工業技術研究院 資訊與通訊研究所 楊適聰

前言

隨著通訊技術的快速進步，人們對通訊網路的使用需求持續攀升，地面網路（Terrestrial Network，TN）與非地面網路（Non-Terrestrial Network，NTN）為現代通訊架構的兩大支柱，各自扮演著舉足輕重的角色。然而，現階段的挑戰在於，使用者需要為TN與NTN分別建置不同連線設備，儘管閘道器能讓多種設備透過單一閘道器連線，解決使用者頻繁更換設備的困擾，但當在TN與NTN網路之間切換時，現有解決方案仍無法維持相同的會議（Session）連線，導致通訊中斷。如何在變換網路時仍能保持會議順暢不中斷，提供穩定且無縫的通訊服務，打造更具彈性且高效的網路涵蓋範圍，智慧型閘道器應運而生。智慧型閘道器不僅簡化了網路連接，更確保了通訊的連續性，特別是在需要彈性且高效網路覆蓋的應用場景中。

地面與衛星通訊發展趨勢

第五代行動通訊技術（5G）商用化以來，地面網路廣泛應用於自駕車、智慧工廠、遠距醫療等關鍵應用場景；然而，隨著物聯網裝置快速增長與智慧應用需求不斷提升，第六代行動通訊技術（6G）的研究與開發已成為全球通訊產業的焦點。根據 ITU（2023）報告指出， 6G 除了追求高達 1 Tbps 的極速資料傳輸外，更強調「通訊與感知融合」、「人工智慧原生網路」、「擴增實境／混合實境」等創新應用[1]。

然而，地面網路主要依賴基地台與光纖進行資料傳輸，雖然在都市與人口密集地區表現良好，但在偏遠地區往往因建設成本高昂而難以普及。相較之下，衛星通訊技術則憑藉其廣域覆蓋與靈活部署的特性，隨著Starlink、OneWeb進入商業營運，衛星寬頻通訊成為補足地面網路不足的關鍵方案。

隨著全球對高速且穩定通訊網路的需求持續攀升，TN與NTN逐步構建出互補且並行的網路架構，形成一個具備高彈性與高韌性的全球連網架構。6G通訊基礎建設將不僅局限於地面網路，更結合低軌道衛星、高空平台與無人機基地台等非地面網路，實現全球無縫涵蓋，強化網路可用性與災難應對能力。未來，6G不再是單一系統主導，而是地面與衛星技術協同並進、動態互補的多層次網路體系。透過這種整合，全球將邁向更高效、更廣覆蓋與更具韌性的智慧聯網時代。

地面網路與衛星網路整合技術

地面網路與衛星網路的整合是通訊領域的重要議題，可從TN及NTN網路互通、多路徑傳輸（Multipath Transmission）與異質網路傳輸（Heterogeneous Network）方面探討。TN及NTN網路互通強調不同網路技術（如地面網路與衛星網路）的協同運作，透過標準化通訊協定提升跨技術相容性。多路徑傳輸利用多條路徑進行資料傳輸，避免單一路徑故障並提升效能。異質網路傳輸則聚焦整體架構的優化，確保網路靈活性及穩定性。後續本文依序介紹相關技術。

• TN及NTN網路互通
  5G 新無線接入技術（New Radio，NR）NTN 是 5G 技術的一個重要擴充，旨在將衛星、飛行器（如無人機）等非地面基站整合進現有的 5G 網路架構中，提供使用者設備（User Equipment ，UE）多元網路連線環境（如圖1所示）。為了實現這一目標，5G NR NTN 標準定義了衛星與地面基站之間的波形設計、時間提前量擴展、都卜勒補償、軌道模型、paging 設計及網路架構，在不更動原UE前提下，透過衛星或其他非地面平台的建置，提供原本使用者網路連線能力。在邁向 6G 的過程中，NTN 不再只是地面網路的補充，而將成為核心基礎設施之一。6G NTN 將進一步強化NTN mobility enhancement、QoS scheduling、多軌衛星支援、NTN multicast等功能，提高全球無縫連結的能力，實現真正的空、天、地一體化通訊網路。

圖 1 TN及NTN網路互通

• 多路徑傳輸
  現有的多路徑通訊傳輸協定，如：MPTCP（Multipath Transmission Control Protocol）與MPQUIC（Multipath Quick User Datagram Protocol Internet Connections）。此類協定可使UE與遠端應用程式伺服器建立相同通訊協定連線，讓資料能夠同時在地面與衛星鏈路上傳輸（如圖2所示）。MPTCP是一種增強型TCP（Transmission Control Protocol）通訊協定，可透過多條不同的網路路徑來傳輸資料，使連線更加穩定且具備負載平衡的能力[2]。在地面與衛星網路整合中，MPTCP可讓資料同時經由地面網路（如Wi-Fi、5G）與衛星網路（如：Starlink、OneWeb）傳輸，提高網路的可用性與吞吐量。例如：在飛機或船舶等移動環境中，MPTCP可以確保主要流量走低延遲的地面網路，而在地面網路不穩定時，自動切換至衛星鏈路[3]。MPQUIC則是基於QUIC（Quick User Datagram Protocol Internet Connections）通訊協定的多路徑版本，它在保持TCP類似功能的同時，改善了延遲問題，並透過UDP（User Datagram Protocol）進行傳輸，進一步提升效率[4]，同時也支援多路徑負載平衡，使其在高頻寬卻高延遲的衛星傳輸環境下更具優勢，適用於視訊串流與VoIP通訊[5]等網際網路應用。

圖 2 多路徑傳輸技術

• 異質網路傳輸
  異質網路傳輸技術主要針對整體網路架構進行優化，提升網路的控制性與跨類型網路傳輸的穩定連線。主要使用技術為軟體定義的廣域網路（Software-Defined Wide Area Network，SD-WAN）、虛擬私人網路（Virtual Private Network，VPN）與智慧型閘道器（Smart Gateway）。SD-WAN 是一種基於軟體定義網路的廣域網路解決方案，常用於企業多地點網路架構中；它允許企業通過軟體來集中控制不同位置的網路流量，並根據應用需求動態選擇最佳的傳輸路徑（如5G、WiFi、衛星等），實現對網路流量的集中控制、優化和監控。VPN 是一種加密的虛擬私人網路技術，被廣泛應用於企業員工遠端訪問公司內部網路、加密公共Wi-Fi上的通訊或是個人使用者隱藏上網活動等情境。智慧型閘道器除具備VPN功能外，並提供多鏈路連線管理技術，建立一條在公共網路上不會因為切換5G、WiFi、衛星網路而造成會議中斷的私密安全的通訊通道（如圖3所示）。同時，可以避免傳輸資料被竊聽或篡改確保使用者資訊安全。

圖 3 異質網路傳輸

地面與衛星網路整合之智慧型閘道器

為了解決TN及NTN網路互通所需的昂貴NTN投資需求與多路徑傳輸中應用伺服器需配合調整的可行性問題，同時確保使用者在切換TN與NTN網路切換時，能維持會議連線不中斷，智慧型閘道器成為整合地面網路與衛星的解決方案。ITRI智慧型閘道器有別於市售SD-WAN架構的閘道器，核心通訊機制採用UDP-based VPN tunnel通訊通道技術，相較於SD-WAN閘道器需仰賴專屬平台與硬體，導致整體架構龐大，建置成本與維運門檻亦偏高。ITRI智慧型閘道器更適用於國內中小企業或點對點連線環境，成本低、部署快且架構單純，是更輕巧靈活的解決方案。二者的技術差異比較如下表1所示。

表 1 SD-WAN與ITRI智慧閘道器技術比較

ITRI 智慧型閘道器不僅具備高度靈活性與擴充性，也透過 UDP-based VPN Tunnel架構實現多項強化網路韌性的關鍵技術，包括：無縫切換、傳輸分流、頻寬聚合、流量管理與傳輸速度限制技術，確保不同應用場景中的網路穩定性與安全性[6]，各項技術細節分別說明如下：

• 無縫切換技術
  SD-WAN 架構閘道器採用通用路由封装（Genetic Routing Encapsulation，GRE）技術封裝使用者封包， 會有因外部IP（Internet Protocol）變更而造成通道中斷情形，雖不影響使用者會議，但系統仍須重新建立通道。相較之下，ITRI智慧型閘道器採用一種基於 UDP 封裝通訊協議的虛擬通道架構（如圖 4 所示），通道中封包均嵌入具識別性之會議標記與端點加密資訊，用以實現跨網路路徑的一致身份辨識與加密驗證，保持通道穩定性與安全性，可以在使用者與閘道器間建立不受外部IP變更而中斷的無連線傳輸通道。系統亦整合即時網路連線監測模組，可即時偵測多條可用網路鏈路（如 5G、Wi-Fi、衛星）的連線狀態。一旦偵測到連線異常或中斷，封包會自動切換至可用備援通道進行路由，實現不中斷的會議維持與資料流傳輸。此外，並提供使用者路徑選擇策略模組，讓使用者可以依照自身需求使用不同的傳輸介面。舉例來說，當使用者從5G網路移動至衛星通訊環境時，系統能依網路連線狀態自動切換至衛星網路，且完全不影響通訊內部連線[7]。

圖 4 無縫切換通訊通道傳輸技術

• 傳輸分流技術
  ITRI智慧型閘道器為克服傳統架構下多通道並存卻僅能透過單一路徑傳輸的限制，引入多通道封包路由機制，採用動態封包路由規則切換技術，並為每一通訊通道綁定對應的異質外部傳輸介面（如衛星、5G、Wi-Fi），使不同通道資料流可經由獨立的實體路徑平行傳輸，達到傳輸分流（如圖5所示），最大化利用了鏈路資源。此外，ITRI智慧型閘道器整合了應用導向封包識別模組，可針對封包內容特徵（如傳輸協定、埠號或應用分類）進行辨識。該模組允許使用者根據應用需求（例如：即時氣象、4K視訊串流）進行通道選擇策略配置，以實現應用感知式的傳輸分流管理，進而顯著提升整體資料傳輸效率與網路使用效能。

圖 5 多通道應用分流技術

• 頻寬聚合技術
  ITRI智慧型閘道器內建多通道併行傳輸架構，支援將多條物理或邏輯通道動態綁定至特定外部傳輸路徑，並允許資料封包同時經由多個網路介面（如 5G、Wi-Fi、衛星）進行傳輸。該系統進一步整合來源路徑感知式封包重組模組，能於接收端根據封包原始序號進行資料重排序處理，以解決多通道傳輸下的封包到達順序不一致問題，確保資料完整性與連貫性。此機制可於網路層即時還原原始資料流，並結合通道品質評估與封包排程策略，動態調整封包分發與併發比例，有效提升多鏈路環境下的總體傳輸吞吐量與服務品質（如圖6所示）。

圖 6 多通道併行傳輸頻寬聚合技術

• 流量管理與傳輸速度限制技術
  ITRI智慧型閘道器於輸出入通訊端口實作多佇列（Queue）排程機制，針對封包流量進行分級管理與傳輸速率控制（如圖7所示）。該機制讓封包在送出或接收時，會先進入 Qdisc （Queueing Discipline）排程器進行排程，同時透過分層頻寬技術為不同的使用者的封包提供不同的優先順序，確保即使在高流量或網路壅塞的情況下，關鍵資料能夠優先傳輸。此外，系統亦內建 TBF（Token Bucket Filter）頻寬整形模組，用以限制資料流之平均速率與峰值速率，確保封包傳輸不會超出使用者或系統所定義的頻寬資源配置，進而避免鏈路擁塞。同時也提供使用者可調式頻寬限制介面，允許使用者依據通訊需求與網路成本策略，針對特定傳輸通道設定速率上限。

圖 7流量管理技術

透過ITRI智慧型閘道器技術的應用，可以實現無縫切換、傳輸分流、頻寬聚合、流量管理與限制傳輸速度等網路應用與管理技術，顯著提升通訊的穩定性和效率，且具備成本低、部署快與架構單純優勢。隨著未來6G與衛星通訊的發展，相關技術將進一步進化，為全球使用者提供更安全、高效的網路體驗。

未來發展

展望6G時代，通訊應用場景將突破以往僅限於地面行動網路的局限，全面進入跨陸、海、空整合的多空間通訊時代。屆時，無論是無人機、船舶、車聯網或各類衛星應用，通訊需求將遍及地表、海上與空中，且需無縫切換並協同運作 [8]，這種多網路類型並存的環境下，裝置必須具備智慧化的網路選擇能力，依據任務、環境與資源條件，在地面與衛星網路間靈活切換或同時多路傳輸。ITRI智慧型閘道器的出現，正是為了解決這些挑戰。它具備支援地面與衛星網路無縫切換、傳輸分流與流量管理的核心能力，且有效降低異質網路的整合成本，滿足6G多空間、多網型的複合應用需求。未來隨著6G技術的持續演進，智慧型閘道器將進一步整合6G網路並導入如預判切換等更智慧的功能，提升系統能力，滿足未來更為複雜與多元的通訊環境需求。

參考文獻

[1] ITU-R, “IMT Vision - Framework and Overall Objectives of the Future Development of IMT for 2020 and Beyond,” ITU-R M.2083-0, 2015.
[2] TCP Extensions for Multipath Operation with Multiple Addresses. IETF. RFC 6824. (2013).
[3] Low Earth Orbit Satellite Networking Overview. Starlink. (2024). Available at: https://www.starlink.com
[4] QUIC Protocol and Multipath Extensions. Google. (2023). Available at: https://www.chromium.org/quic
[5] Multipath QUIC: Concepts and Implementation. IETF Draft. IETF. (2023).
[6] Satellite and Terrestrial Network Integration. Cisco. (2023). Available at: https://www.cisco.com
[7] Future of Seamless Network Handover. International Telecommunication Union. TU. (2022).
[8] ITU-R, ”IMT Vision – Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond,” ITU-R M.2083-0), 2015.