📘 《AI 時代系列（6）：進階通訊工程——邁向2035年太空星鏈網路時代》
📘 第 9周: 🤖 AI-native Network：RAN × Core × NTN 的智慧大腦
未來 6G 的核心章節
87／150單元： LEO 衛星通訊 🛰️
全球覆蓋骨幹：6G × NTN × Starlink 的新世界
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🎯 單元導讀
如果 4G/5G 靠基地台（gNB）撐起陸地；
那麼 6G 必須靠衛星 + 地面共融（NTN）
撐起全球連網。
特別是：
• 無基地台區（海洋、高山、沙漠）
• 地震／颱風／戰爭等 infrastructure down
• 飛機、船舶、無人機
• 低人口密度地區
• IoT 超廣域覆蓋（農業、追蹤）
• 將 LEO 當作 backbone（回傳 Backhaul）
• 未來 6G 手機 → 直接連衛星（3GPP Release-17/18）
這一章你會學到：
⭐ LEO 為什麼能做到低延遲
⭐ 星鏈如何做到 beam steering
⭐ LEO 衛星如何替 6G 當「全球骨幹」
⭐ NTN 如何與地面網（TN）融合
⭐ Doppler、遮蔽、軌道分布這些工程痛點
⭐ 為何 LEO 能做到 eMBB / IoT，但永遠做不到 URLLC
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🧠 一、NTN（Non-Terrestrial Network）是什麼？
NTN 包含：
• GEO（3 萬 6 千 km）
• MEO（約 8 千 km）
• LEO（500–1200 km）
• HAPS（高空平台，20 km）
• UAV（無人機 relay）
但現代所有注意力都在：
⭐ LEO（Low Earth Orbit）
因為它同時能做到：
✓ 全地球覆蓋
✓ 低延遲（20–40ms）
✓ 高頻寬（mmWave phased array）
✓ 低功率
✓ 可做手持終端（手機）
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🧠 二、LEO 為何能做到「全球覆蓋骨幹」？
1️⃣ 衛星高度低 → propagation delay 小
Propagation delay ≈ h / c
h = 550 km → 約 2 ms（單向）
GEO = 36,000 km → 250 ms（單向）
所以：
• GEO 用於廣播
• LEO 用於雙向通訊（網路骨幹）
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2️⃣ 大量衛星 → 形成「星座（Constellation）」
Starlink 的實際規模：
📌 5,000+ 顆 LEO
📌 每顆 coverage 約 1000 km
📌 多層次軌道：340 km / 550 km / 570 km / 1100 km
📌 形成地球完整覆蓋
這個密度讓 LEO 成為：
⭐ 全球即時互聯骨幹
⭐ 天空中的「無線網路網格」
⭐ 一個漂浮的巨大 mesh network
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3️⃣ 衛星之間的光纖 → ISL（Laser Inter-Satellite Link）
LEO 彼此用「雷射」連線：
• 速率可達 10–20 Gbps
• latency < 光纖
• 自動組出最短路徑
• 不需地面站轉送
讓 LEO 本質上是：
⭐ 天空中的光纖骨幹網路（Space Backbone）
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4️⃣ Beamforming × Phased Array × AI Tracking
地面端與衛星端皆使用：
• 64–256 element phased array
• 3D beam steering
• Doppler compensation
• AI-based beam prediction
讓 UE 在移動時仍能連到天空的最佳 beam。
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🧠 三、LEO × 6G：角色不是「替代基地台」，而是「全球 backbone」
LEO 不會取代地面 6G，
它的公式是：
⭐ 地面塔 (TN) ＋ LEO (NTN) ＝ 全球一體化 6G
• 全球覆蓋
o LEO：跨國、跨洋無死角
o 地面 6G：受基地台佈建限制
• 地區密集容量
o 6G gNB：高頻寬、高用戶密度
o LEO：單 beam 容量有限
• 極低延遲
o 6G + MEC：毫秒級、本地即時處理
o LEO：受軌道高度與路徑影響
• 災難期間備援
o LEO：不依賴地面設施，快速恢復通訊
o 地面網路：易受基礎設施損壞影響
• IoT 大範圍覆蓋
o LEO NTN：低功耗、廣域感測
o 地面 IoT：覆蓋需密集佈建
• 高吞吐回傳
o LEO ISL：星間高速骨幹
o 地面回傳：受光纖與地形限制
👉 總結：
LEO 負責「覆蓋與韌性」，6G 負責「容量與低延遲」，兩者互補而非取代。
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🧠 四、LEO 通訊工程痛點（每一項都是考題）
1️⃣ Doppler shift 超級大
Doppler ≈ (v/c)·fc
LEO 速度 7.5 km/s
Ka-band 26–40 GHz
Doppler 可達：
📌 40–90 kHz（遠高於 5G 地面）
→ receiver 必須用 AI + Kalman 做 Doppler tracking。
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2️⃣ Beam footprint 會快速移動
衛星不會停 → beam 會滑過地面
導致：
• UE 可能每 10 秒就切換一次
• 需要 AI predictive HO（你前一章剛寫）
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3️⃣ 遮蔽（遮蔽物）非常致命
• 高樓
• 山脈
• 峽谷
• 室內
LEO 特別怕「突然遮蔽」
所以 AI 要預測 visibility map。
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4️⃣ 上行功率嚴格受限（手機太弱）
手機 uplink 到 LEO 要：
📌 高 beamforming gain
📌 long symbol duration
📌 repetition coding
📌 special NTN waveform（NB-IoT NTN 版本）
這是 3GPP Rel-17 非常核心的規格。
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🧠 五、LEO 能做什麼？不能做什麼？
可以做：
✓ 全球上網（Starlink）
✓ 物聯網（NB-IoT NTN）
✓ 飛機／船舶網路
✓ 災難救援
✓ 6G 回傳（Backhaul）
✓ 遠端農田監測
✓ 軍事／防災備援
✓ NTN × Ad-Hoc（你上一章有寫！）
無法做：
❌ URLLC（無限遠）
❌ mmWave 超低延遲
❌ 高密度城市取代地面塔
❌ 高速移動（小區切換過快）
原因：
⭐ propagation delay 太大
⭐ beam 遮蔽不穩
⭐ Doppler 太強
⭐ 需要 massive RAN 控制功能（地端才有）
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🔭 六、ASCII 圖：LEO 作為「全球骨幹」
🛰🛰🛰🛰 ← Starlink Constellation (with laser ISL)
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UE ———— gNB —— Gateway —— Space Backbone —— Gateway —— gNB — UE
（全球任意兩點互聯）
這張 LEO 作為「全球骨幹」的 ASCII 示意圖說明：低軌道衛星星座（如 Starlink）透過 雷射星間鏈路（ISL） 在太空中形成高速、低延遲的 Space Backbone，地面 gNB 與 Gateway 將區域 5G/6G 網路接入此太空骨幹，使全球任意兩個地面節點即使跨洲、跨洋，也能不依賴傳統海纜完成互聯。整體架構的核心價值在於 「繞開地面瓶頸、提升全球連通性與韌性」，特別適合偏遠地區、災害備援與未來 6G 全球網路整合場景。
天空就是一條「低延遲光纖」。
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🧩 七、模擬題
1️⃣ 專業題
為什麼 LEO 的延遲比 GEO 小這麼多？
📦 答：因為高度低（550 km vs 36,000 km），propagation delay 大幅下降。
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2️⃣ 應用題
為什麼 LEO 尤其容易產生 Doppler shift？
A. 衛星變大
B. 衛星速度極高 ✔
C. UE 變強
D. 離心力
答案：B ✔
👉 LEO 衛星繞地飛行速度極高，與 UE 的相對速度大，導致接收頻率產生顯著的 Doppler shift。
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3️⃣ 情境題
在山谷中使用 LEO 手機，最容易造成通訊中斷的原因是？
A. UE 訊號太強
B. 衛星太多
C. Beam 遮蔽 ✔
D. UE 太快
答案 C ✔
👉 山谷地形容易造成視線阻擋（NLOS），使 LEO 衛星的 beam 被地形遮蔽，導致連線瞬間中斷。
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🛠 八、實務演練題
1️⃣ 模擬 LEO Doppler：Ka-band + 7.5 km/s
2️⃣ 模擬 NTN waveform （NB-IoT NTN）
3️⃣ 建立預測式 HO（AI Mobility Predictor）
4️⃣ 建立星圖（satellite visibility map）
5️⃣ 實作 ISL routing shortest path（Dijkstra / RL）
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✅ 九、小結：LEO 是 6G 的「天空骨幹」
✔ 高密度衛星 → 全球覆蓋
✔ Laser ISL → 天空光纖骨幹
✔ Doppler/beam 移動 → 需要 AI-native NTN
✔ 手機未來能直連 LEO（3GPP Rel-18）
✔ LEO 不取代地面塔，但能成為全球 backbone
✔ 6G 確定是「TN＋NTN」的融合體
一句話：
⭐ LEO 不是補充方案，而是未來 6G 的全球級骨幹網路。
