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【认识5G】专题报导

【认识5G专题报导5-5】天地一体化通讯系统的发展代表太空科技的竞争时代已经来临

马斯克的SpaceX公司预计未来在地球上空部署12,000颗通讯卫星称为「星链计划(Starlink)」,在2019年6月发射第一枚火箭一次载运60颗卫星成功进入轨道,目前已经发射大约1,000颗卫星,到底什麽是通讯卫星?通讯卫星会取代地面基站与光纤网络吗?卫星通讯如何补足地面光纤网络无法到达的最后一里路呢?

什麽是通讯卫星?

所谓的通讯卫星,就是把架设在地面大楼屋顶的基站移到太空中,优点是信号涵盖范围大,几乎可以传送到世界的任何一个角落,主要分为三类:

同步轨道卫星(GEO:Geostationary Earth Orbit):距离地面3.5万公里与地球同步运转的卫星,传送距离较远,延迟时间大约250毫秒,由于高度够高只需要3颗卫星就可以涵盖大部分地区。

中轨道卫星(MEO:Medium Earth Orbit):距离地面2,000公~35,786公里之间的轨道,延迟时间大约100毫秒,目前主要是导航卫星使用,包括美国的全球卫星定位系统(GPS)、欧洲的伽利略(Galileo)、俄罗斯的格洛纳斯(Glonass)、国内的北斗卫星(Beidou )等,大约需要30颗卫星才能涵盖大部分地区。

低轨道卫星(LEO:Low Earth Orbit):距离地面2,000公里以下,由于距离地面较近,延迟时间大约20毫秒,目前大多数是观测卫星、量测卫星,以及一些新的通信卫星使用,距离地面2,000公里大约需要5,000颗卫星,星链计划卫星高度大约400公里,因此需要12,000颗卫星。

这几年的通讯卫星有那些进步?

1990年代摩托罗拉(Motorola)发起的「铱计划」到2000年破产倒闭,为什麽这几年又有许多厂商重启通讯卫星计划,主要是这几年火箭运载能力突破使得发射卫星的成本大幅下降,再加上微型卫星成为主流,不但造价较低而且火箭单次就能投放大量卫星,再加上火箭回收技术实验成功,可以节省火箭发射成本。

此外,射频元件与天线技术的突破,使得卫星通讯的效能比起20年前进步许多,「高通量卫星(HTS:High Throughput Satellite)」技术的突破,更使得目前一颗卫星可以支持超过10Gbps的数据传输率,星链计划的卫星号称可以达到20Gbps,就是因为这些进步使得SpaceX公司有了说服投资人的机会。

通讯卫星会取代地面基站吗?

通讯卫星虽然具有涵盖范围大的优点,但是缺点也不少,例如:在外太空故障维修困难;所有的卫星都有使用寿命,低轨道微型卫星一般由于携带燃料较少而且运行速度较快因此寿命较短,一般大约3~5年;由于距离远所以延迟时间长(使用者做出触发动作与得到回应的时间),即使低轨道卫星也要大约20毫秒,比起5G的1毫秒长得多。

此外信号要从手机传送到500公里的卫星要比5公里的地面基站耗电得多,因此移动卫星电话需要大电池体积较大;通讯卫星大部分使用Ka与Ku频段的电磁波,频率大约10~30GHz,这个频率的电磁波绕射特性差,不容易绕过障碍物,因此室内无法接收,一般以地面接收站或屋顶的碟型天线接收以后,再转送到移动设备比较可行,所以通讯卫星主要是做为两个地面站之间的连线,而不是和手机直接通讯,因此「绝对不可能」取代地面基站。

通讯卫星会取代地面光纤网络吗?

最基本的一个概念:在相同的带宽(Hz)下,无线通讯不论用什麽方法数据传输率(bps:bit per second)都不可能比有线通讯高,要如何在相同的带宽(Hz)下提高数据传输率是近代数码通讯的重要发展方向,基本上就是使用更好的调变(OFDM)与多工(1024QAM)技术。

由于无线通讯的传送环境是我们看到的空间,相同的频率只能使用一次否则会互相干扰,而且传送的过程会有许多杂讯干扰,相比之下有线通讯使用的光纤,相同的频率可以重复使用在不同的光纤不会互相干扰,而且传送的过程杂讯少得多,因此可以使用更好的调变与多工技术提高数据传输率,因此通讯卫星「绝对不可能」取代地面光纤网络。

某些深山或乡村人烟稀少拉光纤的效益太低,例如:在玉山顶上如果要建置一个5G基站,要拉一条光纤上山,但是使用者明明就很少,该怎麽办呢?最简单的方式就是在骨干网络与玉山顶上各建置一个地面接收站,利用通讯卫星连接两端,这样比拉一条光纤还便宜,这样的应用场景在台湾很少,在美国、澳大利亚等地广人稀的国家比较多。

网络速度要快 须用小型基站而不是卫星

由于同一个空间如果频率相同会互相干扰,因此每个基站都会限制通讯范围,避免干扰别的基站,意思是:基站愈多,每个基站的通讯范围愈小,电磁波的功率愈小,服务的人数就愈少,每个人分到的数据传输率愈高,要让大家上网速度变快,则基站的通讯范围愈小愈好,再加上毫米波(mmWave)绕射效果不好,因此5G和未来的6G是朝向「小型基站(Small cell)」发展而不是卫星。

天地一体化通讯系统的发展代表太空科技竞争时代已来临

5G的第一个特性:增强移动宽频上网(eMBB),就是「速度快」,从上面的例子知道速度快要用小型基站而不是卫星;第二个特性:高可靠低延迟通讯(URLLC),就是「反应快」,必须支持1毫秒的延迟,而低轨道卫星的延迟时间是20毫秒,这也差太多了!第三个特性:大量装置联网通讯(mMTC),就是「连结多」,支持每平方公里100万个以上的联网装置,而且必须非常省电、非常便宜,星链计划的卫星使用的地面装置,既不省电也不便宜,就更不用说到了6G这些规格只会更严苛,卫星更是不可能达成。

因此未来5G和6G的主角还是地面基站,卫星只是「配角」而已,在某些深山或乡村人烟稀少的地方,自驾车为了确保网络连线畅通可能配备卫星通讯,或是海洋上没有基站的地方,或长程飞行的无人机不可能使用地面基站,另外全球还有30亿人没有光纤网络可以使用,这些都是星链计划可以开发的市场,补足地面光纤网络无法到达的最后一里路。

未来的通讯系统将是结合地面无线接取网络(RAN)、核心网络(CN),与太空中的低轨道通讯卫星,架构成「天地一体化通讯系统」,事实上从商业的角度,星链计划的卫星主要就是取代传统的中高轨道卫星,抢食现有的卫星通讯市场,由于旧卫星的发射与维修成本高,会渐渐被星链计划的卫星取代,此外从战略的角度,现在中轨道的卫星愈来愈拥挤了,只有低轨道还空着,因此世界各国「先抢先赢」,代表太空科技的竞争时代已经来临。

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曲建仲,知识力科技公司CEO,为政治大学、辅仁大学、东吴大学兼任助理教授。

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