智慧應用 影音
中華電信股份有限公司國際電信分公司
20210818_DWebinar0818_異地備援

【認識5G】專題報導

【認識5G專題報導5-5】天地一體化通訊系統的發展代表太空科技的競爭時代已經來臨

天地一體化通訊系統的發展代表太空科技競爭時代已來臨。法新社

馬斯克的SpaceX公司預計未來在地球上空部署12,000顆通訊衛星稱為「星鏈計畫(Starlink)」,在2019年6月發射第一枚火箭一次載運60顆衛星成功進入軌道,目前已經發射大約1,000顆衛星,到底什麼是通訊衛星?通訊衛星會取代地面基地台與光纖網路嗎?衛星通訊如何補足地面光纖網路無法到達的最後一哩路呢?

什麼是通訊衛星?

所謂的通訊衛星,就是把架設在地面大樓屋頂的基地台移到太空中,優點是訊號涵蓋範圍大,幾乎可以傳送到世界的任何一個角落,主要分為三類:

同步軌道衛星(GEO:Geostationary Earth Orbit):距離地面3.5萬公里與地球同步運轉的衛星,傳送距離較遠,延遲時間大約250毫秒,由於高度夠高只需要3顆衛星就可以涵蓋大部分地區。

中軌道衛星(MEO:Medium Earth Orbit):距離地面2,000公~35,786公里之間的軌道,延遲時間大約100毫秒,目前主要是導航衛星使用,包括美國的全球衛星定位系統(GPS)、歐洲的伽利略(Galileo)、俄羅斯的格洛納斯(Glonass)、中國的北斗衛星(Beidou )等,大約需要30顆衛星才能涵蓋大部分地區。

低軌道衛星(LEO:Low Earth Orbit):距離地面2,000公里以下,由於距離地面較近,延遲時間大約20毫秒,目前大多數是觀測衛星、量測衛星,以及一些新的通信衛星使用,距離地面2,000公里大約需要5,000顆衛星,星鏈計畫衛星高度大約400公里,因此需要12,000顆衛星。

這幾年的通訊衛星有那些進步?

1990年代摩托羅拉(Motorola)發起的「銥計畫」到2000年破產倒閉,為什麼這幾年又有許多廠商重啟通訊衛星計畫,主要是這幾年火箭運載能力突破使得發射衛星的成本大幅下降,再加上微型衛星成為主流,不但造價較低而且火箭單次就能投放大量衛星,再加上火箭回收技術實驗成功,可以節省火箭發射成本。

此外,射頻元件與天線技術的突破,使得衛星通訊的效能比起20年前進步許多,「高通量衛星(HTS:High Throughput Satellite)」技術的突破,更使得目前一顆衛星可以支援超過10Gbps的資料傳輸率,星鏈計畫的衛星號稱可以達到20Gbps,就是因為這些進步使得SpaceX公司有了說服投資人的機會。

通訊衛星會取代地面基地台嗎?

通訊衛星雖然具有涵蓋範圍大的優點,但是缺點也不少,例如:在外太空故障維修困難;所有的衛星都有使用壽命,低軌道微型衛星一般由於攜帶燃料較少而且運行速度較快因此壽命較短,一般大約3~5年;由於距離遠所以延遲時間長(使用者做出觸發動作與得到回應的時間),即使低軌道衛星也要大約20毫秒,比起5G的1毫秒長得多。

此外訊號要從手機傳送到500公里的衛星要比5公里的地面基地台耗電得多,因此行動衛星電話需要大電池體積較大;通訊衛星大部分使用Ka與Ku頻段的電磁波,頻率大約10~30GHz,這個頻率的電磁波繞射特性差,不容易繞過障礙物,因此室內無法接收,一般以地面接收站或屋頂的碟型天線接收以後,再轉送到行動裝置比較可行,所以通訊衛星主要是做為兩個地面站之間的連線,而不是和手機直接通訊,因此「絕對不可能」取代地面基地台。

通訊衛星會取代地面光纖網路嗎?

最基本的一個概念:在相同的頻寬(Hz)下,無線通訊不論用什麼方法資料傳輸率(bps:bit per second)都不可能比有線通訊高,要如何在相同的頻寬(Hz)下提高資料傳輸率是近代數位通訊的重要發展方向,基本上就是使用更好的調變(OFDM)與多工(1024QAM)技術。

由於無線通訊的傳送環境是我們看到的空間,相同的頻率只能使用一次否則會互相干擾,而且傳送的過程會有許多雜訊干擾,相比之下有線通訊使用的光纖,相同的頻率可以重複使用在不同的光纖不會互相干擾,而且傳送的過程雜訊少得多,因此可以使用更好的調變與多工技術提高資料傳輸率,因此通訊衛星「絕對不可能」取代地面光纖網路。

某些深山或鄉村人煙稀少拉光纖的效益太低,例如:在玉山頂上如果要建置一個5G基地台,要拉一條光纖上山,但是使用者明明就很少,該怎麼辦呢?最簡單的方式就是在骨幹網路與玉山頂上各建置一個地面接收站,利用通訊衛星連接兩端,這樣比拉一條光纖還便宜,這樣的應用場景在台灣很少,在美國、澳洲等地廣人稀的國家比較多。

網路速度要快 須用小型基地台而不是衛星

由於同一個空間如果頻率相同會互相干擾,因此每個基地台都會限制通訊範圍,避免干擾別的基地台,意思是:基地台愈多,每個基地台的通訊範圍愈小,電磁波的功率愈小,服務的人數就愈少,每個人分到的資料傳輸率愈高,要讓大家上網速度變快,則基地台的通訊範圍愈小愈好,再加上毫米波(mmWave)繞射效果不好,因此5G和未來的6G是朝向「小型基地台(Small cell)」發展而不是衛星。

天地一體化通訊系統的發展代表太空科技競爭時代已來臨

5G的第一個特性:增強行動寬頻上網(eMBB),就是「速度快」,從上面的例子知道速度快要用小型基地台而不是衛星;第二個特性:高可靠低延遲通訊(URLLC),就是「反應快」,必須支援1毫秒的延遲,而低軌道衛星的延遲時間是20毫秒,這也差太多了!第三個特性:大量裝置連網通訊(mMTC),就是「連結多」,支援每平方公里100萬個以上的連網裝置,而且必須非常省電、非常便宜,星鏈計畫的衛星使用的地面裝置,既不省電也不便宜,就更不用說到了6G這些規格只會更嚴苛,衛星更是不可能達成。

因此未來5G和6G的主角還是地面基地台,衛星只是「配角」而已,在某些深山或鄉村人煙稀少的地方,自駕車為了確保網路連線暢通可能配備衛星通訊,或是海洋上沒有基地台的地方,或長程飛行的無人機不可能使用地面基地台,另外全球還有30億人沒有光纖網路可以使用,這些都是星鏈計畫可以開發的市場,補足地面光纖網路無法到達的最後一哩路。

未來的通訊系統將是結合地面無線接取網路(RAN)、核心網路(CN),與太空中的低軌道通訊衛星,架構成「天地一體化通訊系統」,事實上從商業的角度,星鏈計畫的衛星主要就是取代傳統的中高軌道衛星,搶食現有的衛星通訊市場,由於舊衛星的發射與維修成本高,會漸漸被星鏈計畫的衛星取代,此外從戰略的角度,現在中軌道的衛星愈來愈擁擠了,只有低軌道還空著,因此世界各國「先搶先贏」,代表太空科技的競爭時代已經來臨。

延伸閱讀:

【認識5G專題報導5-1】5G時代來臨 3秒下載電影不是重點

【認識5G專題報導5-2】什麼是毫米波(mmWave)與太赫茲(THz)?

【認識5G專題報導5-3】為什麼5G使用毫米波 6G使用太赫茲?

【認識5G專題報導5-4】開放無線接取網路與核心網路成為新趨勢

曲建仲,知識力科技公司執行長,為政治大學、輔仁大學、東吳大學兼任助理教授。

  •     按讚加入DIGITIMES智慧應用粉絲團
更多關鍵字報導: 5G