📘 《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
88／150單元： NTN 架構 🌐 天空變成新基地台
6G 不只蓋地面塔：整個天空都是 RAN
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🎯 單元導讀
過去的行動網路是這樣的：
📡 4G / 5G → 「地球表面有基地台，天空只有衛星電視」。
但未來 6G 的定義將全面改寫：
⭐ 天空 = 新基地台（Space RAN）
⭐ 衛星 = gNB 的延伸（NTN-R）
⭐ 整個地球是「陸海空」共用的行動網
也就是：
✓ 地面塔提供城市密集容量
✓ LEO/HAPS 提供全球覆蓋(backbone + access)
✓ 無人機/氣球提供臨時補洞 (disaster/edge cell)
✓ 所有節點透過 AI 控制，自動切換最佳鏈路
未來你走到地球任何地方：
📌 「不是找基地台」
📌 而是：「基地台找你」
這就是 6G NTN。
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🧠 一、NTN 是什麼？不是衛星，而是一種「網路架構」
NTN（Non-Terrestrial Network）包含：
• GEO 衛星（地球同步軌道）
▸ 高度：約 36,000 km
▸ 特色：單顆即可大範圍覆蓋
▸ 缺點：傳播距離極長，延遲非常高（不適合即時通訊）
• MEO 衛星（中軌道）
▸ 高度：約 8,000 km
▸ 特色：覆蓋與延遲介於 GEO 與 LEO 之間
▸ 應用：導航系統（如 GPS、Galileo）
• LEO 衛星（低軌道） ⭐
▸ 高度：約 500–1,200 km
▸ 特色：
- 低延遲（適合即時通訊）
- 多顆組網可達 全球覆蓋
▸ 應用：Starlink、OneWeb、未來 NTN 核心架構
• HAPS（平流層高空平台） ⭐
▸ 高度：約 20 km
▸ 特色：
- 延遲極低（接近地面基地台）
- 可長時間定點滯空
▸ 定位：像「空中基地台」的角色
• UAV（無人機平台）
▸ 高度：約 100–300 m
▸ 特色：
- 高度最低、延遲最小
- 高機動性，可快速部署
▸ 定位：移動型／臨時基地台（災害、活動現場）
未來 6G 的主力是：
⭐ LEO（提供 global access + backbone）
⭐ HAPS/UAV（提供地面動態小區補洞）
NTN 與地面 TN 形成：
⭐「雙層 RAN」
⭐「三維（3D）行動網路」
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🧠 二、NTN 為什麼等於新的基地台？
因為 3GPP 已經正式定義：
📡 NTN-NR（衛星版 5G/6G NR）
📡 NTN-IoT（NB-IoT/RedCap 的衛星版）
衛星本身被當成一個「gNB 的延伸」：
• 衛星 = NR-gNB / IAB Node
• UE → 可直接註冊到衛星（RRC、NAS、Attach 都照跑）
• 衛星會 broadcast SIB
• 衛星可進行 random access（RA）
• 下行、上行都用 NR waveform（但加入 Doppler 補償）
也就是：
⭐ 在 6G 裡，衛星不是「無線電設備」
⭐ 衛星是「會飛的基地台」
天上的每一顆 LEO，就是一座移動中的「6G 小區」。
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🧠 三、NTN 的三層架構：天空版 RAN
整個 NTN 的架構如下：
🛰 LEO / HAPS / UAV ← NTN-Access (NTN-RAN)
| |
| ISL / FSO
v
🛰 Space Backbone (Laser mesh)
|
🏞 Ground Gateway
|
🧠 6G Core (SBA)
整個 NTN（Non-Terrestrial Network） 可視為一個「空天地一體化的 6G 網路系統」：前端由 LEO 衛星、HAPS 與 UAV 構成 NTN-Access（NTN-RAN），直接為終端提供無線接入；各節點之間透過 ISL／FSO（雷射鏈路） 互聯，形成高速、低延遲的 Space Backbone（太空雷射網狀骨幹），再由 Ground Gateway 匯入地面網路，最終接入採 SBA（Service-Based Architecture） 的 6G Core，實現跨空域、跨網域、可切片、可調度的全球通訊服務。
三大層：
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① NTN-Access Layer（天空中的基地台）
• LEO/HAPS/UAV 當作 gNB
• 支援 RRC/PDCP/RLC/MAC/PHY
• 提供 coverage
• Beamforming + tracking 做 HO
等同於：天上的 RAN
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② Space Backbone（衛星間光纖）
• 星間雷射（ISL）
• 成千上萬衛星組 mesh
• latency < 地面光纖（因為走直線）
等同於：天上的骨幹網
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③ Ground Segment（地面）
• Gateway
• 6G Core
• MEC Edge
• O-RAN SMO / AI 控制平台
等同於：地面核心網＋控制大腦
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🧠 四、NTN × 6G 的五大技術特點（必背）
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1️⃣ 3D Mobility（3 維移動）
地面：2D
NTN：3D
→ mobility 管理變得複雜，需要 AI 預測 HO
→ 高速 LEO 每 10 秒就要一次 Hand-over
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2️⃣ 超大 Doppler
Ka-band + 7.5 km/s
→ Doppler 可達 40–90 kHz
→ UE 需要 Doppler compensation
→ 需要 AI 通道預測（你第 82 單元）
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3️⃣ 動態 Beam Footprint
衛星 beam 每秒都在滑動
→ UE 必須做「預測 handover」
→ O-RAN SMO 會下 UE 追蹤指令
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4️⃣ Delay Variation（回傳路徑不固定）
因為衛星一直動
→ backbone 路徑長度會變
→ 需要 AI routing
→ Delay jitter 是大敵（eMBB 還可接受，URLLC 完全不行）
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5️⃣ 天空與地面雙網融合（TN + NTN）
UE 直接在 TN / NTN 來回切換：
• 地面 gNB
• LEO/HAPS
• UAV Relay
這就是 6G 的新 mobility：
⭐「天地一體化」
⭐「跨層 handover」
⭐「AI 智慧選網」
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🔭 五、ASCII 圖：天上的基地台架構
UE ←→ 🛰 (NTN-gNB)
| \
| \ ← moving beam
| \
🛰──🛰──🛰 ← Laser ISL mesh (Space Backbone)
|
🏞 Gateway
|
🧠 6G Core
此 ASCII 示意圖呈現 「天上的基地台」概念下的 NTN 架構運作方式：使用者設備（UE）直接連線至具備 NTN-gNB 功能的 LEO 衛星，衛星透過 可動波束（moving beam） 追蹤地面用戶；多顆衛星之間以 雷射 ISL 形成 Space Backbone 網狀骨幹，在太空中完成高速轉送與路由，最後由適當的 地面 Gateway 將流量落地，接入採 SBA 架構的 6G Core，使整個系統在不依賴密集地面基地台的情況下，仍能提供全球覆蓋、低延遲且可調度的行動通訊服務。
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🧩 六、模擬題
1️⃣ 專業題
為什麼 NTN 可以把衛星當成基地台？
📦 答：因為 3GPP 定義 NTN-NR，讓衛星直接執行 NR 協定（RRC/MAC/PHY），等同於「飛行的 gNB」。
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2️⃣ 應用題
LEO 為何需要 AI mobility prediction？
A. Beam 不會動
B. 衛星速度極快 ✔
C. UE 訊號太強
D. SNR 過高
解析:
LEO 衛星相對地面高速移動，服務波束與可服務衛星持續變化，因此必須透過 AI mobility prediction 提前預測切換與資源配置。
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3️⃣ 情境題
在海上只有 LEO 可用，為什麼 latency 仍可能不穩定？
A. UE 太大
B. 衛星太亮
C. 空間 backbone 路徑一直變 ✔
D. UE 在走路
解析:
即使只有 LEO 可用，因為 太空雷射骨幹（Space Backbone）路由隨衛星位置不斷改變，實際傳輸路徑長短不同，導致延遲出現波動。
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🛠 七、實務演練題
1️⃣ 以 Ka-band + LEO 7.5 km/s 模擬 Doppler compensation
2️⃣ 模擬 NTN-NR waveform（加上 time advance）
3️⃣ 實作 Satellite → TN → Satellite routing path
4️⃣ 建立「3D mobility map」預測 HO
5️⃣ 設計 TN/NTN 選網策略（QoS-based + AI-based）
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✅ 八、小結：天空正式成為行動網路的一部分
✔ 衛星/HAPS/UAV 全部都能變成基地台（NTN-R）
✔ 6G 不再只是地面網，是「天地一體化網路」
✔ LEO/HAPS 是主力：提供全球覆蓋
✔ NTN 需要 AI：mobility / beam / routing 全靠 AI
✔ 未來手機可以直接註冊到衛星（Rel-18/19）
✔ NTN 是 6G 的最大革新：RAN 擴張到天空了
一句話：
⭐ 6G 的基地台不只在地面，它們正在天空飛。
