從StarLink救援烏俄戰爭談低軌衛星技術

作者:陸向陽

近期烏克蘭與俄羅斯發生戰爭,Elon Musk允許烏克蘭使用其StarLink衛星通訊服務,此舉倍受世界矚目,也讓StarLink知名度大增,同時低軌衛星(Low-Earth Orbit, LEO)技術的熱度也再度成為話題。

圖一 架設在屋頂的StarLink通訊衛星天線 (來源:StarLink)

說起低軌衛星(LEO)的走紅,要從兩方面來談,一是衛星發射成本,二是通信覆蓋成本。過去要將衛星發射到太空倚賴的是一次性火箭,火箭將衛星推入設定軌道的前後就會將燃料耗盡,而後墜毀於地球或拋向太空,無法再次使用,因此發射成本高昂。之後美國提出太空梭,目標是讓太空梭進出往返太空100、200次才退役,太空梭需要人員駕駛,在多次的事故與太空人罹難後,美國才停止使用太空梭。

而在太空梭之後有各種其他新嘗試。例如,英國維珍集團(Virgin Group)提出用飛機把火箭運載到高空再發射,如此能降低發射成本,但過程中也發生過墜機意外並造成飛行員傷亡。

維珍集團曾嘗試用特有的雙體飛機將火箭載至高空發射(圖片來源

Elon Musk的SpaceX公司提出,可自動回返地面並緩慢降落的火箭,不會像一次性火箭那樣墜毀報銷,火箭可再利用,也是降低成本的方式,但與維珍集團相同的,發展過程中也不太順利。同時衛星技術也在進步,衛星的重量、容積都在縮減,過去一次只能發射一顆衛星上太空,改成一次可以運載多顆衛星上太空,發射成本也可降低。

基地台成本過高!覆蓋面積受阻成迫在眉睫之問題!

接著談論覆蓋成本,一個3G、4G基地台架設起來,除了需要如冷氣機般的220V高耗能供電外,基地台背後也需要實體固接線路才能傳輸資料,過去是銅線,隨著通訊速度加快多已換替成光纖,而固接線路隨長度有牽佈成本、例行檢查維護成本,每多架設一個基地台,就增加一個供電需求、固接線路需求。

然而,基地台可以覆蓋與服務的範圍面積,很大程度受到建築物與地形等阻隔所限。因此,為強化訊號,彌補通訊死角,只能裝設更多的基地台,成本因而增加。此在人口稠密區尚可供電與牽佈線路,然在偏鄉地區,人煙罕至區就略為困難,但這些地方亦有上網需求或物聯網應用之需求,如偵測森林大火、偵測油管壓力洩漏等。

因此,若能將基地台高吊起來,避開地面阻隔,一個基地台的覆蓋能力就能完全展現,使覆蓋成本降低。例如,數年前Google的Loon專案,試圖用配備太陽能板的熱氣球吊起LTE基地台,以提供偏鄉地區的寬頻上網服務;Facebook也用太陽能板的無人滑翔機嘗試長期在高空提供寬頻服務,但兩種嘗試碰到技術或成本上的難題,均未能持續。

圖三 Google的Loon專案試圖以高空基地台提供寬頻上網服務(圖片來源:Loon)

 

 

圖四 Facebook太陽能無人滑翔機計畫Aquila,此計畫已無限期擱置(圖片來源: Facebook)

基地台的高空化就寄望到低軌衛星上,初期只是把衛星當成長距離的無線信號反射鏡,基地台依然在地面,以此省去在地面牽佈昂貴、長距離的固接線路。更後續的,也將嘗試讓新發射的衛星本身就帶有基地台功能。所以,行動通訊技術的持續擴展延伸本身就需要倚賴衛星,5G標準之後的B5G(Beyond 5G)標準就有非地面網路(Non-Terrestrial Network, NTN)、衛星與高海拔平台(Satellites and High-Altitude Platform, HAP)等技術提案,後續的6G也必然延續此議題再開展。

選擇低軌衛星之理由:傳輸延遲性是關鍵!

為何必須是低軌衛星?不能是中軌、高軌?答案是傳輸延遲性(Latency),軌道愈高,傳輸的往返距離愈遠,傳輸延遲時間也就愈長,新一代的無線通訊多講究低延遲,因此需要低軌衛星。

然而低軌也有缺點,衛星的視野較小,需要數百、數千顆才能覆蓋整個地球面積;相對的,高軌衛星只需要三顆,中軌也只要數十顆。而且,低軌衛星因為距離地球近,為了擺脫地心引力的影響必須以更快的速度移動,導致衛星壽命較短,3~5年就會耗盡;相對的,高軌衛星則能有15~20年壽命。而快速移動也讓衛星通訊必須快速換手(hand-over)才能讓服務不中斷,此也是一項挑戰。

各類衛星發展特性一覽表(資料來源

事實上換手概念在地面基地台上已行之有年,倘若一個人邊開車邊用手機講電話,車子從A基地台覆蓋區駛入B基地台覆蓋區,A基地台會透過固接線路通知B基地台要接手,持續給手機通話服務,避免斷話。

換手在地面基地台運作上只要能支援時速一、二百公里移動的裝置即可,畢竟一般人開車大體就這個速度,然而換手一旦改在衛星上,衛星移動速度快過地面車輛,換手的平順性就成了挑戰。

除此之外,了解低軌衛星之餘,另一個重點是現行的飛機、輪船等早就配備衛星通信,為何還需要B5G、6G?答案是這些衛星通訊多採專屬技術,但量價均攤效益有限下,其衛星通信裝置昂貴、衛星通訊服務也昂貴,B5G、6G試圖用現有大宗使用的手機技術及零件,讓衛星通信能平價化,取代這些各自專屬的少量衛星通信裝置與服務。

StarLink低軌衛星發射成本雖低,卻仍需擔憂傳輸距離等問題!

講到這,其實現行可用的StarLink低軌衛星服務也是專屬技術,只是其通訊衛星多是用SpaceX火箭發射服務所發射升空,發射成本相對較低,在太空中構建出整體衛星服務網的佈建成本也較低。其他發展中且較知名的低軌衛星技術與服務包含OneWeb、Amazon旗下的Kuiper System,以及Telesat等,各業者發展與佈建進度不一。

各國主要廠商低軌道衛星通訊計畫概況(資料來源

當然,衛星通訊也不全然好,由於傳輸距離遠大過與裝置與地面基地台的通訊,功耗用電自然大,且衛星向地面發的訊號經長途傳輸能量已很微弱,若有遮敝就無法接收到,這也是為何GPS衛星導航一進隧道、地下停車場就會失效,衛星信號至多能穿透車窗玻璃,地面基地台的信號就較衛星信號有較佳的穿透性。

圖五 衛星在於追求廣大的通訊覆蓋 (圖片來源:ESTI)

總結

整體而言,衛星能用較低的成本達到較寬廣的無遮蔽通訊覆蓋面積,至於較地面裝置更耗電、信號的穿透性較差等特性,已屬次要考量。

再回到Starlink,SpaceX是在2015年提出Starlink這項計畫,目標在低軌道部署超過1.2萬個衛星群,組成一個高品質、低成本,能充分覆蓋全球的寬頻網路。目前SpaceX已完成一千多個衛星的部署,並在2020年10月起開始啟動Starlink公共測試服務(名為:Better Than Nothing),用戶除了需支付月費外,還需額外支付用戶天線終端、組裝三腳架及Wi-Fi路由器等裝置的一次性費用,而網友分享的實測體驗還算不錯。

看來,Starlink雖仍處於早期階段,但確實有能力提供服務了。衷心希望Starlink服務能為烏克蘭人民的抗戰帶來幫助!

(責任編輯:唐育琪)

陸向陽
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Author: 陸向陽

從電子科系畢業後,即以媒體人的角色繼續這段與「電子科技」的不解之緣。歷任電子技術專書作者、電子媒體記者、分析師等角色,並持續寫作不殆。近來投入Arduino、Raspberry Pi等開放硬體的研究與教程介紹。

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