HAPS 與人造衛星解鎖超越 5G/6G 的非地面網路時代主圖像

HAPS 與人造衛星開啟超越 5G/6G 的非地面網路時代

什麼是非地面網路 (NTN)?

非地面網路 (NTN) 是一種用於行動通訊等應用的無線通訊網路。這個詞是指連接地面基地台、海上船舶、高空平台站 (HAPS) 和太空通訊衛星的多層網路。
這些特性讓 NTN 可以克服陸上網路的限制,大幅擴大通訊基礎建設的覆蓋範圍,將山谷和遠離陸地的海域等區域納入其中。

在非地面網路中,本文著重於由遠離陸地和海洋的高空元素組成的無線通訊網路。作為在平流層和外太空發展非地面網路計劃的一部分,研發、測試床和示範工作已經開始展開,為被稱為 Beyond 5G(第五代移動通信系統,B5G)/6G(第六代移動通信系統)的下一代電信標準的到來做好準備。

從平流層到外太空。非地面網路 (NTN) 的配置與特徵。

顯示非地面網路中不同類型傳輸設備的高度和覆蓋範圍的概念圖像
圖 1:概念圖,顯示非地面網路中不同類型傳輸設備的高度與覆蓋範圍

如圖 1 所示,部署在我們頭頂上空的非地面網路將由不同類型的傳輸設備組成,高度越高,覆蓋範圍越廣。當然,與地球表面的距離越遠,訊號延遲就越大,而不同類型的傳輸設備會因其位置不同而有不同的用途,例如在外太空或平流層,或是在地面上。這使得我們有可能建立一個覆蓋範圍比以前更廣的通訊基礎設施,這樣我們就可以說,「地球上沒有任何地方在覆蓋範圍之外」。
以下,我們將介紹組成圖 1 所示非地面網路的人造衛星 (GEO 和 LEO) 和無人駕駛飛機 (HAPS) 的概況和特徵說明。

地球靜止衛星 (GEO)

對地靜止衛星 (GEO) 的說明圖片
對地靜止衛星 (GEO) 的說明圖片

對地靜止衛星或對地靜止地球軌道衛星 (GEO) 是 B5G/6G 非地面網路中在最高高度運作的元件。這些人造衛星位於地球赤道上方約 36,000 公里處。它們以符合地球自轉速度的速度繞著地球運轉,因此看起來像是靜止在地面上某個特定點的上方。一般而言,根據大範圍氣象條件預測天氣的氣象衛星屬於這類衛星。

用於通訊網路的 GEOs 在高空運行,使其能與大範圍的區域進行通訊。據說三到四顆這樣的衛星就可以覆蓋整個地球表面。不過,由於衛星距離地面較遠,因此與其他類型的傳輸設備相比,衛星的資料傳輸會有較大的滯後,據說其資料傳輸速度一般約為每秒數百萬位元 (Mbps)。此外,由於向地球表面傳送訊號需要高輸出,因此 GEO 傾向於比下面討論的低地球軌道衛星 (LEO) 更大,將它們發射到軌道上需要更大的火箭。

低地球軌道衛星 (LEO)

低地球軌道衛星星座 (LEO) 的說明圖片
低地球軌道衛星星座 (LEO) 的說明圖片

低地球軌道衛星 (LEO) 是一種在太空中運行的人造衛星,但其地球軌道* 1低於地球同步軌道衛星,通常在幾百至 2,000 公里的高度。與對地靜止衛星 (GEO) 不同,低地軌衛星不與地球自轉同步。
哈勃望遠鏡和國際太空站 (ISS) 也在低空運行,最多使用約 400 公里的低地軌道。然而,據說用於 NTN 的低地球軌道將定位在大約一千幾百公里的高度。

低地球同步軌道衛星的運行高度比地球同步軌道衛星低,因此能以低延遲和使用低輸出訊號進行資料傳輸。這些衛星的體積也較小。低地軌衛星與地球表面的通訊速度可達每秒數百 MB (Mbps),因此據說可以用來提供智慧型手機與衛星間直接通訊的服務。
另一方面,由於低地球軌道衛星的運行高度比地球同步軌道衛星低,因此每顆衛星的覆蓋範圍較窄,而且在低地球軌道運行的衛星具有較高的軌道速度。這表示必須使用由多顆小型低地球軌道衛星協同運作的「衛星群」,才能在這些條件下提供穩定的通訊。「衛星星座 」一詞是指恆星星座,用於指協調的低地球軌道衛星群。

*1 不同國家和組織對 「地球軌道 」的定義有所不同。例如,歐洲太空總署 (ESA) 將地球軌道定義為軌道高度不超過 1,000 公里,而日本宇宙航空研究開發機構 (JAXA) 則規定高度不超過 2,000 公里。

高空平台站 (HAPS)

飛機型高空平台站 (HAPS) 的說明圖片
飛機型高空平台站 (HAPS) 的說明圖片

高空平台站 (HAPS),有時也稱為平流層通訊平台,是一種無人駕駛的飛機 (有些像飛機,有些則像氣球或飛艇),在約 20 公里的高度飛越平流層,發揮空中通訊基地站的功能。
一般而言,客機的飛行高度可達 10 公里左右,而 HAPS 運作的平流層部分約為此高度的兩倍。在此高度,氣流和天氣狀況相對穩定,空氣阻力也很小。由於空氣密度小於無人駕駛飛機實現必要動態升力所需的密度,因此據說運行中的 HAPS 型號將攜帶太陽能板或電池,使其能夠一次在空中連續飛行幾周。

地面基站的覆蓋範圍一般半徑在幾公里到幾十公里之間,而單個 HAPS 的覆蓋範圍可能半徑在 100 公里左右。此外,由於 HAPS 比在太空中運作的人造衛星更接近地球表面,因此由於其最小的資料傳輸滯後,可望在 B5G/6G 的新通訊基礎架構中扮演重要角色。儘管如此,由於平流層佔據不同國家的領空,與外太空不同,因此可以說,在各國建立法律架構將是國際間實施 HAPS 及提供通訊服務的關鍵。

適用於 B5G/6G 的非地面網路 (NTN) 的優勢與趨勢

最後,我們將討論非地面網路的優勢與趨勢。

非地面網路 (NTN) 的優勢

在山谷中使用智慧型手機溝通的說明圖片
在山谷中使用智慧型手機溝通的說明圖片

非地面網路與地面網路不同,包括在平流層和外太空運作的元件,其最大優勢在於可提供相對不受地震或海嘯等自然災害影響的通訊基礎設施。
此外,它們有可能大幅擴大覆蓋範圍,使地球上任何地方都不會在覆蓋範圍之外。這將使人們在緊急情況下使用智慧型手機進行通訊,即使他們身處以前難以通訊的地方,如山谷或海上。
因此,在發生天災或意外等緊急情況時,無論身處何地,都能維持通訊基礎建設,並將行動通訊網路無間斷地延伸至更廣泛的區域,避免在山區或海上旅行時發生問題。

非地面網路 (NTN) 的趨勢

全球許多私人公司正進軍太空事業的圖像
全球許多私人公司正進軍太空事業

非地面網路的一大特色是私人公司積極參與的顯著趨勢。過去,大多數的太空專案都是由國家發起的,但現在全世界各式各樣的公司,不僅是硬體領域的公司,還有通訊服務等領域的公司,都聯手參與太空專案,包括非地面網路業務。
例如,開發和製造人造衛星和 HAPSes、其中使用的元件,以及裝載在衛星和 HAPSes 上的通訊設備 (有效負載)。參與這些商業活動的公司種類繁多,包括一些運營將人造衛星送入太空的火箭的公司。特別是被稱為 B5G/6G 的下一代行動通訊領域,正成為服務全球規模市場的企業快速成長的起點。

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