適用於 5G 及更高速時代的非地面網路 (NTN)

非地面網路 (Nonterrestrial Networks) 是一種在地球表面上方運作的無線通訊系統，其中牽涉低地球軌道 (LEO)、中地球軌道 (MEO) 和地球靜止軌道 (GEO) 衛星、高空平台 (HAPS)，以及無人機。首先要說明幾個衛星通訊術語。NTN 雖是一種衛星通訊形式，但在包括軍事、國防、研究和私人航太等更廣泛的應用領域當中，它只是其中一部分。本文以「NTN」一詞泛指不同的商用無線使用案例 (寬頻資料網路、窄頻資料擴充 (物聯網 [IoT]-NTN/SOS) 與新興的非地面行動網路)，這些案例涵蓋近期絕大多數的 NTN 發展。

NTN 適用於特定的商業用途與否，取決於需要運用 NTN 因應的挑戰。再者，這些挑戰主要取決於預定實施 NTN 的位置與人口密度 (也因此取決於現有的基礎架構)。舉例來說，較發達的地區就不會使用 NTN 將人們及人們所用的裝置連線到更廣泛的行動網路，但在發生緊急狀況時，依然可以支援大量物聯網裝置進行連線，或是在發生緊急狀況的時候提供連線功能。

^{表 1： NTN 裝置位置使用案例}

其中許多使用案例必須運用不同的衛星軌道才能最貼近特定用途的需求。不同的軌道在技術方面會帶來不同的挑戰，而在效能與功能方面可能也要有所取捨。舉例來說，距離較遠的軌道潛時較高、能支援的傳輸率較低，而且比較耗電，但卻能覆蓋較大的表面積，因此能支援在最偏遠的位置進行連線。低寬頻連線別無選擇，因此還能接受低傳輸率和高潛時，但若網路必須支援數百個同步連線，且有穩定的 UL 和 DL 流量通訊，因此非要求低潛時不可，這個時候恐怕就會造成困難。在這種情況下，LEO 可能會是更好的替代方案，只不過這個方案必須採用更多衛星才能提供更廣泛的覆蓋範圍。不同的軌道類型如表 2 所示。

^{表 2： 軌道類型}

乍看之下，GEO 不會發生都卜勒效應、相對速度是零、使用壽命長、覆蓋範圍廣，似乎是不錯的選擇。但是，相較於 MEO 或 LEO，GEO 會造成更大的延遲與路徑損耗，而且每顆衛星達到軌道距離的成本也更高。GEO 約佔軌道中所有衛星的 12%。此外，延遲對低資料傳輸率/低頻寬的目標物聯網使用案例影響不大。

MEO 介於 GEO 與 LEO 之間，也是 GPS 衛星所繞行的軌道。MEO 也會發生都卜勒效應和大型路徑損耗，但都在可以控制的範圍內。MEO 的價格低於 GEO，即便如此，成本仍然過高，用於商業用途並不可行。

LEO 與 GEO 則正好相反。它的都卜勒效應雖然非常明顯，但潛時低得多，路徑損耗在所有軌道類型中是最小的，相對而言，將衛星發射到 LEO 的成本並不高。事實上，現今所發射的衛星，大多會使用 LEO，而且其特性也相當符合許多商業用途的需求。LEO 在商業領域越來越受重視，但仍有許多需要克服的挑戰，稍後我們會探討相關資訊。

除了軌道類型之外，採行 NTN 技術的另一個考量因素就是作業頻率。並非所有頻率都適用於不同的軌道類型，有些甚至是不能用的，端視特定區域或國家/地區的監管規定。基於上述原因，NTN 可以通用於從 L 頻帶到 Ka 頻帶的頻率，甚至有機會能跨越到 E 頻帶的頻率。

^{表 3： UL 與 DL 適用的 NTN 頻率與頻寬}

就像地面通訊一樣，在低頻和 mmWave 之間，調變機制、天線、RF 收發儀和其他因素可能相差懸殊。表 3 值得注意的一點是，雖然 NTN 頻率範圍很廣，但由於往返時間較長，因此 NTN 只能使用 FDD 作業。

這份表格摘列各類衛星通訊所使用的頻率，但 3GPP 已經提出了一組供標準化商業無線用途使用的頻帶。

^{表 4： 3GPP 建議的 NTN 通訊頻帶}

非地面網路 (NTN) 早在衛星通訊問世初期就已存在。不論是透過 GPS、衛星電視、專用衛星通訊設備或是軍事與國防用途，以互連衛星網路進行全球連線的概念早已得到證實，而且由來已久。不過，這項技術通常既複雜又昂貴，複雜的基礎設施、專業的 RF 技術及專用系統都要到位，才能正確使用。因此，這項技術一直到最近才開始商業化。

NTN 正處於商業領域的轉折點。3GPP 早在 Rel-15 的時候就提供了 NTN 的相關標準或研究，但一直到 Rel-17 和 Rel-18 (5G 進階版) 的 5G NTN 標準才真正受到重視，並且開始在實務應用方面引發興趣。許多行動使用者設備 (UE) 均內建某種形式的 NTN 功能，而 NTN 在商業與國防領域的使用案例越來越多，在運作方面更提高了經濟效益。過去數十年來，將每一公斤物品送上軌道的成本大幅下降，而且，現在的通訊設備更輕巧，功能卻更豐富，因此，行動網路業者、UE 製造商、衛星星系業者，以及衛星通訊供應鏈中的大多數商業公司以及國防承包商，全都開始對這項技術產生莫大的興趣。

^{圖 1： 過去 20 年內，將 1 公斤的通訊酬載傳送至 LEO 的成本降了 100 倍}

成本降低加上功能變多，使得商業太空市場更加活絡。在 1960 年代，將 1 公斤重的物品送上低地球軌道 (LEO) 的成本大約是 10000 美元。到了 2006 年，成本降到了 1000 美元。有人預測，這個成本在幾十年後會降到每公斤 50 美元左右。¹成本下降幅度等於是在約 60 年內下降了 200 倍。此外，晶片組與半導體的體積越來越小，功能越來越強大，因此，將相同功能整合於衛星的成本也會大幅下降。

另一個影響太空商業化的因素，就是射入軌道中的衛星數目。由於規模經濟開始發揮作用，現在每年發射的衛星數目都在增加。設計、生產、維護和其他要素，都因為衛星數目變多而受益，因為能分攤成本的衛星越多，單位成本自然就越低。

^{圖 2： 不同年度主動衛星數目}

根據預測，NTN 技術在未來數十年的時間會繼續成長，因此也有助於推動這方面的商業化。市場成長估算值預計到 2030 年會增加至逾 400 億美元。²

^{圖 3： 預計到 2030 年的 NTN 市場規模}

在 NTN 市場中，許多類型的公司是 NTN 基礎設施供應鏈、營運及開發的一環。各類公司所因應的專業知識與主要需求各不相同，但全都與太空商業化息息相關。這些關係都有可能影響元件、子系統與裝置層級測試的執行成效。

為簡化並總結多元且廣泛的 NTN 市場，我們將 NTN 使用案例歸納為 3 類。這樣的概括方式並不能一體適用於所有用途，但我們可以藉此討論最普遍的使用案例，並且分別總結其中的每一種案例。 

寬頻資料網路—這項用途包括在封閉式網路中使用專用設備的私人寬頻連線業者。這些網路通常必須使用專用終端機或地面設備進行連線。

窄頻資料擴充 (IoT-NTN/SOS)—這一類包括對更多使用者提供更多服務的現有網路。其服務可能是大量在大範圍地理區域進行連線的資料導向裝置，包括氣象/氣候、農業資料收集、基礎設施監控、遠端工業設備狀態等，也可能是目前最關係重大的使用案例：與 5G UE 之間的緊急 (SOS) 連線。

新興的非地面行動網路─這個用途說明可以在幾乎不更改天線或設計的前提下使用商用 UE，利用規模更大的全球通訊網路進行語音和資料連線。

這些類別涵蓋相當具體的挑戰 (技術、運作和政治)，這些挑戰對整個 NTN 生態系都會造成影響。後續章節中會探討這些類別。

寬頻資料網路

列在這個類別的網路具專用性質，需要使用特殊的專用地面端點進行連線。過去幾年來，各類商用專利星系都有相當大的進展，隨時都能在任何地方為使用者提供寬頻資料連線。

^{表 5： NTN 寬頻資料提供者概述 (資料來源：5G Americas)}

這些專用網路雖能提供強大且穩定的連線，但由於採封閉式基礎架構，因此難以或根本無法整合現有的 UE 或行動網路。不易整合就表示難以進行地面對非地面網路連線，也難以進行普遍共用連線，甚至根本不可行。由於擴充能力受限於封閉式網路，因此這些網路的成本下降空間有限。最後一點，這些網路必須使用專用的地面端點，因此，運作、開發及維護成本都會增加。

寬頻資料網路目前還無法與現有地面及非地面網路連線，但寬頻會繼續成長，而且在可以預見的未來，可望成為 NTN 通訊的其中一環。事實上，3GPP Rel-18 (5G 進階版) 原本就支援 Ka 頻帶，因為，未來 3GPP NTN 或許也能支援寬頻資料網路。

窄頻資料擴充 (IoT-NTN/SOS)

這一類在過去數間已經出現非常大規模的探索與發展，或許，這就是與 NTN 進行原始 UE 連線的開始。許多用途都屬於 IoT-NTN 的範疇：工業監控、氣象資料收集、連線農業資產等等；不過，對行動通訊影響最大的一項用途，可能就是整合現代旗艦級智慧型手機的緊急求救 (SOS) 功能。事實上，許多最新一代的 UE 均具備某種緊急簡訊或語音功能，隨時隨地能夠透過 (大多數情況下) 原始 UE 進行連線。

^{表 6： 2023 年的物聯網服務提供者 (資料來源：5G Americas)}

NB/NTN 在全球通訊基礎架構中的重要性只會越來越高。NB/NTN 正在為新一代的 NTN 奠定基礎，同時也在開發新一代 NTN (一種採用 3GPP 標準的 NTN) 不可或缺的關鍵技術。

新興的非地面行動網路

目前有 2 組研究團隊同時在探索新興非地面行動網路的技術與方法。這些以 3GPP 為中心的努力也對前兩類 (寬頻適用的 3GPP Rel-18 和物聯網適用的 3GPP Rel-17) 與非 3GPP 開發造成了影響。

3GPP 的努力

這類 NTN 使用案例可能是目前最難以廣泛採用的，因為要讓一組共同的使用方式和用途採用單一標準相當困難；不過，這類使用案例很有可能會對全球通訊造成最大的影響。這種形式的 NTN 可透過大多數的原始 5G 商用 UE 進行無遠弗屆的高傳輸率 NTN 網路連線，而且會透過地面基地台補充覆蓋範圍，為使用者提供更出色的連線功能與價值。建立及推行標準的時程尚不明朗，因為由於預料應會在部署方面遭遇困難，這可能會是 3GPP Rel-19、Rel-20 或更高版本的重大主題。其中的挑戰包含全球頻譜分配、針對嚴苛的太空環境部署網路基礎架構，以及開發非最佳化或非 NTN 通訊專用的 UE 天線。

由於 LEO 可達到較高的潛在傳輸率與較低的潛時，我們認為這一類的大多數網路可以透過 LEO 衛星發揮作用。這些優勢能讓網路支援許多同步 UL、DL 與源於大多數原始 UE 的側鏈連線，但 LEO 也必須運用到為數更多的衛星，平均使用壽命可能較短。

非 3GPP 的努力

我們尚不知道確切的推行標準，但許多早期的非地面行動網路衛星基礎設施已經包含了衛星本身的大型相位陣列天線。使用這種基礎設施的網路須採用數百項獨立元件，且面積達數百平方呎，其開發、維護與部署作業均極度困難。

天線陣列之所以如此龐大，原因在於必須使用原始 UE。雖然最新一代 UE 的天線並非針對 NTN 通訊進行最佳化，但許多公司已經有廣泛採用商用 UE 的使用案例。使用現有的原始 UE 就能大幅降低採用及推行方面的負擔。

^{圖 4： 大型相位陣列天線支援將 NTN 連線至原始 UE (無法擴充)}

由於這一類天線元件使用原始 UE，因此有可能會大幅改變 NTN 生態系統；但這也形成了許多挑戰。

受測元件數量增加，測試案例數量也會連帶增加，因為每個元件各自有一組元件，必須由工程師反覆執行側式。由於這些衛星整合了如此多的天線元件，且每個元件各有一組測試要進行，自動化、資料分析和高效率的測試開發之於經濟效益、準時以及深入的產品開發自然更顯重要。

測試需求與測試案例數量的增加可能會影響上市時程與測試總成本，而且，測試案例的增加也會影響每個生產單元的測試時間。雖然這在過去可能不成問題，但現在生產中的衛星數量更多，而且，這些衛星不同於過往的私人/政府 SATCOM 用途，以新的 NTN 使用案例來說，其上市時間可能會是能否擴大市佔率及使用者群的關鍵。

測試大型天線陣列與 NTN 系統/元件是一項複雜的工作，必須採用正確的軟硬體組合才能因應測試組織的需求。

趨勢：整合地面與非地面網路

近期許多 NTN 開發作業基本上不採用現有的地面網路與基礎設施。然而，目前有越來越多的 NTN 提供者與行動通訊業者合作進行服務整合。這類合作的範圍，包括在世界各地提供緊急傳訊功能 (Apple 與 GlobalStar)，乃至於為原廠手機 (AST Space Mobile、SpaceX/ T-Mobile 與 Lynk) 提供語音與資料服務。

3GPP 標準化的世界正在興起，我們的目標是協助推動所有必要的流程，設法建立開放且易於使用的網路，充分反映目前地面行動網路的運作方式。

NTN 帶來了許多地面網路所沒有的技術難題。NTN 的特性包括長距離、高雜訊、暫態通訊，也就是說，我們必須特別留意某些技術因素，力求保持通訊的一致性與穩定性。要克服這些挑戰就必須整合地面行動網路，才能打造出真正無遠弗屆的全球連線。

都卜勒效應

當衛星與固定在地球表面的 UE 通訊時，衛星的相對速度會發生大幅變化，因此我們必須在 NTN 通訊中考慮到都卜勒效應。衛星速度可能會超過 30000 公里/小時，因此，傳輸訊號的頻率會發生重大變化，尤其是在衛星第一次接近之後，頻率就會降低，因此會從正向都卜勒變成負向都卜勒。

此外，高速會造成天線波束快速移動，也就是說，特定天線在地面上的覆蓋點會不斷變化，位置和波束範圍都一樣。

^{圖 5： 衛星繞地球運行時，相對速度與高度所發生的變化}

若要與 UE 進行穩定的通訊，就必須採用可控波束，這是因為這類波束的相對速度與波束在地面上的覆蓋範圍較有利。衛星必須控制這些變數並將連線跳轉至下一個衛星，否則 UE 就無法與衛星保持連線。裝置與衛星必須清楚掌握彼此的位置和速度，並且透過調整頻率的方式補償都卜勒效應。

^{圖 6： 波束範圍與都卜勒不斷變化}

潛時 (往返延遲)

低潛時是現代高速行動網路的一大支柱。在人口密集的都會環境中，客戶會期望手機網路能夠支援高傳輸率、低延遲的使用案例，包含視訊通話、串流、遊戲與 XR。

^{圖 7： 不同的軌道距離 (資料來源：5G Americas 提供)}

就地面網路而言，UE 通常更接近基地台，因此，如此低潛時的特性就成為基礎設施最佳化、雙工技術與 UE 功能強大與否的關鍵。然而，就 NTN 而言，如此長的距離表示 LEO 的來回傳輸訊號行進時間大約要花數十毫秒，GEO 則要花數百毫秒，不像非地面網路只要數微秒就能完成。雖然都不到一秒，但往返時間卻相差 1000 到 10000 倍。這樣的差異不但會影響許多同步的 UE 連線與回傳連結，使用者使用影像或語音連結時也能留意到其中的差別。

^{圖 8： NTN 的往返時間比地面網路多四到五個數量級}

高潛時會限制某些已經普遍運用於 5G 網路的技術；因此，不同於地面行動網路的 NTN 必須在特定的限制條件下運作。舉例來說，NTN 只能使用 FDD，因為傳輸時間較長的緣故，使用 TDD 並不可行。這樣的限制也有可能使得網路顧及網路需求變化時的彈性受限，並且會限制 DL 與 UL 流量的優先順序與處理方式。雖然這樣的限制並非不可能克服，但這是 NTN 必須解決的另一個細微差別。

降雨、雲層與閃爍現象造成的衰減

從 UE 到衛星的 RF 波形路徑，無論是距離或方向都不一致，適用天氣或時間也不相同。這種現象會導致訊號在被 UE 或衛星接收之前遇到更多雜訊，因此這樣的特性可能會使得訊號品質進一步劣化。要克服雜訊與訊號完整性損耗，有一個簡單的方法，就是將 NTN 限制在較低階的調變機制，以利接受更多的不確定性並保持穩定的連線。雖然較低階的調變機制非常實用，但在所有情況下都會限制網路傳輸率。

路徑損耗

現階段而言，我們證明了軌道距離及相對於地球表面的速度在 NTN 領域已經形成了許多特殊的技術挑戰。採行 NTN 的另一項挑戰，就是衛星與連線 UE 之間的絕對距離會造成高路徑損耗。LEO 的最小軌道是 300 公里，因此，這些連線的距離已經是地面網路連線距離的數倍之遙。在其他條件相同的情況下，300 公里的自由空間路徑損耗 (FSPL) 約比 1 公里的損耗高出 50 dB。要解決挑戰，採用 50 dB FSPL 進行 UE 對衛星連線是最理想的選擇。這種理想的連線方式會考慮到波束角度或 UE 在波束內的位置，因為兩者都會進一步減損接收到的訊號功率。

^{圖 9： FSPL 是距離函式}

為克服這項挑戰，我們需要更高的傳輸輸出功率和/或更高的 TX 或 RX 天線增益。市場上現有的 UE 成本、設計影響與數量可能無法支援 UE 使用更大的天線，而且現有的 UE 天線也因為其規格及設計而有效能不佳的問題。此外，由於成本高且電池使用壽命較短，製造商通常無法增加電池供電式手持 UE 的耗電量，因此傳輸功率不可能超過 23 dBm。如果 UE 製造商猶豫不決或無法變更設計，抑或有意使用現有 UE，那麼唯一的解決方案就是採用增益更大的更大型相位陣列衛星，和/或提高衛星基地台元件的功率。要在基地台端提高功率，就得付出更高的成本，在設計與檢驗元件方面也必須顧慮更多的技術與監管法規挑戰。

需要高功率以及克服路徑損耗是開發 NTN 的主要障礙；儘管如此，仍然可以利用測試工具以及有助於提高產品效能的解決方案因應部分需求。

PXI VST

PXI 向量訊號收發儀 (Vector Signal Transceiver, VST) 結合 RF 和基頻向量訊號分析儀與產生器，以及可由使用者以程式控制的 FPGA 和高速序列/平行數位介面。PXI VST 非常適合用於 NTN 測試。PXI VST 兼具傳輸和接收功能，可以測試 UL 和 DL，也能用於激發特定的 DUT。結合這些功能與從基頻到 mmWave 的頻率範圍，以及出色的 RF 效能；且所有的工具均適用於 NTN 裝置與基礎設施的設計、驗證與生產。

最新的 PXI VST 是 PXIe-5842，它能提供 2 GHz 的瞬間頻寬與最高 26.5 GHz 的頻率範圍，用於涵蓋大多數的 3GPP 與非 3GPP NTN 通道綽綽有餘。這些頻率規格再加上出色的 RF 效能，代表著 PXIe-5842 能夠因應目前與未來的 NTN 測試需求，以及 3GPP 持續開發中的 NTN 標準。

^{圖 10： PXIe-5842 與 RFmx 軟體支援分析從基頻到 mmWave 的訊號產生作業}

深入了解 PXI 向量訊號收發儀。

RFmx

RFmx 是一組可互通軟體應用程式，能針對通用、行動、連線與航太/國防測試應用領域最佳化 NI RF 儀器。有了 RFmx，您就能輕鬆快速地運用互動式軟體人機介面來執行量測作業並為其除錯、使用 RFmx 波形產生器建立與播放開放式的未鎖定波形、並透過效能最佳化的 API 加速進行自動化測試。RFmx 也提供通用型解調變工具，能用於測試自訂的調變類型。RFmx 產品包括支援 3GPP Rel-17 中最新 LTE 與 5G NR 版本 NTN 的選項。RFmx LTE 經過擴充，能支援 NTN 中的增強型機器類型通訊 (eMTC) 與窄頻物聯網 (NB-IoT) 使用案例。 

RFmx NB-IoT/eMTC 擴充 NI RF 儀器的功能，適用於產生與分析 NB-IoT 與 eMTC 行動訊號。這個軟體能支援您使用誤差向量振幅 (EVM)、相鄰頻道洩漏功率比 (ACLR) 與頻譜波罩 (SEM) 等符合標準的實體層量測作業，進行 LTE Cat-NB1/NB2 與 LTE Cat-M1/M2 上鏈訊號分析。 

深入了解 RFmx，或者聯絡 NI 並洽詢更多資訊；同時請持續留意對應的應用說明。

^{圖 11： InstrumentStudio™ 軟體 RFmx 互動式軟體人機介面}

USRP 硬體

NI 的 USRP (通用軟體無線電週邊設備) 軟體定義無線電裝置是 RF 收發儀，可迅速製作原型並部署進階的無線用途。SDR 用於無線通訊及部署訊號情報系統，也可做為多通道測試台的建置基礎。體積精巧、通道密度高的裝置非常適合應用於製作無線電原型，例如大型 NTN 測試台的相位陣列與波束控制。

^{圖 12： Ettus USRP X440}

深入了解 NI USRP 裝置。

衛星連結模擬器 (SLE)

負責建立未來衛星通訊系統的工程師必須在發射前模擬、建構及評估實際情境，以利評估和預測系統行為。他們在檢查不同的通道模擬器設定時經常會遇到困難。事實證明，要得到穩定一致的結果，結合模型架構的模擬作業與硬體迴路 (HIL) 會更有效率。

^{圖 13： 衛星連結模擬程式方塊圖}

深入了解執行與測試衛星連結模擬。

NI 的 NTN 平台與測試方法

雖然目前有許多現成的 NTN 測試工具，但需求與測試方法都會隨著市場需求與技術需求的變化而不斷發展。NI 的特定用途軟體與多功能硬體能協助您擴充與建立新穎的測試系統，充分因應不斷變化的需求。

NTN 的範圍非常廣泛，因此，若要完整了解 NTN 及其測試需求，僅參閱本文概述並不足夠。聯絡技術專家洽詢更多資訊，並且深入了解 NI 如何透過 NTN 測試協助您達成目標。

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¹ 資料來源： Futuretimeline.net

² 資料來源：Boston Consulting Group

• 深入探索最新的向量訊號收發儀：
• PXIe-5842 第三代 PXI 向量訊號收發儀簡介