擷取器，取得相機提供出的RAW影像，並透過擷取盒將影像擷取入酬載電腦中，而酬載電腦則將該影像透過H.265方式進行壓縮，並透過光通訊高速無線網路串流數據傳輸至4K 電視進行影像即時監測。我們透過光通訊的連結，當傳送端（Tx）與接收端（Rx）光源追蹤完成，兩邊連結正常，我們利用LED燈長亮綠燈表示光通訊連結正常，則可以開始進行通訊傳輸，我們展示將4K影像做即時的傳輸，最高達100Mbps資料傳輸能力、且讓延遲可以維持在一秒以內，同時，遮斷光源以跟現場來賓驗證我們的的確確是經過光通訊的方式進行展示，追蹤過程約30秒內即可完成追蹤恢復通訊連線，如圖4所示。
圖4 光通訊設備連結成功，並傳輸現場4K即時影像
低軌衛星通訊成果展示
低軌衛星通訊可以形容為是以「天羅」來補強現有的5G和固網網路的「地網」，如圖5所示。根據美國半導體產業協會（Semiconductor Industry Association, SIA）資料統計，2022年全球太空經濟產值達3,840億，其中衛星產業2,810億美元，佔73% [1]，全球衛星產業市場包含發射服務、衛星製造、衛星服務和衛星地面站製造。根據衛星產業商機調查，主要產值衛星地面站為最大宗，佔整體產值為產值約52% [2]。台灣廠商雖已長期耕耘衛星地面站產業，但多以衛星電視、衛星導航相關供應鏈為主，缺乏基頻模組、相控天線陣列、關鍵射頻晶片及整機驗測技術[3]。此外，台灣目前雖已切入國際衛星供應鏈，但主要集中於零組件供應及組裝代工，缺乏關鍵技術自主化能量。因此，工研院藉由國家低軌衛星計畫，設計與開發低軌衛星通訊系統收發技術，建立相容國際衛星通訊標準規格，為台廠建立衛星酬載與衛星地面站關鍵技術自主化注入能量，可望帶動產業升級。
圖 5 低軌衛星通訊的需求
靜態成果展示
2023 TechDay靜態展示成果包含：國內自主研發低軌衛星酬載、衛星地面站及射頻晶片實體展示，為第一套自主研發之衛星酬載與地面設備雛型。靜態展示包含衛星酬載與地面設備之巨量天線陣列、射頻前端模組、自製衛星酬載/地面射頻IC與衛星專用Modem 等相關機構，如圖6和圖7所示。衛星酬載對比國際大廠規格，傳輸效能優化10%以上，最高達800Mbps資料傳輸能力。地面設備對具下行鏈路 400 Mbps和 上行鏈路 200 Mbps 高吞吐量資料傳輸能力。低軌衛星酬載與衛星地面站系統採用Ka-band頻段，具有大頻寬特性外，亦可和5G 毫米波共用設計，可降低廠商開發相關成本。此外，藉由工研院低軌道衛星通訊開發經驗，可技術轉移給我國ICT廠商，協助地面設備架構與介面設計，打入國際前三大衛星營運商供應鏈。就未來衛星通訊市場，也期望協助國內廠商切入國際立方衛星（CubeSat）新興市場。此外，目前國際少數具備射頻晶片開發設計前三家為Anokiwave, ADI和 Renesas，而本次低軌衛星靜態展示成果也展出了自主開發之射頻晶片實體，為國內首創高彈性可拼接模組化Ka-band毫米波陣列天線晶片實體，不論從成本和功耗上都具有國際競爭優勢，如圖8所示。
圖6 低軌衛星酬載實體
圖7低軌衛星酬載實體
圖8 射頻晶片實體
低軌衛星飛行速度相當於11倍F16戰鬥機（約2450公里／小時） [4]或90倍高速鐵路時速（約300公里／小時） [5] 的衛星飛行速度，如何在高速飛行速度下，在不同位置，進行精準高速追星是非常具有挑戰。高速追星的除了需要衛星酬載和衛星地面站的位置資訊，藉由波束追蹤演算法，去控制衛星酬載和衛星地面站射頻天線，達成高速追星的成果。衛星酬載與衛星地面站建立連線流程包含衛星訊號發布、地面端設備上線衛星、地面端設備寬頻通訊溝通和即時相控天線波束方向切換控制幾個步驟，如圖9所示。
圖9 衛星酬載與衛星地面站建立連線流程
動態成果展示
2023 TechDay動態展示成果展示國內首套現場端至端寬頻衛星通訊，採即時Live視訊直播模式，同時呈現波束控制技術穩定傳輸效果。如圖10所示，衛星酬載傳送端將傳送視訊影片資料，透過USB與 Ethernet介面連接基頻模組進行編碼處理，升頻後經由傳送端天線送出，影片資料經空中介面（Over the air, OTA）傳送至衛星地面站接收端，如圖11所示，降頻後於基頻模組中進行解碼，呈現Live視訊直播、傳輸速率、星座圖（Constellation）等資訊於螢幕。高速追星技術突破衛星高速飛行、距離、環境等難題，此技術一秒內即可追蹤到衛星，優於Starlink實測的3秒，在追上衛星後，建立衛星通訊連線，達到高吞吐量資料傳輸能力，目前工研院端對端寬頻通訊實測下載速率高達200 Mbps，高於歐洲（烏克蘭）Starlink目前服務實測下載速率（約180Mbps）。
圖10 動態展示成果- 展示國內首套現場端至端寬頻衛星通訊
圖11 衛星地面站接收端
未來趨勢探討
韌性網路是未來新型態網路趨勢，為了成就韌性社會、發展國內太空網路，低軌衛星通訊是國內長期發展重點項目，而飛船作為一種可長時間滯空的載具，在低軌衛星通訊應用技術成熟之前，將是不可或缺的存在，根據3GPP TR38.811中提出非地面通訊系統幾個飛船用於通訊的情境其中，空中鏈路（Inter-aerial links, IAL） [6]是一個重要的發展項目，作為3D立體組網的重要功臣，如衛星與衛星間或衛星與地面間的串聯，飛船都可以做為3D立體組網的網路介接載體，成就韌性社會，在空中提供重要的韌性網路通訊。
低軌衛星通訊先期設計與開發主要關注於支援衛星酬載與固定式衛星地面站進行端對端通訊，然而支援移動式衛星地面站 （車載、海事和飛機）為未來的技術趨勢，如圖12所示，相較於固定式衛星地面站更需要進行實際場域測試，也可藉由固定式衛星地面站網路應用與服務之經驗進行布局。此外，針對移動式衛星地面站的高速追星與傳輸技術也需要進行更改設計之考量，包含海事衛星通訊姿態調整機制和飛機衛星通訊的換手機制等設計。
圖12 固定式與移動式衛星地面站示意圖
結論
國內外不論是產官學皆對於非地面的韌性通訊網路具有高度的興趣，而高空通訊平台與低軌衛星通訊都是未來發展重點，商業價值指日可待。飛船作為可長時間滯空的載具，根據其優秀的載重以及較低的能源損耗，可以作為如戰時、救災通訊等多種類型的用途，飛船飛行至20公里以上的平流層，結合內外氣囊調節氣壓，可以達到數個月的滯空時間，借此特性作為通訊載具，可達到3D混合組網的功用對太空連結衛星網路，對地連結地面通訊，而作為酬載平台，則可達到高空長期偵蒐系統用途，無論是搭載攝影設備、通訊設備又或者雷達設備都可以透過飛船在高空滯留的特色進行操作，在無遮蔽的環境下提供更佳的設備運用。低軌衛星可補強5G和固網網路通訊，相較於高軌衛星，具低成本、高頻寬和高傳輸速率的優勢。總結來說，工研院藉由高空無人載具與低軌道衛星計畫設計與開發，以及2023 TechDay等相關成果展示經驗，可望協助國內產業技術合作、產業升級及驗測，推動非地面通訊產業發展，與國內產業供應鏈共創低軌及韌性網路商機，攜手進軍國際太空競技場。
