近地衛星納入行動通訊生態系 6G輪廓逐漸清晰

作者: 黃繼寬
2021 年 07 月 05 日

雖然5G網路建設跟應用開發還在持續進行,但根據行動通訊10年換一代的產業發展節奏,現在已經是該把6G相關討論搬上檯面的時候。3GPP已於日前宣布,將在2022年凍結的Release 17(R17)版本中,會把非地面波(Non-terrestrial Network, NTN)通訊納入,作為3GPP標準的一部分。

3GPP標準納入NTN,對行動通訊產業跟衛星通訊產業而言,都是非常重要的發展里程碑。在此之前,行動通訊跟衛星通訊基本上是兩個獨立發展的產業,除了少數元件大廠同時跨足兩個產業外,中下游的設備製造商、服務供應商,乃至服務的用戶族群,都是不一樣的。但在3GPP將NTN納入後,這兩個產業鏈不僅會有更多互動合作的機會,甚至有可能打造出全新的產業格局。

衛星通訊成本大減 應用普及露曙光

不管是有線或無線通訊,有訊號的地方才有通訊服務存在的可能性。因此,如何用合理的成本實現訊號覆蓋,一直是所有通訊業者共同面臨的課題。

在人口稠密或人類活動密集的地區,因為通訊需求大,投資報酬率高,因此一直是服務供應商優先進行網路布建的地方。但也因為網路建設必須考量到投資回收問題, 使得地球上仍有許多地方缺乏行動網路覆蓋。因此,依靠網路做生意的網路大廠,如Google、Facebook等,都曾經實驗過各種非地面網路布建方式,例如把基地台架設在無人機或高空氣球上,藉由這些飛行載具向地面提供通訊服務。

然而,這類在大氣圈內飛行的載具,普遍有續航力不足,無法穩定地針對某個地區提供通訊服務的缺點。因此,在實驗一段時間後,這些計畫並未進一步發展成常態性的商業服務,頂多是在特殊緊急事件發生時,利用無人機或高空氣球架設臨時性的網路。若這些沒有網路覆蓋的地區真的有迫切的 通訊需求,最終還是要靠衛星來提供通訊服務。

衛星通訊不是新技術,其發展歷史甚至比行動通訊還要悠久。但因為衛星造價高昂,發射成本也高,故衛星通訊的成本極為昂貴,別說一般消費者負擔不起,規模不夠大的企業也沒辦法使用。

微型衛星的誕生,加上Space X在火箭技術方面取得重大突破,讓衛星通訊的成本在近幾年出現戲劇性的降幅。衛星的微型化,不僅讓衛星的造價變得更便宜,也讓一枚火箭可以同時把數枚、甚至數十枚衛星送上軌道,把發射衛星的平均成本大幅壓低。另一方面,Space X在火箭回收重複利用方面,亦取得了重大成就,讓發射火箭的成本得以明顯下降。

兩大因素交互作用下,現在近地軌道(距離地面數十至數百公里之間的空域)可說是熱鬧無比,除了世界各國政府所擁有的衛星外,還有大量民間企業擁有的衛星。光是Space X旗下的衛星寬頻服務Starlink,目前就已經有近1400顆衛星在軌道上;oneWeb、Telesat亦分別擁有近150枚與300枚衛星所組成的網路(圖1)。

圖1 由大量近地衛星所組成的衛星通訊網路,將可實現涵蓋整個地球的訊號覆蓋

衛星/行動通訊融合 主導權大戰一觸即發

物聯網是5G應用的重點項目。藉由將服務範疇從人擴展到各種物件,行動通訊技術的應用市場不再僅限於智慧型手機、平板等個人裝置,大量工業設備、運輸載具、感測裝置也開始連線上網,為行動通訊產業鏈中的成員創造出巨大商機。

然而,也因為目前絕大多數的物聯網應用,必須依附在既有的行動通訊網路之上,因此在沒有行動通訊網路覆蓋的地方,物聯網應用難以大規模發展。這類場域其實相當多,而且很多都是非常高價值的大型系統,例如海上航行的各種船隻、位於偏遠地區的鑽油平台、礦場、油管等,還有在天上飛的民航機等。

目前這類設備只能仰賴衛星通訊來連網,行動通訊業者只能看著這些B2B商機被衛星通訊業者拿下。5G業者大力鼓吹物聯網概念,但卻因為沒有對應的基礎建設,只能看著這些大規模物聯網業務被衛星通訊業者拿下,心裡想必很不是滋味,且隨著民營衛星公司的衛星網路建設日益完善,衛星通訊產業最終將成為電信產業的潛在威脅。

與其讓衛星寬頻通訊產業逐漸成長茁壯,最終成為自己的競爭對手,何不搶先一步,讓衛星寬頻通訊產業成為整個行動通訊產業的成員之一。3GPP在R17中納入NTN,其實就是為了實現行動通訊跟衛星通訊產業的融合,且3GPP若不盡快採取行動,很可能會讓來自衛星通訊產業的業者搶先拿下主導權。

事實上,Starlink已經向美國聯邦通訊傳播委員會(FCC)遞交申請,希望取得電信商資格。且在其遞交的申請書中,Starlink明確表示將會推出電話等多種硬體終端產品,以便讓用戶使用Starlink提供的服務。此外,Starlink還將為美國中低收入戶供廉價上網服務,以縮減美國社會的數位落差。

這項申請文件說明了兩件事:一、 Starlink會有自己的硬體裝置;二、衛星寬頻將會是中低收入者也能負擔得起的服務。這對傳統電信商來說,威脅不可謂不大。

另一方面,同樣是Elon Musk所擁有的Tesla,也一直傳出要進軍智慧型手機市場的消息,且為了與現有的智慧型手機建立明顯的產品區隔,Tesla所推出的智慧型手機,很可能會具有衛星通訊功能。

有業界人士認為,考量到衛星通訊的功耗問題,傳言中的Tesla智慧型手機,很可能會是以Tesla電動車作為衛星訊號的收發站,由電動車將衛星訊號轉換成手機支援的訊號,以便讓Tesla的智慧型手機存取衛星服務。這種系統架構的實做並不困難,難的是衛星網路的建置。如果Space X的衛星網路品質、涵蓋率都已經有一定水準,Tesla要藉此推出自有品牌手機,基本上是水到渠成。

因此,該業界人士評論稱,倘若3GPP現在不採取行動,依Tesla跟Space X的 技術實力,還有Elon Musk創造市場話題的能力,傳統電信產業很可能會遇上大麻煩。

3GPP納入NTN的技術挑戰不過,對3GPP而言,要把衛星通訊跟行動通訊融合在同一個標準下,最大的問題在於衛星通訊跟行動通訊所面對的物理尺度有相當大的差異,導致兩種通訊模式所使用的技術有很大的差異。

NI亞太區半導體開發經理潘建安分析,行動通訊系統在物理上所需跨越的距離,通常只有數百公尺到數公里之間,但衛星通訊的訊號卻必須傳遞數百公里。為了讓訊號傳遞這麼遠,衛星通訊的訊號發射功率必然會比行動通訊高出一大截,進而使系統的散熱、電源設計面臨很大的挑戰。

其次,低軌道衛星是移動速度非常快的物體。在行動通訊場景中,手機跟基地台之間的相對速度,最極端也不過是每小時200~300公里;但在衛星通訊場景中,低軌道衛星的地面速度超過每小時2.5萬公里,因此兩者的都普勒效應(Doppler Effect)完全是不同等級的。為針對都普勒效應進行校正,衛星通訊採用的演算法跟行動通訊有很大的差異,連帶影響到實體層(PHY)元件的設計。

第三,如果要讓終端裝置在行動通訊跟衛星通訊之間實現無縫換手(Handover),系統的媒體存取控制(MAC)勢必也得重新定義。

因為牽涉到的技術修改範圍太大,要把 NTN納入3GPP標準,必然是一個長期的技術演進過程。2022年凍結的R17標準,頂多是這趟旅程的開端,基於相關標準所開發出來的原型系統,可能要等到2025年才會問世。

但潘建安透露,NI有很多學術研究領域的客戶,早在2019年就已經開始利用NI的軟硬體方案,針對NTN相關議題展開研究。因為NI提供的解決方案具有優異的彈性,允許用戶針對自己的研究、測試需求進行高度客製化,所以在這類前瞻技術研究上,NI是許多研究團隊所選用的儀器平台。

設計驗證挑戰大 模擬系統不可或缺

亞德諾(ADI)應用工程師陳偉峰(圖2)則表示,若要超前布局NTN,對於設備開發商而言,要自行設計產品,最大的困難點還是在主動式天線陣列相關的設計。

圖2 亞德諾應用工程師陳偉峰表示,NTN設備雖可沿用現有的衛星通訊晶片,最終還是會需要專用的客製化方案

以地面端設備而言,測試場域會是另外一個問題,設計完成後除了使用模擬設備測試,最後還是要跟天空中的衛星做測試驗證。這可能也是台灣政府積極推動衛星產業發展的原因。

除了衛星本身外,另外一個比較現實的問題是,擁有衛星發射能力的公司或單位屈指可數,台灣廠商要怎麼能夠在其中佔有一席之地,從技術被認可到最後進入量產,這也是廠商在設計開發前需要思考的問題。

最後,成本問題也會是NTN產品開發商必須面對的挑戰。就技術層面而言,NTN設備應該可以沿用目前衛星通訊所使用的射頻元件,但在衛星產業的一個現實是,硬體成本(BOM Cost)會由終端產品的價格回推。當業界的領先者推出產品到市場上,並在新聞廣告上曝光之後,就會對終端產品的價格產生錨定效應。

因此,最終能進入量產的產品,必須具備高性能、高整合度,同時還要保有價格競爭力。是故,隨著終端產品的需求逐漸上升,設備製造商更可能需要高度對應NTN規格需求的客製化晶片。

針對NTN產品研發最具挑戰性的模擬作業,是德(Keysights)已於日前發表專門為NTN前期研發所設計的模擬系統(圖3)。是德科技行銷處資深專案經理郭丁豪表示,日前該公司已推出Keysight S8825A衛星和航太通道模擬工具套件,該套件提供先進的通道模擬功能,可加速NTN網路布署與應用開發的速度,對許多創新5G服務,甚至更前瞻的6G研發而言,是不可或缺的工具。

圖3 是德科技所推出的衛星通道模擬工具套件S8825A

即將在2022年制定完成的3GPP R17,其最大的亮點之一,就是將NTN納入。衛星和地面網路的結合,可為偏遠地區的消費者,以及公共安全、智慧城市和農業,採礦與採掘產業,提供經濟有效且安全的寬頻行動通訊連結。同時,NTN也被認為是6G不可或缺的關鍵技術,因此,相關研發需求勢必將快速竄起。

為協助客戶完成5G NTN的研發,甚至對6G展開超前部署,是德結合在商業通訊和航太領域所累積的專業知識,開發了具端對端衛星鏈路模擬功能的整合式5G NTN測試解決方案。此新的工具套件為是德科技全方位航太測試與量測解決方案的其中之一,可支援端對端現場驗收測試,是改善全球覆蓋範圍、航太與航海通訊,以及郊區的緊急與災難復原的關鍵要素。

SA8825A工具套件是專為5G NTN測試所設計的解決方案,可協助廠商和行動通訊業者,以及衛星設備和網路供應商,驗證由地面基礎設施和軌道衛星組成的複雜系統。該工具套件基於PROPSIM FS16和F64通道模擬器硬體和軟體平台,可提供真實的射頻通道功能,其中包括動態多路徑傳輸、更寬的頻寬,以及多達64個射頻或航太通道。

此套件可為所有5G NTN系統提供全面的支援,協助客戶在實驗室環境中建立端對端混合式地面和太空測試網路,以便用經濟有效的方式驗證終端使用者體驗。此外,這個套件亦可模擬地面對衛星、衛星對地面,以及地面對地面衛星鏈路,以便全面驗證地面和非地面基礎設施的效能。

許多衛星通訊在設計研發時必須特別注意的考量,例如超長的延遲時間、都卜勒效應,以及網狀網路等,都會導致鏈路驗證複雜性提高。這款套件將可協助客戶的研發工程師用更快的速度完成環境模擬,找出這些問題的解方。

得太空者得6G 2021年將是衛星革命開端

羅德史瓦茲(R&S)資深協理盧迦立則指出,從5G的下半場到之後的6G,市場競爭的焦點勢必會從地面延伸到太空。這對於擁有完整衛星籌載測試解決方案的R&S而言,將是一大利多。R&S有多款訊號產生器、頻譜分析儀跟向量網路分析儀設備,都可支援針對衛星通訊所開發的額外選項,許多衛星公司亦已在衛星的設計開發過程中,採用R&S提供的方案。因此,NTN可說是 R&S的主場。

隨著2021年全球更多地區連接到5G網路,低軌衛星將扮演至關重要的角色。因為衛星可以與5G蜂窩式網路無縫協作,以使最終用戶體驗達到一致、可靠、高性能的連網。服務供應商將可靈活地決定為客戶提供最佳服務的方式,無論是透過衛星、光纖電纜還是行動網路,還是透過這三種方式的組合網路都可。

中國在2020年1月發射商業5G近地衛星Yinhe-1,這種結合5G與衛星的新服務,可成為領土較大的國家於5G甚至6G的發展帶到新的服務水準。該測試項目是中國私有企業Galaxy Space針對全球5G星座大計劃的一部分。未來三年,中國將在全球範圍內發射144顆衛星;也曾在2020年聲稱已經透過其近地衛星成功地測試了5G視訊通話,顯然中國不會在這波衛星通訊熱潮中缺席。

另一方面,歐美的民營衛星通訊公司,也已經擁有具相當規模的衛星網路,並陸續開始衛星寬頻的試營運。雖然距離全面商轉或許仍需幾年時間,但2021年絕對是近地衛星革命的開端。傳統的電信公司初期或許感受不到壓力,可是隨著時間的推移,這一壓力將變得愈來愈大。

因此,短中期可以見到電信和衛星營運商將開始合作,以改善行動連網的回程服務。可是要如何克服監管障礙將是不同國家衛星公司最頭痛的挑戰。

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