工業技術研究院 資訊與通訊研究所 胡恆鳴 程士恒

隨著全球通訊需求由單一軌道模式（如GEO）轉向強調高韌性與低延遲之應用，LEO與MEO衛星的快速發展推動了系統朝多頻、多軌整合運作。

前言

隨著通訊需求由固定式寬頻覆蓋轉向高韌性、低延遲與全球即時連線，傳統單一頻段或單一地球同步軌道之衛星通訊架構，已逐漸顯現效能與應用局限。近年低地球軌道與中地球軌道衛星快速發展，推動系統朝多頻、多軌整合演進。航空、海事、偏鄉與災害通訊及無人載具等應用，對通訊容量、延遲與服務連續性提出更高要求。本文將說明單頻單軌系統限制，並探討多頻多軌衛星通訊地面終端架構、技術挑戰與產業趨勢，勾勒未來衛星通訊發展方向。

衛星通訊系統的演進

衛星通訊系統簡介

隨著全球通訊需求由傳統固定式寬頻覆蓋，逐步演進至強調高韌性、低延遲與全球即時連線之新世代應用型態，衛星通訊技術亦歷經顯著轉型。早期衛星通訊系統主要以地球同步軌道（Geostationary Earth Orbit, GEO）衛星為核心架構，透過少量衛星即可達成大範圍覆蓋，並提供穩定且持續的通訊服務。然而，受限於其約36,000公里之軌道高度，所帶來之高延遲特性，使其在即時互動型應用中逐漸顯現局限性。近年來，隨著低地球軌道（Low Earth Orbit, LEO）衛星與中地球軌道（Medium Earth Orbit, MEO）衛星之快速發展，衛星通訊系統架構開始由傳統單一軌道模式，朝向多軌道整合方向演進。LEO衛星因具備較低軌道高度，可提供低延遲與高容量之通訊能力，適用於即時性需求較高之應用；MEO衛星則位於約8,000至20,000公里之間，在覆蓋範圍與延遲表現上取得折衷，成為承接容量與穩定性之重要中介層；而GEO衛星仍因其廣域覆蓋與連線穩定特性，持續扮演關鍵支撐角色[1]-[3]。

除軌道架構外，頻段使用亦呈現多元化發展趨勢。Ku與Ka頻段已成為當前衛星寬頻通訊之主要選擇，其中Ku頻段具備較佳之抗雨衰能力，適合高可靠度應用，而Ka頻段則提供更高頻寬與系統容量，以支援高速資料傳輸需求。在多元應用需求驅動下，衛星通訊系統逐步由「單頻段、單軌道」架構，演進為「多頻段、多軌道」之整合型通訊體系，以同時滿足效能、覆蓋與可靠度之多重需求。

單頻單軌邁向多頻多軌

於單一軌道架構下，各類系統皆存在明顯限制：LEO衛星雖具低延遲，但需頻繁進行衛星切換（handover），在低仰角（如仰角30°）時，鏈路易受遮蔽影響；GEO衛星雖可提供單顆衛星覆蓋地球約三分之一區域，且連線穩定，但其往返延遲高達約600 ms，難以支援即時應用。MEO衛星則提供約150 ms之延遲 [4]，雖在覆蓋與效能間取得折衷，仍無法單獨滿足低延遲、高容量與高可用度之需求。在實際運作中，衛星與地面終端之相對幾何關係持續變化，使自由空間路徑損耗（Free Space Path Loss, FSPL）、天線增益與鏈路裕度（Link Margin）產生顯著影響。以Ka頻段（約20 GHz）為例，當鏈路距離由低地球軌道（約1,000 km）增加至地球同步軌道（約36,000 km）時，FSPL可由約178 dB上升至約210 dB，差異超過30 dB，對鏈路預算與可支援之調變編碼方案產生關鍵影響[5]。此外，在頻段使用上，單一頻段系統亦存在顯著限制。以Ka頻段為例，雖具備高頻寬與高容量優勢，但於降雨條件下可能產生約5至10 dB以上之雨衰 [6]，進而影響鏈路穩定性；Ku頻段雖較具抗雨衰能力，然其可用頻寬與容量相對有限。當系統僅依賴單一頻段時，往往需在容量與可靠度之間進行取捨，難以同時滿足高吞吐與高可用度之需求。

因此，隨著多軌道衛星系統快速發展，包含SpaceX Starlink（LEO）與SES O3b mPOWER（MEO）等新世代星系逐步成形，不同軌道與頻段之間已呈現高度互補特性。從單頻單軌轉向多頻多軌（Multi-Band, Multi-Orbit）衛星通訊系統，是為了在複雜的全球通訊環境中，達成「效能、覆蓋與韌性」的三位一體，構建一個無縫銜接的立體化網路。透過整合LEO、MEO與GEO多軌道資源，並支援Ka／Ku等多頻段操作，地面終端通訊系統可依據即時通道條件如SNR、仰角、雨衰等條件進行動態鏈路選擇與資源調度。例如在降雨導致Ka-band衰減超過5 dB時，可即時切換至Ku-band維持連線；在延遲需求敏感時選擇LEO鏈路，在高吞吐需求時透過多鏈路並行達成動態資源配置。此外，採用多頻多軌地面終端，意味著一套設備即可相容不同運營商的衛星群。這大幅降低了硬體更換的資本支出（CAPEX），確保在快速變革的衛星產業中，地面站設備不會因單一衛星公司的更迭而迅速過時。此一轉型將使地面終端由傳統「單一鏈路設備」升級為具備跨軌道整合與智慧決策能力之「多維度連線平台」，為未來非地面通訊、手機直連衛星（Direct-to-Cell）及全球無縫通訊架構奠定關鍵技術基礎。

多頻多軌衛星通訊地面終端架構設計與技術挑戰

多頻多軌衛星通訊地面終端架構設計

在多頻多軌衛星通訊地面終端中，系統架構為決定整體鏈路效能、系統可擴展性與長期維運成本之關鍵因素。如圖1所示，整體架構可明確劃分為室內單元（Indoor Unit, IDU）與室外單元（Outdoor Unit, ODU）兩大部分，並透過標準化介面進行控制與資料傳輸。相較於傳統單頻單軌終端，多頻多軌系統需同時支援多衛星星系、多軌道動態及多樣化調變編碼機制，因此終端設計須具備高度模組化、軟體定義化與標準化介面能力，以支援異質網路整合與快速技術演進。多頻多軌地面終端通常採用分層式與模組平台化設計，室外單元包含發射與接收端天線、射頻前端（如Up／Down Converter、PA／LNA模組）、天線控制單元（ACU）、數位中頻數位化模組；室內單元包含多模態基頻控制平台以及智慧衛星網路管理平台。

其中，多模態基頻控制平台多採FPGA／ASIC架構，負責多波形支援、鏈路適應與跨軌道資源調度；而在智慧衛星網路管理平台則可透過SD-WAN架構，實現多鏈路聚合、流量導引與服務品質最佳化，進一步提升整體網路效能與韌性。在多家Modem與多系統整合需求下，標準化介面成為系統設計核心。其中，OpenAMIP（Open Antenna Management Interface Protocol）主要用於建立基頻Modem與天線控制單元之間的控制平面介面[7]。透過OpenAMIP，系統可在不綁定特定天線型式或衛星營運商的前提下，實現天線指向、波束追蹤、衛星切換、功率控制與狀態回饋等功能，使ACU控制邏輯由硬體耦合轉為軟體化控制，顯著提升多頻多軌互通性與可擴展性。另一方面，DIFI（Digital Intermediate Frequency Interoperability）則定義基頻與射頻前端之間的資料平面介面，透過以乙太網路為基礎的數位中頻傳輸機制，實現RF前端之模組化與跨廠商互通[8]。相較於傳統類比IF架構，DIFI可有效降低頻率偏移、雜訊累積與校準複雜度，並支援遠端配置與彈性頻段切換，使系統可快速因應Ka／Ku等多頻段操作需求。

透過OpenAMIP與DIFI所構建之控制平面與資料平面分離架構，地面終端可實現「軟硬體解耦（Decoupling）」之設計目標，使多家Modem、不同天線系統與多頻段RF模組得以在統一架構下整合運作。進一步結合SD-WAN技術，可在多軌環境中進行即時鏈路品質監測與動態路徑選擇，達成跨軌道資源最佳化配置。此一開放式與模組化設計，不僅可大幅降低系統整合與升級成本，亦能縮短新衛星系統導入時程，並促進產業鏈之分工協作，使天線廠商、射頻模組供應商、Modem廠商與系統整合商得以在標準化架構下協同發展。

圖1 衛星通訊地面終端之OpenAMIP與DIFI標準化介面架構圖

多頻多軌衛星地面終端技術挑戰

在多頻多軌衛星通訊系統中，地面終端之設計核心挑戰，已由傳統單一鏈路設備，演進為需同時整合基頻、射頻與天線控制單元之高動態協同控制系統。三者之間須形成低延遲且高精度之閉環控制架構，在高速追蹤與切換場景中甚至需壓低至ms等級以下；若延遲或同步誤差過大，將導致波束指向誤差過高，進而造成鏈路增益損失，直接影響通訊穩定性與吞吐效能。因此，如何在多模組間維持時間同步與狀態一致性，並降低控制與資料路徑延遲，為系統設計首要挑戰。如圖2所示，在高速移動衛星通訊情境中，相對地面終端之角速度大於9°／s，衛星切換典型切換時間需低於50～100 ms，否則將導致封包遺失率上升（>1％）或短暫鏈路中斷[9]-[10]。此一高動態特性要求系統導入預測式控制機制，結合軌道資料（如TLE）與即時量測資訊，將波束指向誤差控制0.2°範圍內。在射頻前端設計方面，多頻多軌系統需同時支援Ku與Ka頻段，使RF架構面臨高功率、高線性度與多頻段整合之挑戰。以Ka頻段為例，為支援高容量傳輸，終端EIRP通常需大於43 dBW，對應功率放大器輸出需維持良好線性度（如EVM < 5～8％）。然而，高功率操作將使熱密度顯著提升，局部熱流密度對散熱與可靠度設計造成壓力。多頻段同時操作亦可能產生互調干擾與頻譜洩漏問題，需確保頻譜遮罩與鄰頻抑制（ACLR）符合規範。

在天線方面，電子掃描相位陣列天線雖可支援快速波束切換，但其掃描效應對系統效能影響顯著。當掃描角度達±60°時，掃描損耗可能導致天線增益下降約3–6 dB，同時旁波瓣上升至-15 dB等級，增加干擾風險。在低仰角操作時，鏈路距離增加與掃描損耗疊加，總鏈路損失可能超過10 dB。因此，需透過陣列加權、自適應波束成形與校準技術，將旁波瓣抑制至-20 dB以下並維持穩定主瓣增益[11]。此外，多頻多軌系統須符合International Telecommunication Union（ITU）之ITU-R S.580-6及 Federal Communications Commission（FCC）之FCC 25.209等規範，對天線旁波瓣輻射與功率頻譜密度（PSD）設有限制。典型要求為旁波瓣需低於主瓣約29–32 dB以上之抑制水準，以避免對鄰近衛星造成干擾 [12]-[13]。因此，需透過動態波束控制與功率限制機制，使EIRP與輻射特性在各操作條件下皆符合規範要求。綜合而言，多頻多軌衛星地面終端之技術挑戰，涵蓋毫秒級低延遲控制、高動態波束追蹤、多頻段射頻整合、相位陣列掃描效應補償、多波束資源調度及嚴格法規遵循等面向。如何在EIRP、G／T、指向誤差與頻譜限制之間取得最佳平衡，將是多頻多軌衛星地面終端之關鍵技術挑戰。

圖2 衛星與地面終端通訊與波束切換示意圖

產業趨勢與工研院關鍵技術布局

國際衛星地面終端產業正由傳統「單一軌道、單一頻段」的專用設備，快速轉向「多頻、多軌、平台化與軟體化」的發展模式。主流國際供應商多以Ku與Ka頻段建立分層產品線，並朝向以同一終端概念與硬體平台，透過軟體設定支援不同軌道與頻段，顯示多頻能力已由高度客製需求，轉為可規模化、可複製的核心競爭力。在此趨勢下，國內衛星通訊產業亦逐步由零組件與單點技術，升級為可直接對接國際營運商與星系的地面終端與系統級解決方案。工研院團隊透過技術研發與移轉，協助國內廠商建立基頻收發、波束獲取與追蹤，以及基頻與射頻整合驗測等關鍵能力，展現由研發走向商品化與量產導入的整體實力，並於整機設計中導入乙太網路整合介面，銜接國際主流技術架構。展望未來，工研院團隊將持續深化多頻、多軌地面設備關鍵技術：於天線模組，結合台灣廠商既有多頻段射頻設計與量產能量，發展模組化、可擴充的射頻前端；於天線控制單元，整合姿態感測與追蹤演算法，支援跨軌道快速波束獲取；並透過OpenAMIP與DIFI架構將基頻與射頻解構為獨立模組，提升系統彈性。進一步以軟體定義的多模態基頻平台與智慧衛星網路管理系統，實現跨軌道選路與網路韌性，協助國內廠商拓展多元應用場景，強化台灣在空地通訊、衛星系統整合與國際接軌的整體競爭力。

結論

多頻多軌衛星通訊地面終端透過整合不同軌道與頻段之優勢，可在延遲、容量、覆蓋與可靠度間取得最佳平衡。然而，其在系統架構、射頻設計、波束控制與法規遵循等層面，亦面臨前所未有的技術挑戰。未來，隨著開放介面標準成熟、相位陣列技術進步與智慧化網路控制導入，多頻多軌系統將成為支撐全球韌性通訊與非地面網路發展的關鍵核心。

參考文獻

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