5G NTN 手機直連衛星 (D2D) 測試：NB-IoT 與 NR-NTN 的協定與射頻驗證

在過去，衛星通訊與行動通訊是兩個平行的宇宙，衛星通訊需要龐大、昂貴且帶有專用指向性天線的終端設備（如 VSAT）；而行動通訊則依賴密集的地面基地台；然而隨著低地球軌道（LEO）巨型星座的部署，這兩個宇宙正在強烈碰撞，「手機直連衛星（Direct-to-Device, D2D 或 Direct-to-Cell, DTC）」 已經成為電信營運商（MNO）防止客戶流失的戰略性防護機制，更是各大手機品牌爭奪高階市場的下一個戰場。

目前的衛星直連技術正處於百家爭鳴的階段，主要可分為兩大陣營與四種發展範式，理解這些範式的物理與協定差異，是進行系統設計與測試的先決條件。

發展範式：從專有技術到 3GPP 標準化

專有衛星通訊（Proprietary Sat Comms）：
使用搭載專屬射頻前端與數據機的手機，運行於特定的衛星頻譜，這類系統通常僅限於緊急文字訊息服務，且依賴封閉的生態系。

直接連接一般手機（Direct to Cell, DTC）：
這是最具野心的過渡方案，衛星營運商借用地面電信商的頻譜（例如 1900 MHz 或 700-960 MHz），讓「完全未經修改」的標準 LTE 手機直接連上衛星，然而由於手機硬體與協定並未針對太空環境優化，這種光靠「衛星端進行補償」的架構在頻譜共存與系統容量上存在極限。

5G IoT-NTN（基於 NB-IoT）：
依循 3GPP Release 17 標準，針對修改過的物聯網裝置與手機，它使用專用的 L 頻段與 S 頻段（低於 6 GHz），雖然容量有限且延遲容忍度高，但已能實現穩定的雙向訊息傳遞，未來更將支援低資料率的語音通話。

4. NR-NTN（寬頻萬物連網）：
這是 5G 演進的終極目標，它不僅支援手機，還支援穿戴式裝置與車聯網，頻段從低於 6 GHz 擴展到 Ku 與 Ka 頻段，它能提供更高的容量與多樣化的應用場景，是未來 6G 網路融合的基礎。

物理層面的殘酷考驗：功率、延遲與極速移動

當我們要求一部設計用來連接 2 公里外基地台的手機，去連接 600 公里外、以每秒 7.6 公里速度飛行的 LEO 衛星時，物理定律成為最大的阻礙。

上行鏈路（Uplink）的功率瓶頸：
這是直連衛星最脆弱的環節，衛星通訊的鏈路預算（Link Budget）需要考量發射功率、天線增益、自由空間損耗、大氣衰減與極化損耗等，在傳統地面網路中，手機的最大發射功率通常被限制在約 20 dBm 左右，然而為了克服遙遠的太空距離，針對 NTN 原型機的測試往往需要將上行功率推升至 25 dBm 甚至更高，要在維持智慧型手機輕薄設計與電池壽命的前提下榨出這些額外的射頻能量，對功率放大器（PA）與散熱設計是極大的考驗。

都卜勒效應破壞正交性：
在未經修改的 DTC 方案中，衛星試圖在接收端預先補償都卜勒頻移，但這個補償通常只能針對波束的「中心點」進行優化，位於波束邊緣的手機，其發送的上行訊號到達衛星時，仍會帶有殘餘的都卜勒頻偏；在 5G NR 所使用的正交頻分多工（OFDM）架構中，頻率偏移會破壞子載波之間的正交性，導致嚴重的載波間干擾（ICI），使解調變失敗。

協定層的時序崩潰（K-offset 排程難題）：
這是 3GPP 為了適應 NTN 所做出的最重大修改之一，在地面 5G 網路中，基地台發送下行控制資訊（DCI）指示手機在幾個時隙（Slots）後發送上行資料，但在衛星網路中，往返傳播延遲（RTT）可能高達數十毫秒，如果手機乖乖等到收到指令才開始計時準備發射，當訊號到達衛星時，早就錯過了專屬的接收時間窗口；為此，3GPP 引入了 K-offset（K-偏移量） 參數，這是一種時間軸的位移機制，要求網路將排程時間大幅提前，使得手機在邏輯上甚至必須在「收到排程指令之前」就進行發射動作的預備與時序調整，這對晶片的時序控制邏輯是徹底的顛覆。

網路層挑戰：動態拓撲與條件式換手 (CHO)

在 LEO 星座中，衛星大約每幾分鐘就會飛越手機上空一次，這代表網路拓撲是高度動態的。

• 頻繁的換手風暴：
  傳統基於訊號強度（RSRP）改變的換手觸發機制在太空環境中會失效，因為當衛星從頭頂飛過時，訊號強度的變化可能極其微小且平緩，無法提供明確的切換邊界。
• 條件式換手（Conditional Handover, CHO）：
  為了避免連線中斷，NTN 引入了進階的 CHO 機制，網路會預先配置換手條件，例如：當手機計算出自己與某個「參考地理位置」的距離大於特定閾值，或者經過了特定的時間長度後，就自動觸發換手程序，轉向下一顆即將接替服務的衛星。這要求終端設備必須具備強大的地理運算與時間同步能力。

端對端數位雙生與射頻驗證方案

要在地面實驗室中驗證一部智慧型手機能否在上述極端環境下穩定運作，傳統的靜態基地台模擬器已完全無法勝任，您需要的是一套能夠重現太空軌道幾何、精確控制都卜勒頻移，並完整支援 3GPP Rel-17/18 NTN 協定堆疊的 「端對端（E2E）數位雙生測試系統」，奧創系統為生態系提供從研發到認證的完整解決方案

核心引擎：R&S CMX500 萬用無線通訊測試儀

R&S CMX500 OBT (One Box Tester) 是解決 NTN 測試難題的核心樞紐，它是一台將射頻前端、基頻處理與衰減模擬器整合於單一機箱內的超級儀表，全面支援 3GPP 定義的所有 NTN 分支。

• 全標準支援： 無論您開發的是基於 L/S 頻段的 NB-NTN 物聯網模組，或是未來的 NR-NTN 寬頻直連設備，甚至是早期的 LTE-SCS (Supplementary Coverage from Space) 服務，CMX500 都能提供對應的網路模擬環境。
• 整合式動態軌道與通道模擬： CMX500 內建了強大的軌道工具（Orbit Tool）與 3D 視覺化介面，使用者可以直接匯入真實的衛星軌道參數，系統會自動計算衛星的運動軌跡，並即時轉換為射頻訊號上的動態延遲（Dynamic Delay）與動態都卜勒頻移（Dynamic Doppler），它甚至支援「自動換手（Auto-Handover）」模擬，在舊衛星訊號消失前自動引導手機連線至新衛星，實現 24/7 不間斷的星座運作模擬。

協定一致性與射頻效能驗證

針對晶片製造商與認證實驗室，必須確保終端設備完全符合 3GPP 的規範。

• PCT、RRM 與 RF 測試： 平台提供業界領先的測試案例（Test Cases）覆蓋率，涵蓋 NB-NTN 的協定一致性測試（PCT）、無線電資源管理（RRM）以及射頻（RF）收發效能驗證，這能確保終端設備的 K-offset 處理邏輯、時序提前（Timing Advance）以及閉迴路功率控制等關鍵機制完全符合標準。

E2E 數位雙生與應用層驗證：整合 VIAVI TM500

連得上網路只是第一步，應用程式能否在長延遲下順暢運作才是關鍵，將 R&S CMX500 與 VIAVI TM500 系列進行深度整合，構建了真正的端對端（E2E）數位雙生評估系統。

• 網路與終端模擬： VIAVI TM500 可作為高階的 3GPP UE 數據機模擬器，在真實終端設備尚未量產前，提早進行網路側的負載測試與應用驗證。
• 語音與影音串流測試： NB-IoT 本質上並非全雙工，其極低的資料傳輸量對語音通話是一大挑戰，透過這套 E2E 平台，我們可以整合第三方的低位元率語音編解碼器（如 AMR-NB 或 Codec2），在類 Walkie-Talkie（對講機）的半雙工模式下，驗證語音封包在經歷衛星長延遲後的通話品質與抖動（Jitter）表現。

物理層的極限模擬：Maury Microwave ACE9600

對於更底層的實體層（PHY）研發，或針對國防、高階寬頻酬載的測試，結合 Maury Microwave (dBm) ACE9600進階通道模擬器。

• 硬體迴路（HIL）插入測試： 在端對端通訊鏈路中，可以將 ACE9600 串接於真實的發射機與接收機之間，精準注入包括大氣衰減、多路徑效應、極端都卜勒變化率等物理層損傷，若需測試未來 3GPP Rel-18 規劃的高頻段（如 Ka 或 Ku 頻段），ACE9600 亦可無縫搭配外部升降頻器（Up/Down Converters）擴展其測試範圍。

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實際系統配置將因應您的產品類型（IoT 模組 / 智慧型手機 / 衛星酬載）、支援的 3GPP 版本（Rel-17 / 18）及測試階段（研發 / 生產 / 認證）而有所不同，如需深入規劃與系統或軟硬體選配搭配建議，請聯繫「奧創團隊」，我們擁有豐富的 5G 與航太系統整合經驗，隨時準備為您提供最專業的配置建議與技術支援。

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