工業技術研究院 資訊與通訊研究所 林佑恩 吳秋萍 顏鴻傑 高鈺涵 王源培 黃任鋒

前言

3GPP NR NTN 通訊標準正引領全球進入「天地一體」的通訊新紀元！其中通透模式（Transparent Mode）以低成本、高效率優勢，先行補足海事、偏遠地區與災難現場的通訊盲區。不需發射新的衛星，使用既有衛星化身為空中基地台轉發器，即可銜接 5G／6G 行動網路核心。隨著第17版標準落地化，這項技術正將「全球無死角覆蓋」從願景轉化為商機，是通訊產業不容忽視的技術藍海。

活化既有資源－通透模式的衛星通訊

關鍵技術挑戰

圖 1 美國電視訂閱用戶數的變化量

根據S&P市場報告 [1]，自2015至2024年，美國傳統付費電視（含衛星與有線電視）訂閱戶平均每年流失3～~6%％，並預測 2025到2029 年年均下降約 5.4％，如圖 1所示。除了美洲市場，歐洲地區電視廣播觀看時數，也呈現大幅下降的情況，特別是對年青組群而言。據英國通訊管理局（Ofcom）的統計數據，年齡介於16~～24歲，每週觀看廣播電視的時間由2013年的2小時29分，縮短到2023的33分鐘，高達78%％的跌幅 [2]。這些娛樂需求並非消失，而是轉向串流平台（如：Netflix、Disney+等），消費者偏好隨選視訊，而非定時定點的衛星廣播。

由於傳統衛星電視轉播的業務逐漸委縮，而隨選視訊的需求上升，其依賴雙向的數據服務來達成服務請求與視訊播放，達成一對一或一對多的視訊串流。這項衛星數據業務的轉型需求由歐洲廣播聯盟（European Broadcasting Union; , EBU）自2022年開啟的5G-EMERGE計畫來實現 [3]。他們嘗試整合各家衛星的資源，並將其抽象化，作為數據服務服務，統一內容上架與服務平台，媒合內容供應商與終端用戶，使得用戶能透過訂閱獲得更優質的內容；內容供應商能獲得相應收入；中間衛星傳輸網路也能獲取數據服務費，是一個多方互利的模型。藉由這樣的案例，其他衛星營運商也逐漸尋求轉型數據服務的機會。

在擴增或轉型衛星數據服務的過程中，存在藉由低成本的方式評估擴增或轉型的業務是否帶來正向的收益。通透模式的衛星通訊便是這樣一個低成本、可利用的工具。圖 2示意通透型衛星的應用，該類衛星只進行射頻訊號的接收、轉頻、放大與再發射的工作，衛星不對接收訊號進行解調、解讀、決策、重新調變等工作。換言之不具備邏輯操作的能力，因此衛星只是一個透明的管路、傳播媒介，把資訊源頭（圖 2左側）產生的射頻訊波形傳播到各類用戶端裝置（圖 2右側）。

圖 2 通透型衛星容許不同通訊應用，可轉發電視、VSAT數據服務，以及新一代5G NR NTN行動網路服務

了解通透型衛星的概念後，只要衛星上的訊號轉發器的操作頻寬與增益滿足3GPP NR NTN的規範，衛星營運商便可活化退役或/未使用的電視頻道，作為5G行動網路數據服務的試營運。傳統標準的電視頻道頻寬為 6 MHz，略大於5G NR最小單載波的頻寬5 MHz。因此，NR NTN能與現有電視廣播服務共存於不同的電視頻道上，便於業者管理頻道，簡化頻道資源的調度。

以下就本團隊所接觸到的兩家合作廠商，說明其嘗試活化其現有衛星資源的案例。

同步衛星案例：中華電信 ST2

中新二號人造衛星（ST-2）由中華電信與新加波電信於2011年發射升空並開始營運。ST-2為一顆位於東經88度的地球同步軌道衛星，約距離地球3萬6千公里，訊號覆蓋範圍包括東南亞、中亞到中東。使用C頻段及Ku頻段提供服務，現有的服務包含高畫質數位電視轉播、VSAT數據服務 [4]。同前文所述，電視廣播的需求下降，數據服務的需求上升，加上近年政府政策推行數位韌性、網路韌性。2025年中華電信研究院找上工研院Ameba RAN（NR NTN基地台），協助其評估ST-2轉用於提供5G行動網路服務的可行性 [5]。目的是使得中華電信的終端客戶在無地面5G/／4G基地台訊號覆蓋的地區，或是天災造成地面網路局端設備損壞時，可透ST-2衛星與外地聯絡。此外，相較於VSAT終端，3GPP NR的終端裝置已大量普及於民間。量大低價的終端裝置也是中華電信考慮3GPP NR NTN通訊協定的重要因素。

低軌衛星案例：Eutelsat OneWeb

Eutelsat於2023年合併OneWeb後成為全球首個整合 GEO-LEO 的營運商，原本OneWeb已在空中運行的低軌道衛星（LEO）為通透模式的衛星，但其通訊協定採取封閉式的私有協定。Eutelsat 轉向 3GPP NR NTN 的營運，本質上是為了將衛星通訊從一個「利基市場（Niche Market）」推向「大眾消費市場」，這背後的動機包含：（1） 實現「規模經濟」並降低終端成本；（2） 無縫整合地面行動網路，開拓新市場，吸收更廣的客群；（3） 提升頻譜與技術靈活性，整合GEO與LEO 衛星資源。基於上述理由，Eutelsat積極投入3GPP NR NTN標準制定流程，並進入實質的技術驗證。

Eutelsat本業為衛星營運商，對於陸基行動網路的業務與生態系並不熟悉，為了完成3GPP NR NTN端到端的實質技術驗證，Eutelsat尋找國際合作夥伴以協助其完成對3GPP NR NTN的技術評估。有鑑於聯發科技與工院研於NTN技術的長期合作開發，工研院提供Eutelsat自主開發的Ameba RAN，協助其完成對3GPP NR NTN通訊規格於OneWeb星系下的效能評估，包含尋星延遲、用戶接入成功率、上下行資料吞吐量、訊號強度與訊雜比、波束切換與換手成功率…等各方面的效能評估 [6]。

經由上述兩個案例，證明工研院開發團隊具提供3GPP NR NTN接取網路（(RAN）)的技術解決方案。除了提供技術授權、技術轉移，也提供技術服務，協助產業廠商評估興新技術可行性，降低投資風險。下文將進一步提供Ameba RAN的技術開發現況。

3GPP NR NTN 通透模式基地台的挑戰與解決方案

問題與挑戰

相較於GEO衛星，LEO衛星相對地表的移動速度快，訊號覆蓋範圍小，因此會面臨都卜勒頻率偏移與服務訊號頻繁中斷/／切換的問題。關於頻率偏移的問題，由於篇幅限制，可參考前一篇文章 [7]。

低軌衛星（LEO）因具備高速移動特性，且單機服務覆蓋範圍有限，導致當用戶僅依賴單一衛星通訊時，連線會隨衛星掠過而迅速中斷。

對於網路營運商而言，若要提供穩定且連續的網路服務，核心關鍵在於如何克服「動態覆蓋」帶來的連線破碎化。本文接下來將針對此一困境，深入探討如何透過衛星間的交遞機制（Handover）與相關協作技術，解決訊號銜接的斷層問題。

以下將以合作廠商Eutelsat OneWeb第一代的衛星作為討論的案例。OneWeb的第一代為通透模式的衛星，整個布建星系有12個軌道平面，每個平面內的衛星採用南北走向的近極地軌道（Near-Polar Orbit），距離地面約有1,200公里。衛星相較於地面的運動速度約為每秒7公里。一顆OneWeb衛星具有16個波束，如圖3所示。衛星的訊號覆蓋方式採用逐行掃描的方式。即使是靜止的用戶裝置，一個波束訊號覆蓋的時間大約在10秒左右須切換到下一個波束。相鄰的波束為避免相互干擾，採用不同載波頻率。簡言之，用戶裝置大約每10秒左右須更換波束與運作頻率。

圖 3 OneWeb衛星16個波束相較於地面的大小與範圍（黑色橢圓），圖截取自 [8]

當我們將3GPP NR NTN的通訊協定套用到OneWeb第一代衛星時，便會受到上述波束頻繁切換與跳頻的問題。在傳統3GPP 地面網路通訊協定中，更換不同的載波頻率代表更換不同的服務細胞（serving cell），而更換不同的服務細胞在3GPP 通訊協定中的實現方式就是透過「換手」流程。

傳統3GPP地面網路的「換手」流程觸發是基於訊號強度的量測，當用戶裝置量測到服務細胞的訊號強度小於一定的門檻值，將回報給基地台做決策，判斷是否開始執行換手流程。然而由於衛星訊號的衰減幅度變化與傳統地面網路的趨勢不同，傳統地面網路的換手機制在衛星網路下變得難以判斷準確的換手時機。一般路徑衰減與距離的冪次方成正比 [9]，即：

其中n 為路徑衰減的指數，一般太空空間（Free Space）為2，地面都市約在2～4之間。d為接收端到發射端的距離；C為常數量。由於log函數的特性，在距離d拉長後，路徑衰減隨距離變化將逐漸變小。圖 4畫出一個趨勢變化的範例，其中藍色線為地面網路，紅色線為非地面網路。在地面網路中假設服務細胞的半徑為5公里，而在非地面網路中，假設LEO軌道高1200公里，用戶最低可接入的仰角為30度，換算可服務區域的最大半徑約為2078公里。由於地面網路與非地面網路的服務細胞半徑不同，在圖 4的X軸將以其半徑正規化於0～~100%％之間，表示用戶從服務細胞中心逐漸移動到服務細胞邊緣時所經歷的路徑衰減變化量（dB），顯示於Y軸。

圖 4 路徑衰減相較於服務細胞中心隨正規化的服務細胞半徑的變化量

由圖 4可以看出在地面網路中由細胞中心移往服務細胞邊緣時，用戶接收到的訊號強度有明顯的變化，約有60dB的改變。而在非地面網路中，由細胞中心移往服務細胞邊緣時，則只有約6dB的改變。這樣訊號強度小幅度的改變，將容易被埋在遮蔽物移動、Small-Scale Fading等通道變化的事件中。因此在非地面網路中僅靠量測訊號強度來判斷是否已經處於服務細胞邊緣而觸發換手流程時，將有很高的機率會發生判斷錯誤。

解決方案－條件式換手

為了克服上述問題，3GPP NR標準在第17版中對於NR NTN網路新增了新的條件式換手（Conditional Handover; , CHO） [10]，除了基於訊號強度，也基於衛星運行的路徑是可以預測的條件。新增條件包含依據衛星服務排班表的時間點觸發換手，或是基於地理座標位置的地點觸發換手。以下進一步說明條件式換手的流程，訊息流程如圖 5所示：

圖 5 3GPP NR標準條件式換手的信令流程

1. HO preparation phase
在服務細胞（Serving cell）接入完成後，用戶裝置根據基地台配置持續監測鄰近細胞（如其他衛星或波束）。當滿足特定門檻時，用戶裝置向服務細胞發送測量報告（Measurement Report）。服務細胞據此選擇一個（或多個）候選目標細胞（Target cell），並向它們發送換手請求（Handover Request）。目標細胞同意後，會預留無線資源（如dedicated RACH Preamble等），並將配置資訊回傳給服務細胞。

服務細胞接著向用戶裝置 發送RRC Reconfiguration訊息，會指示：1） 候選目標細胞的接入配置；2） 決定CHO執行的條件，例如：訊號門檻（Cond Event A3/／A4/／A5）、時間點（Cond Event T1）、或用戶裝置進入特定地理座標（Cond Event D1）。

2. CHO evaluation phase
用戶裝置收到配置後並不立即換手，而是將其儲存，並開始持續比對當前無線環境與先前被設定的觸發條件。在此期間用戶裝置仍與原服務細胞保持正常通訊。

3. HO execution phase
當滿足觸發條件時（如：訊號強度達標且時間點T1已到或到達預定位置D1），用戶裝置不需要再通知服務細胞，直接中斷原連線，並使用預先拿到的配置，直接對目標細胞發起CFRA （Contention-Free Random Access）步驟。成功接入後，用戶裝置發送 RRC Reconfiguration Complete訊息給目標細胞，完成換手流程。 條件式換手（CHO）對於LEO衛星場景具有顯著的優勢：

• 因LEO飛行速度極快，導致用戶裝置所在的衛星波束頻繁切換。傳統HO在訊號惡化時才開始請求指令，易在因處理不及而斷線。CHO允許網路在訊號良好時就將換手配置發送給 用戶裝置，讓用戶裝置在最佳時機自主觸發，將換手失敗的機率降至最低。
• LEO衛星傳輸時延遠高於地面基地台。傳統HO強烈依賴即時信令交換，長延遲常導致用戶裝置尚未收到換手指令就已移出原衛星覆蓋區。CHO將「預先準備」與「條件觸發」脫鉤，解決了執行階段對即時信令的依賴。
• 因LEO衛星軌跡是可預測的，CHO結合了基於地理位置或時間戳記（Location/／Time-based）的觸發條件。這比傳統僅依賴訊號強度（RSRP）的換手更穩定，能有效抑制因衛星訊號波動產生的Ping-Pong Effect。
• LEO星座通常具有重疊覆蓋的特性，用戶裝置同時可見多顆衛星。CHO可支援一次配置多個候選目標（Candidate Cells），用戶裝置可根據即時通道品質動態選擇最佳目標，這對於波束快速換手的LEO環境至關重要。

圖 6 Ameba RAN透過設定換手條件，使得用戶在條件成立時自動完成換手流程

由工研院自主開發的Ameba RAN目前已支援NTN場景下的CHO流程，並於Eutelsat OneWeb衛星下與聯發科技終端用戶晶片完成OTA端到端的CHO驗證 [11] [12]。圖 6表示本次實驗的網路架構與CHO的簡化示意流程，透過本次實驗可證實3GPP NR 標準第17版新增的時間點（Cond Event T1）條件式換手，的確可以在不量測訊號強度的變化下完成衛星波束間的換手，達到服務連續性。

技術落地化－建構NTN端到端驗證環境

針對衛星通訊同時需面對顯著都卜勒效應與巨大傳播延遲並存之操作情境，在通透模式衛星架構下，衛星僅作為射頻轉發節點，所有系統層級影響最終皆反映於地面基地台（gNB）與使用者終端（UE）之互動行為中。此一特性使得通透模式 NTN 基地台之開發，除需完成各項功能實作外，亦須在具備 NTN 通道特性之情境下，檢視其於實際系統操作流程中的行為表現，以支援後續設計與整合決策。

基於上述需求，除自主開發通透模式 NTN 基地台外，本團隊亦同步建置 NTN 實驗網（如圖 6所示），作為基地台於進入實際在軌測試前之先行驗證平台。該實驗網整合閘道（Gateway）、衛星通道模擬器，以及訊號產生器與信號分析儀等設備，以重現實際衛星通訊系統中之基地台、衛星通道效應與終端設備行為，並於可控制條件下模擬長傳播延遲與都卜勒效應。

圖 7 NTN實驗網架構圖

在此實驗網架構下，可支援基地台與使用者終端於 NTN 通道條件中的測試需求，包含非信令量測與端到端信令流程之基本驗證。透過該平台，得以於系統整合階段初步觀察通透模式基地台在長延遲與頻率偏移條件下之操作行為，並檢視相關設計假設於實務情境中的適用性，作為後續實際在軌測試前之輔助依據。

此外，NTN 實驗網亦可作為對應 3GPP NR NTN 架構之共同測試基礎，支援產業於地面端進行相關功能驗證與系統整合，提前辨識可能之技術風險，降低研發初期對在軌測試資源之依賴，有助於降低技術開發門檻、縮短研發與整合時程，並促進 NTN 與衛星通訊相關技術之應用成熟。

結論

一些衛星營運商嘗試將現有通透型衛星加上3GPP NR NTN的數據服務，這背後的動機包含：活化現有資產，以更低的試驗成本，整合地面行動網路，開拓新市場，吸收更廣的客群，實現規模經濟，降低終端成本。

由於近地軌道衛星的高度較低，波束範圍有限，加上衛星相對地表有較高的運動速度，使得「換手」這項技術成了提供無縫服務的必要手段。在衛星網路中，路徑衰減於服務細胞中心與邊緣的差異變化較小，使得傳統地面網路依靠量測訊號強度的變化來判斷換手時機的方式，易發生誤判而換手失敗。Ameba RAN實現了新一代的條件式換手技術，經過與Eutelsat衛星場域的驗證，用戶端裝置成功於實際LEO衛星的環境下完成換手，達到網路服務連續性。在未來我們將持續與國際廠商合作，使得NTN技術能更成熟與完善，及早完成商用落地的目標。

除了持續與國外衛星營運商及歐洲太空總署（ESA）的實地測試外，工研院也開始建構實驗室的測試環境，使得國內的合作廠商在技術轉移與共同開發的階段，可以先在國內實驗室環境內完成基本功能的驗證，爾後再到實地衛星場域進行試煉，使得技術轉移與合作能更平滑過渡。

參考文獻

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