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)
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