工業技術研究院 資訊與通訊研究所 陳俊翰 黃向和 劉如傑 許崇仁

前言

隨著全球即時通訊網路需求的增長，相關的技術應用也愈來愈廣泛，但對於海上或偏遠地區，由於成本考量以致地面基地台難以建置，因此，為實現全球覆蓋即時通訊網路需求以滿足此技術應用，低軌衛星（Low-Earth Orbit, LEO）扮演重要的角色。低軌衛星採用高載波頻率進行通訊，如Ku（12～18GHz）、Ka（27～40GHz）頻帶，高頻帶相較於低頻段有更為豐富的頻譜資源及較少的訊號干擾，更大的頻寬能夠提供高速的數據傳輸，且高頻帶的波長較短，便於衛星酬載（Payload）在有限的空間使用體積較小的天線，但高頻帶訊號也容易在傳輸過程中因路徑損耗而快速衰減。由於自由空間傳輸損耗（Free Space Path Loss）是與頻率和距離的平方成正比，因此，當訊號傳輸的頻率愈高和距離愈遠，訊號能量損耗愈急遽。為了降低訊號能量快速損耗對通訊傳輸的影響，波束控制是很重要的關鍵技術，其透過調整相控陣列天線（Phased array antenna）的波束指向性將訊號能量集中到特定方向，減少信號的散射，從而增強接收訊號的強度來補償自由空間傳輸損耗，並抑制來自其他方向訊號的干擾，實現對干擾源的規避和抑制。

低軌衛星為了抵抗地心引力在穩定的軌道運行，必須以一定的速度飛行（平均速度7.8 km／s）[1]，而要維持飛行情況下的通訊品質，波束控制技術絕對有其必要性。低軌衛星系統主要是地面使用者終端（User Terminal, UT）及衛星酬載組成，透過天線陣列將波束以能量最集中的角度指向彼此位置，進而提升系統的訊雜比（Signal-to-noise ratio, SNR）和抗干擾能力。波束控制可分為波束指向獲取以及波束切換兩種機制：

1. 波束指向獲取：在衛星飛行的過程中，快速、準確計算出即時之波束發射和接收之角度。
2. 波束切換：在衛星飛行的過程中，需要在不同時間切換不同波束角度，以保持通訊連續性並最大化提升接收端訊號訊雜比。

低軌衛星系統波束指向獲取機制

低軌衛星系統的衛星酬載與地面使用者終端間需要有快速且準確的波束指向獲取機制以取得準確的波束指向來確保鏈路傳輸的穩定性。如圖1低軌衛星系統之波束控制示意圖所示，藍色代表衛星飛行軌道，隨著衛星在軌道飛行的位置變化，衛星酬載及地面使用者終端藉由波束控制，將發射和接收波束切換到對應顏色的波束指向，以最集中的波束能量進行通訊傳輸。以下將會分別說明衛星酬載及地面使用者終端兩者的波束指向獲取機制，其中，地面使用者終端的波束指向獲取機制包含波束獲取（Beam Acquisition）以及波束追蹤 （Beam Tracking）兩個階段。

圖1低軌衛星系統波束控制示意圖

衛星酬載之波束指向獲取機制

衛星酬載需提供多個可能的波束指向角度去涵蓋大範圍使用者終端的服務地區。如果沒有位置資訊的輔助，衛星酬載和使用者終端需要對每個可能波束指向進行掃描，稱為全掃描（Full Search），不僅消耗時間且精確度差，而目前第三代合作夥伴計劃（3rd Generation Partnership Project, 3GPP）標準協定透過全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System, GNSS）取得位置資訊來輔助獲取波束指向[2]，當衛星抵達到目標服務區域時，再透過地心地固坐標系（Earth-Centered, Earth-Fixed，ECEF）將位置轉換成天線坐標系[3]，計算衛星與地面使用者終端的角度相對位置，以獲取正確的波束指向角度。

地面使用者終端之波束指向獲取機制

1. 波束獲取（Beam Acquisition）：波束獲取是當低軌衛星進入目標區初期，能夠快速找到正確的波束指向，地面使用者終端會利用兩行軌道要素形式（Two-line element set, TLE）[4] 資訊來輔助波束指向獲取，TLE資訊是利用衛星於過去特定時間點的位置資訊，估測出未來某個時間的點衛星飛行軌道的資訊。然因TLE資訊與實際的位置資訊存在誤差，在設計波束指向獲取演算法時，為使接收訊號的能量最佳化，會先基於TLE資訊估計一個粗略的波束指向並基於此選出幾個相鄰的波束角度，在選擇波束的時間內將選中的數個波束指向角度依序切換並量測其下行鏈路（Downlink, DL）接收訊號能量，然後選擇量測到最大接收能量的訊號之波束指向，地面使用者終端以此波束指向做為通訊傳輸的波束指向，以確保能與衛星酬載進行有效的通訊連線。如圖2所示，透過TLE資訊獲得粗略的波束指向並框出鄰近的數個位置波束指向如1b、2b和3b三個波束指向，地面使用者終端會分別接收上述三個波束指向的接收訊號能量，當衛星酬載在2b位置時，地面使用者終端在波束指向2b有最大的接收訊號能量，藉由此方式判斷出準確的波束指向。

圖2 使用者終端波束獲取示意圖

2. 波束追蹤（Beam Tracking）：經由波束獲取後，衛星酬載與地面使用者終端可以建立有效通訊連線，波束追蹤是指衛星酬載與地面使用者終端之間通訊波束的精確對準和追踪，特別是在低軌道衛星因其高速飛行而頻繁進行位置變化的情況下，這個過程是確保衛星酬載與地面使用者終端之間穩定通訊的關鍵。

衛星酬載可以每隔一段間隔時間透過下行鏈路訊號傳輸當下全球衛星導航系統資訊給地面使用者終端，地面使用者終端可以透過此方式得知衛星精準的位置資訊，地面使用者終端即可利用此位置資訊計算出兩者的相對角度位置資訊以獲取當下的波束指向角度，藉由此方式持續地進行準確的波束追蹤。

總結來說，低軌衛星系統在通訊鏈路的傳輸上波束指向獲取是相當重要的步驟，初步透過波束獲取得知衛星酬載與地面使用者終端波束指向角度，後續透過波束追蹤來確保兩者都可以迅速準確的得知波束指向角度，藉此過程來確保通訊穩定的連接。

低軌衛星系統波束切換機制

本章節將基於上一章節得到的波束指向來進行波束控制，而波束控制主要是為了降低指向誤差，後續將會先簡單講解一下指向誤差之後再開始介紹兩種不同的波束切換機制，包含波束編號切換法（Beam ID）和實時波束計算切換法（Real time beam calculation）的實施流程和優缺點。

指向誤差（Pointing Error）

基於工藝的精確程度或是整體架構的設計及環境影響導致的誤差即為指向誤差，舉例如下：

1. 指向精度失準：由於衛星在天空中是呈現連續性的移動，但是基於碟型天線的轉向馬達或是陣列天線的相移器精確度的問題可能只能做到1度為波束間隔（Beam Resolution）的轉向與指向，而導致指向精度失準，這僅為影響指向誤差的因素之一，其他因素也可能會影響 [5]。
2. 衛星干擾：衛星在運行過程中會受到地球引力、太陽輻射壓力、月球引力等多種干擾因素的影響，這些干擾會導致衛星姿態的變化，從而引起天線的指向誤差。
3. 環境因素：外部環境如溫度變化、風力等也會對天線指向產生影響，導致指向誤差。

指向誤差的實際影響則是會導致整體的通訊效率降低，其中包含：

1. 訊號強度減弱：當天線未能準確指向目標時，接收到的訊號強度會顯著減弱，尤其在指向性非常明確的大型天線陣列上會有更明顯的訊號強度衰減，這會直接影響通訊的品質。例如，在本次主題中的低軌道衛星通訊中，天線的指向誤差可能會導致訊號的衰減，進而降低訊號的訊雜比，使得系統必須使用更簡單的調變方式來維持連線數據傳輸，這樣就會降低整體的傳輸效率。
2. 連接穩定性降低：指向誤差會造成衛星與地面站或其他衛星之間的連接不穩定，增加斷線的機率。由於大型天線陣列的3dB波束寬度（Beam Width）是非常窄的，因此可能只要相差1度就會增加數dB的損耗，如果突然出現這種損耗可能會讓系統直接斷線而造成不可挽回的意外事故，這對需要長時間穩定連接的應用，如衛星互聯網、全球導航系統等，影響尤為顯著。

接下來的章節討論讓波束指向精準的兩種波束切換方法的實施流程與優缺點。

波束編號切換法（Beam ID）

所謂的波束編號切換法指的是將所有可能的波束指向角度都賦予一個獨特的編號，並在設備出廠前就先把每個波束指向角度所需要的相移器階數及衰減器係數都先設定在射頻晶片的記憶體內部，接著依照上述低軌衛星系統波束指向獲取機制章節得到的波束指向來選擇要使用哪個編號的波束指向角度，如果需要較小的指向誤差，那麼不同編號的波束指向角度須採用較小的間隔且波束編號個數因此變多，導致射頻晶片的記憶體容量無法應付所需的波束編號個數。另外，主波束（Main Beam）的形狀是圓形的，因此有些系統不會用矩陣型去做波束排列，而是會使用蜂巢型的樣子去做波束排列，如下圖3所示，這樣就不會是平方個數的波束編號，其中波束間隔（Beam Resolution）為兩個不同的波束編號之間的間隔，波束寬度ω（Beam Width）為每個波束的-3dB寬度。圖4則是使用較為簡化的兩個波束的模型來解釋指向誤差在波束編號切換法是如何形成的，假設此二波束的間隔為，那麼這個模型的最大指向誤差角度就是／2，最大指向誤差就會是主波束的最大增益減掉在最大指向誤差角度的增益。

圖3 蜂巢型波束編號排列示意圖

圖4 指向誤差產生原因說明圖

圖5 1024天線單元場型模擬圖

假設發射端天線為1024個單元的陣列天線的波束成型，如上圖5所示，此陣列天線在最大指向誤差角度1度（假設波束間隔2度時）的最大指向誤差會是1.14dB。假設接收端天線為2048個單元的陣列天線的波束成型，模擬的天線場型如下圖6所示，可以看到2048單元的陣列天線波束會比1024單元的陣列天線波束更窄，如果同樣採用波束間隔2度來執行波束編號切換法的話，此陣列天線的最大指向誤差約5dB左右，指向誤差明顯增大對系統效能有很大的影響。因此若2048個單元的陣列天線改為採用波束間隔1度的排列去執行波束編號切換法，在經過其他各種因素的考量下指向誤差會是約1.14dB左右，接著再把發射與接收端的損耗加起來就會是2.28dB左右，這樣對整體鏈結預算（Link Budget）影響較小。

圖6 2048天線指向誤差示意圖

然而，要為了降低指向誤差而將波束間格縮小就會需要數倍的波束編號個數來達成這個需求，可能無法滿足射頻晶片有限的記憶體可以支援的波束編號個數。乍看之下波束編號的方式並沒有甚麼優點，但其實不然。因為上述的例子是以一個地面使用者終端與一個衛星酬載來模擬的，由於衛星酬載可能會從天空中的不同位置出現，並且以不同的軌跡移動，為了應對這種狀況所有的波束編號就需要去分散到所有可能會用到的空間。反之，如果擁有多個地面使用者端與衛星酬載，把它們分成好幾組，並且每一組都只需要照顧到特定幾種軌跡，那麼就可以大大的減少每個波束編號之間的間隔，進而降低指向誤差。除此之外，由於此方式只是將存在射頻晶片內的數值讀取出來使用，因此在進行波束切換時的速度是十分快速的。

實時波束計算切換法（Real Time Beam Calculation）

這種方法就是沒有先預設任何的波束指向角度，依照上述低軌衛星系統波束指向獲取機制章節得到的波束指向來實時計算出目前要使用的波束指向角度所需要的相移器及衰減器係數，並將這些係數送到射頻晶片進行波束切換。整體系統的指向誤差會取決於要間隔多久時間重新計算波束指向對應的相關係數並且將這些係數送到射頻晶片並完成波束切換。在使用與剛才一樣的條件，發射端天線和接收端天線分別為1024和2048個單元的陣列天線的波束成型，假設每300毫秒重新計算一次波束指向對應的相關係數並送到射頻晶片完成波束切換。經過計算之後衛星在天空中移動300毫秒的距離轉換成角度變化是大約0.3度，接著再根據模擬出來的波束成型去比對，可以得知發射端和接收端的最大指向誤差分別為0.1dB與0.4dB，兩邊加起來就是0.5dB左右，如圖7所示。

圖7 兩種波束成型在0.3度的指向誤差

雖然這個方法的指向誤差是上一個方法的四分之一不到，但是得要把獲取的波束指向計算出對應「每一個」天線單元需套用的相移器與衰減器係數，也就是說會比上一個方法多出一層運算，且這個運算會隨著陣列天線總單元數量的增加而變得更加複雜，接著還要再將這些資訊正確的傳輸到每個射頻晶片。既然會多出一層運算，那麼也就表示使用這個方法的系統會需要更多的能源來運作，其中要考慮的是散熱以及整體的能量收支平衡。除此之外，也需要更多的時間來完成波束切換達到追蹤衛星的目的。總結兩種方法在流程上的差異，如圖8所示，最主要的差別在得到波束指向的角度之後所採取的行動不同，波束編號切換法不用多一層運算，只是將波束編號送到射頻晶片經由查表的方式來切換波束。而實時波束計算切換法則是會多一層運算，再將所有運算獲得的係數送進射頻晶片以達成波束切換。

圖8 切換方法流程差異

其實並沒有哪個切換方法是絕對的有優勢，正所謂「沒有完美的方法，只有合適的方法」，兩種方法都有可以發揮自身優勢的使用情況，需要針對要使用的系統規格及使用場域來進行選擇。如果是已經擁有足夠的鏈結預算並且希望波束切換的時間短一點的話那可能就會採用第一種方式，反之，如果是不希望有太嚴重的指向誤差，並且對於自身訊號處理的運算功能有自信的話那麼也許就可以採用第二種方式來進行波束切換。如果一味地去使用同一種方法，不去做比較的話反而可能會降低整體傳輸的效率。

結論

低軌衛星系統波束控制技術包含衛星酬載與地面使用者終端的波束控制技術，其中波束控制技術分成波束指向獲取和波束切換兩階段。衛星酬載之波束控制技術是先基於全球衛星導航系統資訊輔助獲取波束指向，再基於此波束指向角度將波束編號或波束角度對應的所有天線單元的相移器與衰減器係數送到射頻晶片進行波束切換。

地面使用者終端之波束控制技術在第一階段波束指向獲取機制中分成「地面使用者終端尚未和衛星連線前」與「地面使用者終端已和衛星連線後」兩種情況。在地面使用者終端尚未和衛星連線前，地面使用者終端無法獲得全球衛星導航系統資訊，僅能依靠準確度較差的兩行軌道要素形式資訊輔助獲取粗略波束指向，再以此粗略波束指向為中心從相鄰的波束指向中選擇接收訊號能量最大的波束指向以提升波束指向準確度；而在地面使用者終端已和衛星連線後，地面使用者終端可藉由解調解碼衛星酬載的下行訊號獲得全球衛星導航系統資訊並用以輔助獲取波束指向。

至於地面使用者終端之波束控制技術之第二階段波束切換機制則和衛星酬載之波束控制技術之波束切換機制相同，可基於此波束指向角度將波束編號或波束角度對應的所有天線單元的相移器與衰減器係數送到射頻晶片進行波束切換。其中，兩種波束切換方法的選擇是在滿足最大指向誤差的限制條件下，若波束編號個數是射頻晶片記憶體容量可接受的情況則使用波束編號切換法進行波束切換，這樣波束切換時間較短且運算複雜度較低。反之，在滿足最大指向誤差的限制條件下，若波束編號個數是射頻晶片記憶體容量無法接受的情況則使用實時波束計算切換法進行波束切換，利用增加運算複雜度來換取滿足最大指向誤差限制條件之需求。

參考文獻

[1] Wikipedia contributors. "Low Earth orbit." Wikipedia, The Free Encyclopedia. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 28 Jul. 2024. Web. 31 Jul. 2024.
[2] 3GPP TSG RAN WG1 Meeting #110-e Toulouse, August 22nd – 26th, 2022
[3] David A. Vallado with contributions by Wayne D.McClain. Fundamentals of Astrodynamics and Applications, Fourth Edition. [4] Wikipedia contributors. "Two-line element set." Wikipedia, The Free Encyclopedia. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 15 Mar. 2024. Web. 16 Jul. 2024.
[5] He, Yuanzhi, and Chensheng Ma. "Analysis of the effect of antenna pointing error caused by satellite perturbation on space terahertz communication." Applied Sciences 12.21 (2022): 10772.