基地台不夠力？5G NB-IoT通訊改連線衛星！

Posted By 陸向陽 on 12 月 9, 2020 in NB-IoT, 綜論 | 0 comments

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作者：陸向陽

眾所皆知的，NB-IoT是4G/LTE、5G的IoT通訊協定，直接運用已經廣泛佈建的基地台就可以實現各種IoT應用，例如家家戶戶的智慧電錶抄錶、智慧路燈所需的環境亮度感測，或地震感測、空氣品質感測等。

不過在新一輪的行動通訊技術標準會議中，業界已開始提議讓NB-IoT改與衛星通訊，稱為非地面存取網路（Non-Terrestrial Networks, NTN）、高海拔平台（High-Altitude Platform, HAP）。為何不持續使用地面基地台呢？以下本文將對此探討。

5G NB-IoT將使用上衛星通訊技術。（圖片來源：羅德史瓦茲）

長途固接線路成本過高

以智慧抄錶應用來說，家家戶戶有個智慧電錶，電錶用NB-IoT協定把用電量傳遞給LTE基地台，再由基地台透過固接線路（銅線或光纖）傳回電力公司，而後寄出帳單，省去人工抄錶。

但這個設想是人口稠密區的作法，如果有一個很遠的偏鄉也需要抄錶，基地台設在偏鄉負責抄錶，基地台對應需要的固接線路也要牽佈非常遠，成本很高，且基地台在偏鄉的附帶使用機會（電話、上網等）不大，那線路的牽佈投資可能不合成本，或很久才能回本。

或者，如果是在人煙稀少的地區有長距離國界的偵防需要（他人不可越界），或只有佈建輸油管需要偵測管路壓力（避免油外洩，例如中亞輸油管，路經之處多是荒地），一樣是：牽佈了基地台對應需要的實體線路後，除了物聯網感測需求外幾乎沒有他用，長距離牽佈不合成本。

這時，就需要使用衛星通訊，每個NB-IoT的感測器節點（sensor node）不把資料傳給地面基地台，也不設立地面基地台，改把資料上傳到太空中的衛星，再由衛星轉傳資訊。

移動載具的需要

與前述類似的，如果鐵路運輸、貨車貨運經過的地方，經常是長時間、長距離荒地的，如此沿線佈建基地台，然後對應牽佈基地台需要的固接線路，其實也是使用率低、佈建成本高的。

這時候，只要在火車上、貨車上佈建NB-IoT感測器節點，然後直接把資訊上傳到太空中的衛星，透過衛星轉傳，一樣是比較合算的。類似的，如果是在貨船上，貨船多數時間在海上，根本沒有地面基地台可以支援，這時也只能把資料上傳到衛星，透過衛星轉傳，客機、貨機的情境也類似。Skylo公司的方案讓海上船隻也能用此衛星網路來傳送資訊，請參考影片：

更簡單說，其實現行3G、4G/LTE等的地面基地台覆蓋面積，其實只佔全球10%的面積，也就是人口稠密區，還有90%的面積沒有覆蓋到，這些地區都是人煙稀少的地區，人們只有少數時間會去（例如登山、探勘研究），但物聯網的感測裝置可能要長期設置在那些荒涼地區，例如在森林裡設置溫度感測器，以便第一時間知道森林大火發生，進而第一時間因應。

為了實現這90%的面積覆蓋，若也是用地面基地台去覆蓋，成本必然高昂，因此必須使用衛星，且以NB-IoT的需要，多過一般行動通訊的語音、數據（上網）需要。

不同的實現方法

有關與衛星連線通訊的新技術提案，估計只會用在5G版本的NB-IoT上，且實現方式會有很多種，一種是NB-IoT感測器節點直接把資料丟向太空中的衛星，衛星純扮演資料「反射鏡」的角色，把資料反射到另一個地面位置，而後再連接基地台，更之後連接核網系統。這個反射距離通常很遠，好取代長途牽佈的固接線路。

或者，是地面基地台將資料丟到空中的衛星，再透過衛星單純將資料反射回地面，而後連接核網系統。上述兩種作法大體不需要改動衛星太多，現行已發射上軌道的衛星即可實現，但後續也可能為此一應用發射新的衛星，衛星本身就帶有基地台功能，如此NB-IoT資料上傳到衛星，反射下來就直接連接地面核網系統了。

由於要把資料打到太空中的衛星，電波電量自然不可能像發給附近地面基地台那樣弱弱的即可，所以實際上NB-IoT節點也非小電力裝置，以Skylo公司的Skylo Hub而言就有可攜式電池12,000mAh，備用電池3,000mAh，發送訊號到太空時約20W電力，接收也要5W，待機狀態下是1W，資料傳輸量20kbps，且為雙向傳輸，另也支援定位能力，誤差約3公尺。