低軌衛星5G通訊與台灣參與
2019.08.30
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壹、新聞重點
108年度台北國際航太暨國防工業展系列研討會「太空產業論壇」於8月16日在台北世貿一館舉辦，會中行政院科技會報辦公室葉哲良副執行秘書指出，衛星每公斤發射價格在過去二十年間，已降至原來的近百分之一，使得以太空基礎建設為本的5G通訊，未來十年有機會大幅成長，而台灣進軍國際低軌道（low earth orbit, LEO）衛星5G通訊產業鏈，主要有三大願景：一、在低軌衛星地面設備次系統方面，成為全球主要供應國；二、成為全球低軌衛星關鍵零組件重要供應國；三、實現台灣偏鄉、高山及離島寬頻服務，並開展創新應用。
貳、安全意涵
一、 低軌衛星為5G全球覆蓋最後一哩路
在非洲大陸、澳洲大陸、中國大陸等幅員廣大的地理區域，偏鄉或部分城市遠離海岸與國家主要網路節點，若以單靠光纖建成通訊網路，成本過高且通訊品質不穩定。新一代5G無線通訊技術傳輸速度雖然可達4G LTE的10倍以上，然而因為資料傳輸率需要，必須往高頻段發展，連帶使電磁波繞射能力減弱，導致傳輸距離與覆蓋範圍縮小，因此5G所需基地台數量比起4G增加3到5倍。在人口稠密地區尚且如此，偏遠地區就更難單純仰賴地面傳輸，因此低軌衛星遂成為與地面基地台互補的最佳解方。
由於5G在「網路延遲」（latency）標準為1毫秒（millisecond），與地球同步軌道（geostationary orbit, GEO）衛星的500-700毫秒、中軌道（medium earth orbit, MEO）衛星的200毫秒比起來，低軌衛星可降至50毫秒以下，就技術門檻來說，將是三種軌道衛星當中首先越過5G門檻者。[1]
過去傳統衛星訊號通常無法控制電磁波的波束直徑大小，而低軌衛星5G通訊所使用的陣列天線具「波束成型」（beamforming）特性，能定向發送和接收訊號，以指向性傳輸減少訊號干擾，且因為電磁波頻段較高，不僅地面接收設備可縮小成約40公分的相位陣列雷達板，有助於改善偏遠地區訊號不良的情況，衛星發射天線體積也同樣縮小，有利衛星小型化趨勢。
未來每顆低軌衛星能服務的5G地面接收器上看5,000~10,000個，在衛星製造與發射成本皆大幅下降的情況下，低軌衛星勢必成為全球5G網路不可或缺之組成，國際業者紛紛搶進布局（表1）。
表1、歐美業者低軌衛星星座計畫
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大規模低軌衛星網路（>1,000枚） |
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SpaceX |
11,943枚 |
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Amazon |
3,236枚 |
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OneWeb |
2,000枚 |
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中規模低軌衛星網路（100~1,000枚） |
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Telesat |
512枚 |
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Kepler |
140枚 |
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LeoSat |
108枚 |
資料來源：蔡榮峰整理自台北國際航太暨國防工業展「太空產業論壇」，行政院科技會報辦公室公開資訊。
根據行政院科技會報辦公室的預測，低軌衛星5G通訊相關設備與服務需求，將成為衛星產業成長引擎。目前國際業者低軌道衛星星座計畫，未來十年主要可分三階段：密集發射（2019─2022年）、試營運與開放部分服務（2021─2025年）、全面商轉（2027年以後）。衛星通訊服務（除衛星電視與廣播服務外），將成長三倍達到約1,000億美元規模，地面設備產值也翻倍成長至約2,000億美元，衛星製造與發射也翻倍至約500億美元。
二、 台灣具備衛星通訊次系統與零組件基礎
我國在地面設備次系統與衛星次系統有設計生產能力，具國際OEM/ODM實績、性價比具有競爭力、客製化能力高，而且地面設備零組件與衛星零件產業鏈完整，包括電子通訊、航太金屬、半導體元件等聚落群聚，根基厚實（表2），惟缺乏整合方案，難以產生全球主要整合設備商。衛星零組件檢驗標準與相關檢驗設備，也有待整合。不過，台灣的高山地形與離島也可成為國際衛星5G通訊連網服務的先期測試場域。
表2、我國衛星領域發展能量盤點
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衛星本體 |
地面設備 |
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衛星系統設計整合及測試 |
太空中心 |
小型衛星地面接收站（VSAT） |
已有業者 |
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通訊酬載（次）系統及零組件 |
通訊酬載之GPS：已有業者 通訊酬載之電腦：已有業者 相位天線系統：已有業者 通訊相關零件：已有業者 |
衛星船舶定位系統 |
已有業者 |
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低雜訊降頻器（LNB） |
已有業者 |
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碟型天線 |
已有業者 |
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非通訊領域之衛星零組件 |
機械元件及電子元件：太空中心、中科院、工研院及部分業者 |
通訊相關半導體 |
已有業者 |
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衛星服務 |
衛星發射 |
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衛星通訊 |
已有業者 |
衛星發射載具 |
發展中 |
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衛星電視 |
已有業者 |
基礎研究 |
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衛星影像 |
已有業者 |
衛星相關科技基礎研究 |
太空中心、中科院、中央大學及成功大學等 |
資料來源：蔡榮峰整理自台北國際航太暨國防工業展「太空產業論壇」，行政院科技會報辦公室公開資訊。
參、趨勢研判
一、 5G頻段釋出將帶來龐大設備需求
國際上對於5G技術所使用的頻段尚未達成共識，也未有統一的國際規格，不過頻率可主要分成「次6吉赫」（6GHz）與「毫米波」（mmWave）兩大發展方向（圖1）。
圖1、5G頻段示意圖
資料來源：Milo Medin and Gilman Louie, The 5G Ecosystem: Risks & Opportunities for DoD, Defense Innovation Board, April 3, 2019, https://tinyurl.com/y4l9kh73.
「次6吉赫」頻段技術對於已經掌握4G LTE技術的國家以及開發中國家來說，升級門檻相對較低，因此發展速度較快。「毫米波」頻段過去只有雷達與衛星使用，頻寬潛力較大，惟開發成本較高，相關設備發展現以美國為主（圖2）。
圖2、全球主要國家區域5G頻段
資料來源：蔡榮峰翻譯自GSMA, Study on Socio-Economic Benefits of 5G Services Provided in mmWave Bands, December 2018, https://tinyurl.com/y3ghbh5w.
根據全球行動通訊系統協會（Groupe Speciale Mobile Association, GSMA）報告《毫米波頻段5G服務提供的社會經濟效益》（Socio-Economic Benefits of 5G Services Provided in mmWave Bands），各國以頻段釋放為起始點所帶動的5G服務，可望在2020至2034年之間，為全球創造出5,650億美元的GDP與1,520億美元稅收。其中，位居領先的亞太將最先創造最大GDP份額，達2,120億美元；其次為美洲的1,900億美元。歐洲由「毫米波」產生的GDP成長率將高於其他任何地區，達到2.9%。[2]
在低軌衛星5G通訊技術尚無統一規格的情況下，台灣廠商要於發展初期搶先進入全球產業鏈，自然得「選邊站」，可能被迫從一開始就得依技術規格來選擇合作夥伴。
二、 美中5G商用頻段規格競爭
全球主要使用的「次6吉赫」頻段為3至4吉赫，這是因為使用這個頻段基地台覆蓋範圍相對較廣，有利節省基地台成本，目前由中國透過「一帶一路」計畫大力向國際推展。然而，3至4吉赫頻段在美國多屬於聯邦政府專用波段，美國私部門企業轉而發展24吉赫以上、更利於建置低軌衛星5G網路的「毫米波」頻段。
值得觀察的是，美國國防部評估美國無法憑藉其國內市場，承擔單獨發展「毫米波」所有技術之成本，如何維持國際支持美國商用5G規格將是成功關鍵。此外，如果未來越來越多國家於「次6吉赫」頻段技術採用中國領導發展的規格，而使得中國規格逐漸成為「次6吉赫」的全球規格，未來美國聯邦政府恐需依賴中國設備供應鏈，對其國家安全無疑將是一大風險。[3]掌握4G LTE技術的日本、韓國的發展策略是在「次6吉赫」與「毫米波」兩大類頻段技術皆有所兼顧，未來台灣產業發展也應該將此資安風險及潛在需求納入考量。
[1] Caleb Henry, “What the satellite industry needs to know about where 5G stands,” Space News, October 1, 2018, https://tinyurl.com/yylzjt49.
[2] GSMA, Study on Socio-Economic Benefits of 5G Services Provided in mmWave Bands, December 2018, pp. 6, 21, https://tinyurl.com/y3ghbh5w.
[3] Milo Medin and Gilman Louie, The 5G Ecosystem: Risks & Opportunities for DoD, Defense Innovation Board, April 3, 2019, p. 4, https://tinyurl.com/y4l9kh73.