工業技術研究院 資訊與通訊研究所 陳瑞文 張百荃

無論是偏遠地區、海洋或高空，多軌道衛星整合技術正逐步成為全球網路不可或缺的一部分。透過智慧化的管理平台，企業能實現跨地域、跨場域的無縫連線體驗，提升營運韌性。

前言

在現代企業環境中，網路已成為企業營運與數位服務的核心基礎建設。企業應用服務可能同時分散於總部、分公司、資料中心、公有雲與行動工作據點之間，這使得廣域網路（Wide Area Network, WAN）從單純的連線管道，轉變為需要高度彈性與智慧化管理的關鍵平台。

在軟體定義廣域網路（Software-Defined Wide Area Network, SD-WAN）出現之前，企業WAN主要依賴多重協定標籤交換（Multiprotocol Label Switching, MPLS）專線與靜態路由，但隨著雲端應用的普及，這種架構逐漸顯露出限制，企業開始大量使用軟體即服務（Software as a Service, SaaS）與多雲服務，使流量不再集中於總部，而是直接前往雲端，如下圖1，傳統輪輻式架構（Hub-and-Spoke Architecture）導致流量必須繞經總部的Hub再前往網際網路，不僅增加延遲也浪費頻寬資源。

圖1 Hub-and-Spoke架構

SD-WAN正是為了解決這些問題，其核心概念是將WAN的控制平面（Control Plane）與資料平面（Data Plane）分離，透過集中式控制器，網路管理者可以即時監測各鏈路的延遲、抖動、丟包率與可用頻寬，並依據應用需求動態選擇最佳路徑，這種以應用為導向的網路模式，使WAN從靜態基礎建設轉變為可程式化平台。

SD-WAN的三大核心能力包括多鏈路整合、應用感知路由與自動化管理，如下圖2所示，企業可以同時使用光纖、5G、LTE與衛星，並依據應用需求自動分流流量，如視訊會議走低延遲鏈路，而備份資料則走高吞吐鏈路，透過零接觸部署（Zero-Touch Provisioning, ZTP），新據點設備可在上電後自動完成設定，大幅縮短部署時間，SD-WAN的出現，使企業網路第一次具備「智慧選路」能力。

圖2 SD-WAN架構

衛星網路的今昔

衛星通訊是人類第一個真正的全球網路，它突破地形限制，使海洋、天空與偏遠地區能夠連線，如圖3所示，衛星網路依軌道高度可分為地球同步軌道（Geostationary Earth Orbit, GEO）、中地球軌道（Medium Earth Orbit, MEO） 與 低地球軌道（Low Earth Orbit, LEO），傳統GEO衛星位於約36,000公里高空，地面天線可固定指向單一衛星，覆蓋範圍廣，然而，訊號往返距離超過72,000公里，使延遲高達600毫秒，對即時應用而言，這樣的延遲極具挑戰。低軌衛星星系的出現改變了這個局面，LEO衛星高度約300至1,200公里，延遲可降至20–50毫秒，接近地面網路，但LEO衛星會持續移動，使無線鏈路頻繁切換，網路拓撲也因此高度動態，使系統複雜度大幅提升。

圖3 地球軌道衛星種類

但即使技術持續進步，衛星網路仍面臨三大天然限制：高延遲、雨衰與頻寬昂貴，Ku與Ka頻段在降雨時會產生嚴重衰減，導致丟包機率上升與頻寬下降，此外衛星頻譜與軌道資源有限，使每一bit的傳輸成本遠高於光纖。因此，衛星網路長期被視為「最後手段」。然而，雲端與即時應用的興起，使偏遠地區與移動場景對高品質連線的需求大幅提升，衛星開始從備援走向主要連線。

衛星鏈路強化技術

在了解衛星網路的物理限制之後，一個自然的問題隨之而來：既然衛星距離與天氣無法改變，那如何讓單一衛星鏈路「看起來更像光纖」？這個問題的答案，幾乎貫穿了過去二十多年通訊的技術發展，從傳輸協定、編碼技術到封包處理機制，整個通訊Protocol Stack都曾被重新設計與最佳化。本章將依序介紹三個關鍵層面：

1. 傳輸協定優化（TCP Acceleration／PEP）
2. 前向錯誤更正（FEC 與 Erasure Coding）
3. 自適應噴泉碼（Fountain Code）與即時傳輸演進

為何TCP在衛星鏈路表現不佳

網際網路絕大多數資料傳輸建立在TCP協定之上，然而TCP的設計背景，是延遲低且相對穩定的地面網路環境，當TCP被直接套用到衛星鏈路時，設計情境與實際環境的落差，會造成顯著效能問題。

高延遲對TCP的影響：TCP的傳輸速率與往返時間（Round Trip Time, RTT）高度相關。在地面光纖網路中，RTT通常為數毫秒到數十毫秒，但在GEO衛星鏈路中，RTT可達600毫秒以上，這會導致兩個問題：

1. 慢啟動時間過長：TCP在連線初期會以Slow Start機制逐步增加傳輸速率。高RTT代表每次調整都需等待更長時間，使達到最佳吞吐率的時間大幅延長。對於短連線（如網頁瀏覽）而言，甚至可能在尚未達到穩定速率前就已結束傳輸。
2. 頻寬延遲積（Bandwidth Delay Product, BDP）過大：衛星鏈路通常具有高頻寬與高延遲特性，形成極大的BDP，若TCP視窗未調整至足夠大小，鏈路將無法被充分利用，造成頻寬浪費。TCP的錯誤判斷將封包遺失視為壅塞訊號，並降低傳輸速率，結果是即使鏈路仍有可用頻寬，TCP也不會充分利用。但在衛星鏈路中，丟包往往源自以下三種原因：
   • 雨衰造成訊號衰減
   • 衛星波束切換
   • 暫時遮蔽或干擾

效能增強代理（PEP）

為了解決TCP與衛星鏈路的不相容問題，業界發展出效能增強代理（Performance Enhancing Proxy, PEP），核心概念是將一條長距離TCP連線拆分為多段短連線，衛星鏈路不再直接承載TCP，而是使用專門針對高延遲設計的傳輸協定。PEP可提供多種優化功能：

1. TCP Acceleration：透過視窗預先確認與快速重傳，降低RTT影響。
2. 封包快取與壓縮：減少重複資料傳輸，節省頻寬。
3. Traffic Shape與Priority控制：確保重要流量優先傳輸。

   PEP曾是衛星網路不可或缺的核心技術。然而，隨著端到端加密（TLS）與新型協定普及，PEP的角色逐漸受到限制，因其需中斷端到端連線。

   • 前向糾錯（Forward Error Correction, FEC）

   若TCP重傳成本過高，另一種思路是「避免重傳」，這正是FEC的核心概念，FEC在傳送資料時加入冗餘資訊，使接收端即使遺失部分封包，也能自行修復資料，而不需重傳。在衛星鏈路中，FEC帶來三大優勢：

   1. 降低重傳延遲：避免因RTT過高造成的重傳等待。
   2. 提升即時應用品質：語音與視訊可容忍少量冗餘，但難以承受重傳延遲。
   3. 平滑鏈路品質波動：減少抖動與突發丟包影響。

   然而，傳統FEC需事先設定冗餘比例，難以應對快速變化的鏈路品質。

Fountain Code：自適應可靠傳輸

如圖4所示，為解決固定冗餘比例的限制，後續發展出噴泉碼（Fountain Code），Fountain Code的關鍵特性是「無率（Rateless）」，編碼器可持續產生冗餘封包，直到接收端成功解碼，接收端只需取得「足夠多」的封包，即可重建原始資料，不需要事先知道丟包率。由於其丟包率隨時間變動劇烈、無法事先準確預測、重傳成本極高，因此，非常適合衛星鏈路。Fountain Code讓傳輸從「重傳導向」轉變為「冗餘導向」，大幅提升可靠性與頻寬效率。

圖4 Fountain code概念

UDP與即時應用的崛起

隨著視訊會議、即時串流與雲端應用普及，低延遲的重要性逐漸超越完全可靠傳輸。這促使越來越多應用改用UDP。UDP的理念是寧可少量丟包，也不要等待重傳，當UDP與FEC或Fountain Code結合時，便可同時達到低延遲、高可靠、穩定吞吐率，這種架構逐漸成為現代衛星網路的主流設計。

單一鏈路的極限

即使透過TCP acceleration、PEP、FEC與Fountain Code，單一衛星鏈路仍存在無法突破的限制：

• 天氣可能造成長時間中斷
• 衛星可能暫時不可用
• 頻寬仍為稀缺資源

這代表著單一鏈路的優化已接近極限，下一步的答案不再是「讓一條鏈路更好」，而是讓多條鏈路一起工作。

多鏈路衛星SD-WAN架構

透過TCP Acceleration、PEP、FEC與Fountain Code，在將單一衛星鏈路優化到極限的狀況下，仍有問題無法被單鏈路優化方向解決，即使單一鏈路可以「跑得很快」，也仍無法保證「永遠可用」，對企業與關鍵應用而言，可用性往往比速度更重要，因此產業開始轉向新的思維，試著不再依賴「一條最佳鏈路」，而是建立「多條可同時運作的鏈路」，這正是Satellite SD-WAN的適合的運用方向。

從備援鏈路到Active-Active架構

在SD-WAN出現之前，企業常使用「主備援」設計主鏈路（光纖或MPLS）及備援鏈路（4G或衛星）。當主鏈路故障時才切換到備援鏈路，這種設計在傳統IT環境中相當常見，但對即時應用而言仍有以下的缺點：

• 切換時間可能達數秒甚至數分鐘
• 使用者仍會感知連線中斷
• 備援鏈路長期閒置造成浪費

而SD-WAN將這種模式改為Active-Active架構，在此架構中，所有鏈路同時參與傳輸。流量不再等待故障才切換，而是持續分配至最佳鏈路，當某條鏈路品質下降時，流量會逐漸轉移，而非瞬間切換，這種「無感切換」是多鏈路SD-WAN最重要的價值之一。

多鏈路衛星網路的組成

現代衛星終端通常不再只具備單一連線，而是整合多種網路，如下表1為各類型網路及其特性：

表1 各類型網路及其特性

這些鏈路各有優缺點，單獨使用時無法滿足所有需求，但透過SD-WAN，可將它們整合為單一虛擬鏈路資源池。SD-WAN控制器會持續蒐集各鏈路的即時指標，包含延遲（Latency）、抖動（Jitter）、丟包率（Packet Loss）、可用頻寬（Available Bandwidth），並以毫秒等級頻率更新決策。

應用感知路由（Application-Aware Routing）

不同應用對網路的需求差異極大，如：視訊會議需要低延遲與低抖動、雲端備份需要高吞吐量、IoT遙測需要高穩定性、遠端控制需要最低延遲與高可靠性，若所有流量使用同一條鏈路，將無法同時滿足這些需求，應用感知路由讓SD-WAN能辨識應用類型並進行流量分流，讓網路從「傳輸封包」進化為「理解應用」。例如：

• Zoom／Teams→LEO或5G
• 資料雲端備份→GEO
• IoT資料→最穩定鏈路

天氣感知路由（Weather-Aware Routing）

衛星網路最特別的挑戰之一，是天氣對鏈路品質的影響，Ku與Ka頻段在降雨時會產生嚴重衰減，導致吞吐量大幅下降甚至中斷，傳統網路僅能在鏈路品質下降後被動反應，但SD-WAN開始導入預測能力，系統可整合包含：氣象雷達資料、雨量預測模型、歷史鏈路品質資料、即時訊號強度等資料，並透過機器學習分析預測出哪個地面站即將受暴雨影響、哪條衛星鏈路即將衰減、何時應提前切換流量等，讓「反應式路由」轉為「預測式路由」的能力，是SD-WAN的重要轉變。

與衛星設備的深度整合

傳統SD-WAN主要運作於IP網路層，但在衛星網路中，僅控制IP層仍不足夠，現代Satellite SD-WAN開始與通訊設備深度整合，包括：

• 衛星數據機（Satellite Modem）
• 相位陣列天線（Phased Array Antenna）
• 基頻處理模組（Baseband）

在各項設備中，透過整合控制介面，SD-WAN可動態調整各衛星網路的無線鏈路資源，如下表2：

表2 控制項目及其目的

與SD-WAN控制器整合，額外蒐集各衛星鏈路的即時指標：

• 訊號強度（Signal Noise Ratio）
• 天線指向（Antenna Pointing）
• 鏈接衛星TLE位置資訊

使SD-WAN從「網路管理系統」進而成為跨層級通訊控制平台。

多地面站與核心網路協調

型衛星網路通常包含全球多個地面站（Gateway）。不同地面站的鏈路品質、壅塞程度與天氣狀況皆不同。Satellite SD-WAN Core的角色包括：

• 管理全球鏈路狀態
• 分配流量至最佳地面站
• 協調多終端設備
• 集中策略與安全管理

這形成一個全新的概念：分散式衛星網路（Distributed Satellite Network），在這個架構中，衛星網路不再是單一連線，而是一個全球協作的連線平台。

多鏈路SD-WAN是關鍵轉折

過去衛星網路的核心目標是「能連線」，現在的目標則是「像光纖一樣連線」，多鏈路SD-WAN帶來三個關鍵轉變：

• 可靠性提升：多鏈路降低單點故障風險。
• 效能最佳化：流量可依需求選擇最佳鏈路。
• 自動化管理：網路從人工操作轉向自動決策。

當多鏈路衛星SD-WAN從概念走向成熟，其價值最直接的體現，便是在各種「沒有固定網路卻需要穩定連線」的產業情境中，這些情境過去往往只能依賴單一衛星鏈路或高成本專線，如今則可能可以開始採用多鏈路整合與智慧路由，讓衛星連線逐漸具備接近地面網路的使用體驗。

在海事產業中，船舶長期航行於遠離陸地的海域，過去僅能依賴GEO衛星提供基本通訊服務，但隨著船舶數位化與遠端運營需求提升，船上不僅需要電子郵件與語音通訊，更需要視訊會議、即時航行監控與遠端維修支援，多鏈路衛星SD-WAN讓船舶可同時使用GEO與LEO衛星，GEO提供穩定吞吐量，而LEO提供低延遲服務，兩者互補，以大幅提升船上連線品質。

在航空產業中，機上Wi-Fi與飛行資料回傳已成為標準需求，但飛機高速移動且航線跨越不同覆蓋區域，使單一衛星鏈路難以維持穩定連線，透過SD-WAN，系統可在不同衛星與地面站之間無縫切換，使乘客與航空公司皆能獲得穩定服務。

能源與礦業同樣是重要應用場景，偏遠油田與礦區缺乏地面網路基礎建設，但需要即時監控與自動化系統，多鏈路衛星SD-WAN能確保關鍵控制流量具備高可用性，同時支援大量資料回傳。

在災害應變與臨時通訊中，多鏈路衛星網路則可在地面基礎設施受損時快速建立通訊能力，成為維持救援與指揮運作的重要一環。在以上這些案例顯示，衛星網路可能正從備援角色，轉變為關鍵產業的主要連線方式。

本所根據過去執行衛星通訊系統的經驗，目前正在持續投入多軌道衛星通訊地面站的開發，多軌道衛星通訊地面站將結合多鏈路衛星SD-WAN架構，整合各家衛星通訊網路，透過單一地面站，能夠在海事、金融、災害應變等場域，提供使用者更穩定且具備高度韌性的衛星網路。

衛星網路在過去二十年間的關鍵轉變，從早期只是以「能連線」為目標，到現在即時通訊與全球數位化需求快速發展，單純依賴地面網路已難以滿足跨地域、跨場域的連線需求，衛星網路的重要性因而逐漸提升。

為了改善單一衛星鏈路的限制，產業首先從傳輸協定與編碼技術著手，發展出TCP Acceleration、PEP、FEC與Fountain Code等技術，使高延遲與丟包問題得以大幅緩解。然而，單一鏈路仍無法克服天氣與可用性的根本限制。真正未來的轉折點，來自SD-WAN將多種鏈路整合為單一資源池，使複數衛星網路、行動網路與地面網路能夠協同運作，並透過應用感知與天氣預測進行智慧選路。多鏈路衛星SD-WAN的成熟，使海事、航空、能源與災害應變等產業得以在缺乏固定基礎建設的環境中，獲得接近地面網路等級的連線體驗，再來隨著AI、Intent-Based Networking的發展，衛星網路將逐步邁向自動化與預測式運作，成為全球網際網路不可或缺的一部分。