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环球卫星通讯的新纪元
 

【作者: 吳偉民】2000年03月01日 星期三

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人造卫星的发展不过约半世纪,可是从第一枚人造卫星--苏联的Sputnik Ⅰ到现在,卫星的寿命、体积、重量、转频器个数、频宽均不断的增长、变大,卫星技术的长足进步,使卫星通讯扮演着电信与传播产业最重要的骨干,并且无时不刻的在日常生活中影响着我们。


卫星通讯一向被视为提供广域网路(WAN)通讯的极佳方式之一,特别是在电信基本建设(Infrastructure)不足、电话密度(Telephony Penetration)偏低的地区中,因此在过去的认知里,一般认为卫星通讯的主要应用地区系在发展较为落后的区域。但此看法已随技术与成本因素的变化而有所改变:在过去几年当中,卫星通讯市场呈现显著的成长,卫星已成为成本效益比较高的传输媒体之一,被许多国家或厂商用来提供多项全球(Global)、区域(Regional)与国内(Domestic)等不同地理范围的电信服务。


卫星通讯的特性

卫星通讯的概念缘起于1945年英国作家亚瑟克拉克(Arthur C. Clark)在无线电世界(Wireless Wold)发表一篇文章,他建议使用三颗卫星等距​​离放置于同步轨道(Geostationary Orbit;GEO)上,以此达成全球通讯的目的。卫星通讯在今日的资讯时代能占有一席之地,而且日形重要,主要归因于其优良的特性远非其他地面通讯媒介能及,尤以卫星通讯的广布性、稳定性、多点通讯、建构迅速等最为人称道:


1.无远弗届的涵盖范围

卫星通讯距离远,涵盖面积广大,一个同步卫星的全球波束可以涵盖42.4%的地球表面积,绵密的卫星网路已经形成,只要在服务范围内,资讯可以送达每个用户。


2.系统的开发扩充迅速

无缆线的架设与规划问题,每个用户可以在短时间内装设完成。


3.传输价格不受距离影响

卫星的传输价格并不像缆传输一般由距离决定,而是取决于频宽、频道数与传输速率。


4.不易受天然灾害影响

卫星通讯的地面设施较少也较为单纯,纵使受地震、台风等天灾影响,也能迅速恢复通讯。


5.高频宽、高传输速率

目前NASA(美国太空总署)的ACTS(Advanced Communication Technology Satellite)卫星之通讯容量可达1Gbps,资料传输速度622Mbps,而商用的非同步传输模式(Asynchronous trnasfer mode; ATM)服务则可以达到45Mbps。


6.多点通讯导向系统

目前地面通讯系统多为单点对单点通讯,透过卫星可以轻易地做到多点通讯网,相当符合通信需求。如:Internet、远距教学


而从应用的市场使用范畴来看,商用卫星通讯市场大略上可分为三大类别:


1.缺乏通讯设施的偏远地区:

在地广人稀或者多岛屿等地区,或者属于低度开发以及缺乏电信基础建设之偏远地区,卫星通讯适足以弥补其通讯设施不足之处,此类多使用FSS的服务。


2.个人通讯服务(PCS):

个人通讯强调的乃是电话用户随时随地均能以一个或数个电话号码来接收个人化的电信服务,此举促使电信业者以卫星来克服国界或区域上地面行动通讯或固定式网路的限制。近年由于卫星科技及地面大哥大系统技术日趋纯熟,全球个人行动通讯系统(Global Mobile Personal Communication System;GMPCS)也因此逐步发展完成,藉由卫星行动通讯网路提供者在天上布建的卫星行动通讯网路,并与地面公众有线及大哥大无线系统互连,用户可以使用单一手机,维持单一号码,在全球各地随时选取最适切、最便宜的通讯网路通话,达到一机在手、全球漫游的便利。


3.瞬时多媒体互动式服务(UIMS):

此项服务能藉由卫星于瞬间将讯号传至世界各个角落,因此人们可用携带式电脑游走世界各地并能收发电子邮件,从事互动式的视讯会议或影像传送。这项服务的应用可提供跨国企业借用卫星通讯来建立虚拟自用通讯网路(Virtual Private Networks;VPN),或提供业者借着卫星通讯来解决偏远地区的联网或接续(Interconnect)问题。


4.卫星定位及导航:

现有的卫星定位/导航系统中最有名的大概是美国空军发展出来的全球定位系统(Global Position System;GPS)。这个系统由24颗卫星组成,它们平均分布于倾斜角55度、高度20,200公里(周期约12小时)的6个轨道上。这种架构可保证在地面上任何一点(除地形、地物之限制外)都可同时「看」到四颗卫星;利用收到至少3个不同位置的GPS卫星信号便可求出收信点的位置。如果再利用所谓的差分式GPS,则其量测的准确度可达数公分之内,因此其应用十分广泛。装在车上的地图/指向设备,登山者用的GPS接收机,台湾都已可以买到。 GPS或其他形式的卫星导航是先进国家正在推行的智慧型车辆与公路系统(Inteligent Vehicle and Highway Systems;IVHS)不可缺少的一环。国际GPS协会(GPS International Association;GIA)和美国交通部共同规划了13类117项GPS的非军事用途,因此,GPS应用将是未来成长非常快速的一个市场。


卫星通讯市场前景

卫星通信是继光缆、微波之后新崛起的世界第三大通信传输方式,其具有通信距离远、不受地理条件限制、可传送电话、传真、数据、图像等多项业务传输功能,在广大乡村、山区、沙漠等偏远地区具有广泛的应用前景。


卫星总体产业包含卫星电视、通讯、全球定位、气象等功能之卫星制造与服务市场,也包含火箭制造、发射、地面控制站及讯号处理站等市场,根据CE Unterberg 的市场预估,1999年全球卫星总体产业产值达到620亿美元,较1998年总体产值成长约12%。其中以卫星电视服务占约53%为最大部分,其他依次为卫星制造、FSS、GPS等(图一)。而未来整体商用卫星产业预测将于2008年达到1770亿美元(图二),其中成长率最高者分别为卫星宽频服务(Satellite Broadband)、卫星行动通讯服务(Mobile Satellite Service)以及卫星音讯无线电广播服务(如DARS),卫星电视虽然成长率不算高,不过仍为卫星产业产值最重要的贡献者。



《图一 1999年全球卫星总体产业产值预测》
《图一 1999年全球卫星总体产业产值预测》

《图二 1998年至2008年全球卫星总体产业产值预测》
《图二 1998年至2008年全球卫星总体产业产值预测》

卫星通讯的系统构成

卫星通讯系统的组成分为「卫星分系统」与「地面电台分系统」。卫星分系统的组成包括:天线(Antenna)、转频器(Transponder)、卫星电源系统、卫星姿势稳定系统(Satellite attitude stabilization system)、卫星喷射系统(Satellite propulsion system)、遥测追踪及指挥系统(Telemetry ,Tracking,& Command System)、热能控制系统;从卫星建置的轨道高度,大致可以分为三个类人造卫星:一为低轨道卫星,二为中轨道卫星以及同步卫星(表一)。



《表一 LEO, MEO以及GEO人造卫星特性比较》
《表一 LEO, MEO以及GEO人造卫星特性比较》

低轨道卫星(LEO)

随着现今太空技术和电子技术的水准提高,低轨道卫星(Low-Earth Orbit,LEO)已经成为新一代太空产业的新宠儿,其优点包含:时间延迟短、连接功率(link-power)低、卫星本体较小且发射费用低,这些优点直接威胁同步卫星的市场机会,但低轨道卫星也有一些技术上的问题,最重要的是卫星与地面终端站一直处于相对移动状态,整个系统的地面设备或太空机体组件,都必须具备高效益的指向性天线(Directional Antenna),才能完成讯号传输,同时地面讯号在移动的卫星间「越区切换」(Roaming)问题,使整个系统管理与控制立刻变得更为复杂。


中轨道卫星(MEO)

中轨道卫星(Medium-Earth Orbit,MEO)是被部份卫星公司业者认为有相当多较低轨道(Low-Earth Orbit)卫星好的优点,因为中轨卫星在上空约1万公里处,其涵盖面积就可达地表25%,所以只要少数10颗左右卫星即可覆盖整个地球,因此整个系统建构的成本就降低了许多,加上和地面终端设备一次可以维持2小时的接触,对作业转移的技术也就不很需要,甚至可以取消;而且因轨道高、空气稀薄、所受飞行阻力小,所以平均寿命是低轨卫星二至五倍。虽然中轨道卫星讯号来回的延迟时间比低轨道卫星长了许多,但仍在可接受的范围内,通讯品质也算舒适。


同步卫星(GEO)

同步卫星(Geosynchronous,GEO)的高度约在赤道上空36,000公里,发射之电波可涵盖地球表面约三分之一面积,故每隔120度配置一颗卫星,三颗卫星即可构成环球卫星通信网。但是同步卫星也有一些缺点。首先,在相同区域里可以提供的卫星位置有限,国际卫星组织规定,使用相同频率的卫星必须间隔2度,而高功率的直播卫星必须相隔9度,以避免造成干扰性的漏话(Cross Talk) 。其次,因为同步卫星体积庞大,而且推送距离远,所以发射卫星所需费用相当高。第三,发送器和接收器之间,来回约7万公里的讯号传送,会产生大约250微秒的时间延迟,虽然对连续性的视讯传播较无影响,但是对互动式的通话品质影响则相对较大。


卫星制造产业1999年产值约为104亿美元,较1998年略微衰退6%,根据预估未来10年内大概维持在110亿至120亿美元的产值之间。新一代卫星随电子科技的进步,具备了高智慧、小体积、高动率的先进通讯能力可以克服漫游需求,加上低(中)轨道的卫星控制技术已成熟,通讯品质亦较好(时间延迟问题较小),加上用户端可藉由低功率的发射器达到卫星通讯的资料链结,因此用户端的市场规模显然比同步卫星大的多。所以新一代通讯卫星系统大多建置在中低轨道,因此卫星发射数量及次数都比以往多。在过去25年间同步卫星(Geostationan)一直是主要的需求,而至1998年低轨道卫星LEO(Low Earth Orbit)配合行动通信的趋势,使得其开始快速成长,预计2005年左右,低轨道卫星LEO发射数量将超过85%卫星发射总数量。


而地面电台分系统由射频终端设施(RF Terminal Equipment)、基频终端设施(Base Band Terminal Equipment)与周边设施组成。


1.射频终端设施(RF Terminal Equipment):包含地面台用发射天线、接收天线、升频混波器(Up Converter)、降频混波器(Down Converter)、高频放大器(HPA)、低杂音放大器(LNA)等。


2.基频终端设施(Base Band Terminal Equipment):包含基频设备编码器、解码器、调变器及副调器等。通常射频终端与基频终端应用适当的电缆或光缆联系,构成中频(IF Line 70MHz)联络系统。


3.周边设施:包含发电机、蓄电池、电力控制、测试仪表、空气调节、标准钟等。


以台湾的卫星通讯产业而言,目前业者的技术能力与产品类型均集中在地面站部份,目前厂商生产较具规模的产品有GPS终端以及VSAT次系统。国内1999年GPS产值亦推估可成长至66.5亿新台币,相较1998年之52亿元成长约28%,其成长因素除全球市场需求快速扩张外,GPS手持产品之国际大厂以各种管道、方式在国内下单生产亦为主要因素之一。我国GPS产品外销比例超过95%以上,以北美、西欧为主要外销地区。


我国VSAT厂商多仰赖外销订单维持生产相关产品,尤其依靠国外大厂之OEM订单,而1999年我国VSAT产值较1998年成长约13%,达到约8.3亿新台币,由于生产产品属于VSA​​T次系统产品,无法直接提供国内服务市场需求,因此仍以外销为主,其比例超过95%以上,其中以北美、欧州为主要外销地区。


卫星通讯服务

卫星通讯是指利用人造卫星作为中继站,来转送无线电讯号波而进行的两个或多个通讯站之间的通信。根据联合国国际电信联合会(ITU)的分类,主要的卫星通讯业务可分为下列三种:


卫星广播业务(Broadcast Satellite Service)

此类业务意指藉由广播卫星将资讯单向地播放至地球由地面接收器接收,在各地区上有不同的服务名称如:DTH(Direc To Home)、卫星直播电视(DBS)、DARS等。根据SRI的预估,全球DBS用户数将由1998年的1,460万户成长至2003年的4,810万户,年复合成长率达34.7%。


卫星固定业务(Fixed Satellite Service)

此类业务系透过通讯卫星针对定点进行卫星通讯服务,其传送的资料可包括语音、数据、影像等,其业务范围则包括转频器租用之卫星上链以及地面VSAT网路业务等。根据C.E. Unterberg估计,FSS基础建设的年产值将由1999年的约77亿美元成长至2008年的178亿,而VSAT产值则由1999年的10亿左右成长至2008年约27亿左右。


卫星行动业务(Mobile Satellite Service)

此类业务以通讯卫星传送进行行动通讯服务,其服务对象包括任何移动中之通讯设备,包括飞行器、船只以及车辆载具等,其业务范畴可包括卫星行动电话、讯息传递(Messaging)。近年来MSS掀起一股卫星通讯风潮,事实上,卫星通讯已是全球趋势,为因应此项新颖科技且是跨国际的全球通讯业务发展,国际电信联盟(ITU)特于1992年世界无线电行政会议中,指配频率给卫星行动通讯系统使用,并于1996年10月召开世界通讯政策论坛会议。


目前已完成全球卫星行动个人通讯业务备忘录(GMPCS MoU)及ITU-R建议书,促请各国电信当局尽速订立管理规则,及早开放并引进卫星行动通讯业务,让用户享受现代便捷的通讯服务。在世界贸易组织(WTO)电信小组达成「基本电信市场开放协议」时,共有66国提出55份开放清单,其中49国承诺完全开放卫星通讯市场,另有7国承诺有限度开放。虽然1999年中Iridium以及ICO相继宣布申请破产保护,对于MSS的热情期待造成不少的冲击,不过Globalstar以及区域性业者如ACeS等依然进行MSS相关业务的推展,而CE Unterberg也预估2008年MSS的产值仍可达到78亿美元的规模。


上述只是将几个主要业务大项约略归类,近年来因为卫星通讯技术的快速进展,新设计的卫星系统已经可以将上述分类加以打破,甚至结合地面​​网路并且加以混合应用,例如DirecPC、Globalstar等。目前DirecPC以BSS业务结合地面网路进行网际网路的双向资讯接取服务;Globalstar则将同时经营FSS与MSS两种业务,并强调在不同地区所采用的业务策略将有所不同。


近几年来,Internet及其衍生的加值服务,如全球资讯网(WWW)、电子邮件(E-mail)、档案转送(FTP)等等,已逐渐成为人们接取所需资讯的最佳路由和资料库。随着资讯网路的快速成长已经产生无数设计以及应用,来接取资讯和服务至使用者的个人电脑,尤其是对于最近相当热门的企业网路(Intranet)和个人工作室(SOHO)。因此透过卫星技术的高速以及宽频传输将是21世纪最热门的卫星应用。现在已经有DirecPC利用卫星通讯提供网际网路的接取服务,目前DirecPC所提供的服务项目包括以下三种:


  • (1)Internet加速服务


  • (2)封包式传送服务


  • (3)多媒体服务



由于商用人造卫星工业近年来有往小型、价廉的卫星及大型网路发展之趋势,业界遂开始使用Ka频带,而美国太空总署(NASA)也陆续开发通讯技术卫星(ACTS),在30 /20GHZ之Ka频段使用波束扫描和on-board再生等科技,该实验系统之技术目前已逐渐成熟且正准备商用化。


展望未来,随着卫星通讯技术的长足进步及其多用途效益,卫星无论在行动通讯、音/视讯直播、资讯高速公路、行动数据等方面,都将扮演积极而重要的角色,尤其是面对即将来临的廿一世纪个人通讯时代,随时随地能选择最适合、最经济的通讯网路主动连系(Global Access),将为廿一世纪之大势所趋。 (本文作者目前任职工研院电通所ITIS计划)


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