<p>6G 通訊科技，為何少不了低軌衛星？高軌道的同步衛星早已深入日常，成為全球當今通訊系統中不可或缺的一環；低軌道的小型衛星近年來也發展迅速，預計將成為第六代移動通訊系統（6G）的要角。但衛星對通訊有什麼意義，新興的低軌道衛星又有哪些功能與限制？</p>
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<h2><span style="font-size: 20px;"><strong>遠離地表高高在上：同步衛星與低軌道小型衛星</strong></span></h2>
<p>針對 6G 與低軌衛星，周錫增從通訊基礎談起。他是國立臺灣大學電機工程學系的特聘教授，並擔任電信工程學研究所所長。他解釋，通訊就是在兩點之間傳遞資訊，可以通過有線連結，或是透過電磁波無線連接。但是地形會阻擋與干擾訊號，所以理想狀況是，將地面切割成許多小方塊，每個方塊都設立基地臺，以建構完整的通訊網絡。</p>
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<p>問題來了，有些地區的人口有限，通訊需求量不大，設立基地臺的成本過高，所幸衛星可以解決這些問題。雖然衛星本身的運算能力有限，不過足以作為節點，以進行訊號的中繼與延伸。飛行在太空中的衛星能覆蓋地表，不需要使用太多衛星，便能顧及很大的面積。</p>
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<p>已經使用多時的同步衛星在距離地球較遠的高軌道繞行，一顆衛星就能覆蓋相當大的面積；缺點是提供的通訊容量有限，若同時有大量使用者，每位能分配到的容量就不多，無法傳遞太多訊息。</p>
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<p>在 SpaceX 等新興商業公司帶動下，低軌道小型衛星近年發展突飛猛進。它們的覆蓋範圍較小，卻由於距離地表更近，讓地面更容易接收訊息。使用者能分配到的容量大增，不但更有利於即時連線，一次還可以傳送更多訊息。</p>
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<p>與同步衛星相比，低軌道小型衛星的單顆成本大幅降低，但壽命也縮短許多。原因之一是同步衛星進入高軌道後，不常需要調整，消耗較少；低軌道衛星卻要經常移動，損耗較大。不過因為低軌道通訊系統時常需要更換新的衛星，因此也帶來順便更新設備和升級新技術的優點。</p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2024/06/7-1_670x460.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">如果天上總是有衛星能對著你，通訊時便可克服地面障礙的死角。</div>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">衛星與地面基地臺是互補關係</span></strong></h2>
<p>衛星既然是飛在太空的通訊平臺，它們有可能取代地面的傳統基地臺嗎？工業技術研究院的技術經理林咨銘解釋，無線電通訊的發展目標不是代替傳統的地面基地臺，而是將其送上天空，可以運用熱氣球、飛機、無人機、衛星等載具。 從功能性來說，基地臺是行動通訊的必要基礎元件，未來將以不同形式在各個情境中實現無線電通訊。</p>
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<p>周錫增教授指出，將基地臺送上太空有難度，畢竟在移動中的物體，彼此協調比較困難，而且衛星傳輸的資料量不如地面。更經濟也較容易達成的策略是，搭配衛星與地面基地臺，在人口密集、需求量大的地區以基地臺為主，而在基礎建設缺乏、位置偏遠、通訊量低的地區，再以衛星覆蓋，消除每一塊死角。</p>
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<p>楊文豪任職中華電信的協理，曾擔任中華電信研究院無線通信研究所所長。他表示，考慮到室內涵蓋、網路容量、傳輸延遲及終端設備等多方可限制，衛星不可能完全取代地面基地臺。</p>
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<p>一方面，儘管低軌道衛星的數量已經大增，但還是遠少於基地臺，何況單一衛星的涵蓋範圍雖然遠較基地臺更大，但單位面積的通訊傳輸量仍比不上基地臺。另一方面，衛星發送的訊號頻率較高、繞射能力較差，到地表後無法直接在室內接收，要在室外收訊或收訊後再轉傳到室內。</p>
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<p>還有一大問題是收訊的終端設備，低軌道衛星的地面設備比起大家熟悉的手機，依然相對龐大且耗電，攜帶移動使用並不方便。</p>
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<p>楊文豪協理強調，衛星與地面基地臺是互補關係，在地面建設缺乏或不經濟的地區，可依靠衛星、高空平臺（high altitude platform station, HAPS）等裝置輔助通訊。然而每種設備都有其局限，例如飛行高度不到太空的高空平臺，可以安裝基地臺達到通訊目的。這類飛行器可以視為一種長時間飛在大氣層內的無人機，但運作受到燃料、電力等限制。</p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2024/06/7-2_670x460.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">低軌道衛星的接收端天線裝置，已經比同步衛星輕便很多，但與手機相比依然更龐大而且耗電。</div>
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<h2><span style="font-size: 20px;"><strong>擬定共通標準，才能串連全球</strong></span></h2>
<p>低軌道小型衛星有許多優點，卻也有其限制。與高軌道上總是對著地球連線的同步衛星相比，低軌道衛星能使用的時間很短。</p>
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<p>從地面收訊的角度來看，當一顆衛星與某地連線後，在幾分鐘後它便會離開收訊範圍，要保持通訊就需要換成下一顆通過的衛星。在此限制下，如果想保持全天通訊不間斷，至少需要上百顆小型衛星。</p>
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<p>另一方面，從衛星在太空中的角度思考，一顆衛星對一個地點能提供的服務只有幾分鐘。假如只有一處用戶使用衛星，那麼在一天 24 小時中，這顆衛星將有 23 小時 50 分鐘左右是閒置狀態，顯然很不划算。為了充分利用每一顆低軌道衛星，勢必要拉攏跨越多國的使用者。例如一顆衛星飛過臺灣上空時，服務臺灣的用戶，隨後移動到日本上空，再改為服務日本的用戶。</p>
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<p>為了要讓跨國的用戶都能使用，衛星必須有通用的標準。更大的議題是，隨著通訊科技發展，越來越多無線電系統被開發出來，訊號發射方式十分多元。這使得有限的頻譜資源日益緊縮，也衍生出無線電頻譜干擾與共存的問題。</p>
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<p>專精於無線電頻譜的林咨銘技術經理曾經參與 WiFi、4G 與 5G 的標準制定，現在的工作範圍在 6G。身為這方面的專家，他解釋通訊衛星的議題，主要分為「衛星軌道」與「無線電頻譜」兩大類，包含申請、註冊、授權、管理、營運、技術以及協調等項目，非常複雜。</p>
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<p>目前相關領域的管理機構，稱為國際電信聯盟無線電通信部門（International Telecommunication Union Radiocommunication Sector, ITU-R），全世界包含 6G 和衛星無線電的法規與管理，都在其無線電規則中有清楚交代，這些法規同時也是全球各國必須遵守的國際法。</p>
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<p>如前所述，低軌道衛星無法完全取代地面基地臺，而是融入現有的通訊體系 。目前它們最不可取代的功能，是彌補地面缺乏基地臺聯絡的死角。通過各種方法互補使用，才能完善滿足不同的通訊需求。</p>
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<p>（客座總編輯｜中興大學電機資訊學院 楊谷章院長；研究顧問團隊｜ 國立臺灣大學電機工程學系周錫增教授、中華電信楊文豪協理、工業技術研究院林咨銘博士；責任編輯｜曹盛威、趙筱文）</p>
