與5G兼容互補及6G生態融合
~論低軌道衛星通信服務與相關產業發展(下)
肆、5G與衛星技術標準融合與國際發展
為實現5G萬物相聯的願景，衛星通信已納入國際技術標準制訂進程，B5G/6G結合非陸域(NTN)網路技術，目標將達成陸地、天空及海洋的廣域覆蓋，ITU及3GPP等標準化組織成立專門工作組討論及研議衛星與地面網路融合的技術標準議題，如WRC-19討論非靜止衛星規則新增HAPs頻段，WRC-23將討論6G頻譜需求，WRC-27將討論6G頻譜分配；3GPP則從R-14開始衛星通信系統與地面網路融合的先期初步研究，在TS22.261中，探討衛星在5G系統的角色和優勢，由於對廣域覆蓋要求的工業應用具有顯著優勢，衛星網路可在地面5G覆蓋的薄弱地區提供覆蓋方案，對於5G網路之M2M/IoT應用，及為高速移動載體乘客提供網路服務，借助衛星優越的廣播傳播能力，可為網路邊緣及使用者終端提供資訊服務。
3GPP從R-15標準正式開始討論衛星議題，議題包括Integration of Satellite in 5G、NR in non-terrestrial 等，由工作組對與衛星相關接取網協議及架構進行評估，定義｢5G使用衛星接取之連續性服務｣、｢無所不在服務｣和｢擴展性服務｣等三大類應用案例，討論衛星終端特性的建立、配置與維護，以及在衛星通信網路與地面網路間的跨系統協定、漫遊及通信系統切換問題，並在2017年底發佈TS22.822技術報告；R-16則展開非地面網路5G新空中介面專案，討論包括 5G Service Satellite in 5G system Architecture，以及持續從 RAN architecture 及 Access layer、 Phy layer討論NR in non-terrestrial。
R- 17自2020到今年則進一步討論到 5G system supports satellite及IoT & NR over NTN，R-17規劃把衛星通訊納入5G網路，從 RAN architecture、Access layer、 及Phy layer各網路架構層討論 NR supports non-terrestrial，研究5G NR支援衛星通信相關標準化，定義包括衛星網路在內的非地面網路部署情境，5G的NTN應用情境包括8個增強型行動寬頻(eMBB)和2個大規模機器通訊(mMTC)情境，借助衛星廣域覆蓋能力，使營運商在地面網路不發達地區，還能提供5G商用服務，，尤其是在緊急通信、海運通信、航空通信及鐵路沿線通信等情境中發揮作用，R-17~ R-19持續討論B5G研究與標準制定，R-19~ R-21則將討論6G可行性研究與標準制定，ITU-R及3GPP也將進行技術標準整合。
商用化各項測試也在各地持續進行，除前述聯發科與Inmarsat合作之以NB-IoT晶片完成5G物聯網高軌道資料傳輸測試之外，例如2019年4月，另一個重要的指標性低軌道衛星通信運營商加拿大Telesat，與電信營運商Vodafone、英國Surrey大學5G創新中心合作，以SSTL生產的Phase 1低地球軌道衛星，完成行動網路營運商的5G 回傳網路測試，測試結果網路往返延遲為18–40毫秒，是目前最低的衛星連接時間，可以支援視訊、網頁瀏覽及4K/8K視訊同步串流，Telesat將解決方案整合提供客戶競爭優勢，使用戶運用LEO衛星提供行動回傳額外選項，適用於居住在農村地區的客戶，該測試可為用戶提供C、X、Ku和Ka頻段的高速連結。
歐盟也非常積極參與推動衛星通信與5G通信標準的發展，國際合作是歐洲太空政策核心內容之一，歐盟與美國、俄羅斯和日本等傳統太空國家，及其他新興太空國家及發展中國家合作，歐洲太空總署、歐盟執委會和俄羅斯聯邦太空總署三方並組成太空對話指導委員會，建立包括衛星通訊等7 個工作小組。
在歐盟推動衛星產業參與5G標準發展方面，在歐盟執委會與歐洲航天局等機構倡導下，歐洲成立SaT5G(Satellite and Terrestrial Network for 5G)和SATis5等產業聯盟組織，推動衛星與5G結合應用，自2008年起歐盟正式啟動泛歐衛星行動通信服務審核與流程簡化，在全歐盟範圍內展開衛星行動通訊服務，之後陸續的重要進程包括歐盟委員會提出整合各成員國資源，發展泛歐衛星行動通信，2016年歐盟委員會提出「歐洲太空戰略」，推動歐洲航太一體化、特別是2018年歐洲衛星公司在SaT5G合作框架下，完成利用衛星提供5G傳輸服務驗證，為探索5G 衛星地面融合方案提供重要基礎。
SaT5G聯盟是2017年6月歐盟投入約830萬歐元資金，由英國電信、空中巴士集團及航太公司、Surrey大學等16家企業與研究機構聯合成立，投入歐洲5G與衛星結合專案，SaT5G聯盟來自9個歐洲成員國和一個相關國家(以色列)，共16個合作夥伴，地面和衛星合作夥伴代表各占一半，預計在30個月內完成以下衛星與5G整合方案及試驗：(一)定義和評估網路架構解決方案、(二)研究商業價值主張、(三)定義和開發相關關鍵技術、(四)針對特性和案例進行展示、(五)推動在3GPP和ETSI中的標準化工作。
ITU也提出了衛星通信與地面5G行動通信融合問題提出4 種應用情境，包括中繼到站、社區回傳、移動中通訊及多播，總體而言，5G行動通信與衛星通信的互通互連融合發展，針對行動通信的痛點，衛星通信先天優勢是超越地形與距離的廣域覆蓋，但終端和資費昂貴，兩者結合既能實現無縫覆蓋，亦為提供大眾化通訊手段之整合。
此外，針對下一代通信系統發展，目前各方討論多認為將會朝向地面太空融合趨勢整合，未來6G標準可預期會包括衛星之間的直接通信，結合現行5G行動通信系統與衛星通信形成全覆蓋異質網路，達成跨越海陸空限制的萬物聯網，所以未來6G融合的生態系統，是指一種通信技術標準，包容了衛星及地面行動通信，並與用戶終端採用全覆蓋網路一致標準接取，而能夠支持的應用情境與整合服務與內容將有無限可能。
伍、低軌道衛星通訊服務頻率分配及其他監理事項
在頻譜分配與使用方面，低軌道衛星運作於距地面600至2,000公里範圍，運作時可能與較早發射之同步軌道衛星造成干擾，或因使用Ku、Ka頻段，與地面5G、固定通信等既有服務運作頻段重疊或相鄰，導致干擾疑慮，許多國家陸續積極探討低軌道衛星與既有服務使用頻率之協調處理作業，常見協調處理原則：保護既有服務運作、採取彈性規管架構規範新興低軌道衛星應用。如設定保護區或實體隔離、功率規範限制、執照附屬條件、執照規範或其他作法。目前各國作法大多為，國外衛星採用頻段是否會與國內有關業務形成干擾問題，需個別檢視各計畫衛星頻段之使用情況，必要時進行頻譜整備，以避免干擾。
隨著新興服務演進，低軌道衛星通訊可提供寬頻速率連線，應用於物聯網與M2M，服務需求增加使頻譜資源需求增加，國際低軌道衛星通信大廠亦正積極規劃與佈署星系及準備全球商用服務。國際間各國就低軌道衛星頻率相關國家目前採用情況，低軌道衛星以 Ku/Ka頻段為各國監理重點頻段，衛星Gateway及服務鏈路端用戶終端於相關頻段大多使用之頻率範圍分別為：(一)Service Link：空對地10.7–12.75 GHz，地對空12.75–13.25、13.85–14.5 GHz；(二)Feeder Link：空對地17.3–20.2 GHz，地對空27.5–30.0 GHz；因低軌道衛星之服務提供與網路架構需透過Gateway方能實現網路連線，故各國多透過規管Gateway方式，規範地面接收電臺使用頻率與執照。
前已述及供衛星通信使用的可能頻段涵蓋，目前低軌道通信衛星布局及申請多以Ku及Ka頻段，乃至於申請V及E頻段，以SpaceX於2015年提出的Starlink星鏈計畫為例，期望透過低軌衛星群，提供覆蓋全球的高速網際網路服務，為地球上服務欠缺的地區提供寬頻網際網路連接，並為城市地區提供價格優惠的服務；商業模式瞄準「無網路覆蓋區域」之網路需求，透過低軌通訊衛星將高速網路提供至沒有佈建光纖網路的偏鄉地區，最終目標是要全球覆蓋，只需架設衛星天線接上路由器，無論何時何地皆能連網。Starlink星鏈計畫第一階LEO衛星以Ku/Ka頻段為主，第二階段VLEO（Very Low Earth Orbits）極低地球軌道則使用V頻段，並預計再申請E頻段使用，每一枚衛星承載量約為15~20 Gbps，想像一下第一階段三千多顆第二階段七千多顆乃至於未來三萬多顆低軌道及及低軌道衛星傳輸的承載狀況。
各國固網寬頻業者及5G行動寬頻業者由於可能的競合關係，都高度關注低軌道衛星通信業者動態，各國監理機關也持續研議授權提供服務的執照條件，政策態度大致如下：(一)美：5G地面通訊優先，已完成5G毫米波釋出，24.75–25.25GHz干擾範圍內的人口數量及地面站數量皆受到限制，衛星業者必須負擔干擾保護義務。(二)英：不得干擾既有用戶。(三)德：衛星業者不得干擾既有網路(微波固定服務、同步衛星服務及衛星廣播服務)，亦不得對既有網路主張干擾保護。(四)日：經總務省干擾測試在干擾措施下可共存，總務省在釋出5G頻段前，選定可能干擾情境進行測試，提出干擾保護措施條件，在基地台設置位置及數量的管制條件下得以共存。(五)澳洲：衛星業務優先，人口稠密區允許共存，衛星優先，地面可作5G FWA，在衛星地球站干擾範圍外可設置5G，並限制天線角度與功率。
國際衛星通信服務運營商如擬在台灣提供服務，程序上我國行政院應先行研議頻譜供應規劃，在國家安全、產業發展、頻率和諧及通訊監察等規範前提下，核定｢無線電頻率供應計畫｣及｢中華民國無線電頻率分配表｣，接著由國家通訊傳播委員會依據行政院公告受理申請，依據為｢電信事業申請衛星通信無線電頻率核配有關事項｣法規預告與公告，受理申請後即進行申請者審查、核配頻率、核准運計畫及網路設置計畫等，業者後續應完成公眾電信網路設置、網路資安計畫、並確保消費者保護；相關法規依據主要為｢電信管理法｣，及依據該法訂定之包括｢電信事業申請衛星通信無線電頻率核配辦法｣、｢無線電頻率使用管理辦｣、｢公眾電信網路設置申請及審查辦法｣、｢公眾電信網路審驗辦法｣、｢電信事業資通安全管理辦法｣、及｢衛星地球電台設置使用管理辦法｣等子法；資安方面要特別注意網路管理、技術審驗、通訊監察、資通安全防護、及通傳設備安全。
國際衛星通信服務運營商選擇落地服務，優先考量的目標應該是補足無法選擇以傳統方式直接連接網路的族群，經營模式即為直接銷售衛星通信上網服務，以Starlink星鏈計畫為例，目前技術可達及規劃程度為下行速度為+100Mbps，上行速度為+40 Mbps，延遲小於40毫秒，當地監理將透過地面接收站申設規管，同時應該也有向當地電信運營商租用頻寬的需求；落地服務提供真正的問題關鍵還是在於規劃頻段與既有使用頻段是否重疊或干擾。
陸、低軌道衛星通訊服務與設備產業生態系統及技術創新
低軌道衛星的發展既支援全球通訊環境，包括：(一)偏遠地區極低經濟效益地區網路需求：偏遠、地理複雜地區、山區、海上、島嶼等因光纖鋪設工程困難，可運用梯軌衛星作為回傳網路，(二)補充移動設備通訊需求：航空器、船舶、汽車等移動終端，如具備低軌衛星系統接取能力，可在移動過程中保持連續的不間斷的網路寬頻連線狀態，(三)特殊應用場景地面通訊備援：例如衛星廣播broadcasting功能，與同步更新功能具有優勢，可應用於同步資訊更新，也可作為特殊用途通訊備援例，如災難救助、高頻金融交易等等。
低軌衛星的發展同時也促進了全球衛星產業發展，帶動產值提升，一般稱商業衛星產業包括｢衛星服務｣、｢衛星地面接收設備製造｣、｢衛星製造｣及｢衛星發射服務｣四個次產業領域，由於多家大型衛星運營商推出自有低軌道衛星通信系統計畫，大幅帶動相關產業產值提升；在衛星產業四個次產業領域中，衛星服務與衛星發射由大型國際業者壟斷，衛星服務產值占衛星產業約45%，須具備全球應運能力，如本文前所述及SpaceX的Starlink星鏈計畫、Amazon旗下Kuiper System發展的Kuiper Project、One Web、以及Telesat等主要及其他業者，衛星發射服務產值占2%，具高技術門檻也同樣需要大量資本，僅少數業者具備條件；衛星製造與衛星地面接收設備製造則具備國際分工空間，衛星製造產值占衛星產業約5%，系統設計由大型衛星製造商主導，零組件具有外包生產需求，衛星地面接收設備製造產值占衛星產業約48%，通訊系統由大型服務商掌握，零組件及組裝具有國際供應鏈分工需求與空間。
我國在衛星產業四項次產業領域中，衛星服務與衛星發射次領域尚不具備全球營運及相關的資本與技術條件，惟衛星服務與國際業者有競合關係，我國既有｢衛星固定通信業務｣業者可嘗試尋求業務發展合作可能性，各該監理規範則詳本文前章節說明。
至於衛星製造與衛星地面接收站製造則具有國際合作空間，目前我國已有業者以ODM或EMS切入相關供應鏈，但是我們要特別提出，無論是低軌道衛星通信或者是5G頻譜發展，在通信技術發展上，毫米波頻段無疑在未來可預見的五十年將扮演非常重要的角色，因此在相關供應鏈中，特別是在地面的移動終端或是客戶終端，在設計、製造、測試個環節都是相當重要的工作，需要就通信技術與系統進行整合，包括天線陣列及電力系統等，是高頻段順利進入高效運用及商用化的關鍵之一，而這些技術含量極高的領域，也是台灣企業投入並逐漸嶄露頭角的領域。
柒、結語
全球低軌道衛星通信的發展，目前還是處於基礎建設與驗證時期，低軌道衛星服務業者以掌握衛星發射技術的SpaceX為首，勇於創造話題並積極建設，而各國對於衛星產業的發展，則以美國為首，全面推進，甚至可說全球已經再次進入太空競賽以及通訊競賽的時代；而台灣在這一波熱潮當中，不落人後推出了宣示意義的｢太空發展法｣，惟展望產業實質發展，仍應積極探究契機及具體合作，從衛星服務與5G/6G異質網路整合帶動寬頻應用服務發展，到設備製造供應鏈國際分工，涉及的是國際接軌與國內整合，以服務帶動製造，能發展走到什麼程度端視我們的格局及策略。
想起Richard Branson在進行太空之旅後於推特影片中說：「地球上所有的孩子們，我曾是正懷有夢想的孩子，仰望天上的星星。如今，我是個成人，跟其他很多很棒的成人在太空船上，俯視我們美好的地球。 下一代的夢想者，如果我們能做到這件事，請想像你們未來能做的事！ ｣
