面向低軌衛(wèi)星的星地信道特性研究與仿真

蘇昭陽,劉 留,郭志斌,張嘉馳,周 濤

(1.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京 100044;2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司智網(wǎng)創(chuàng)新中心,北京 100048)

0 引言

5G商用以來,學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界對6G的研究也逐漸深入,6G將不再受限于地面通信網(wǎng)絡(luò),而是著力于打造空天地一體化的信息網(wǎng)絡(luò),將通信區(qū)域從平面擴(kuò)展至空間,為人們提供更廣范圍、更大容量、更加智能的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合服務(wù)[1]。3GPP與ITU等國際化標(biāo)準(zhǔn)組織均已開始推動(dòng)空天地一體化的標(biāo)準(zhǔn)制定,其中ITU還將其列為7大關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)需求之一[2]。

低軌(Low Earth Orbit,LEO)衛(wèi)星相比于中高軌衛(wèi)星,具備低成本、低時(shí)延、廣覆蓋、大容量的特點(diǎn),受到了廣泛青睞,已經(jīng)被認(rèn)為是6G空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分[3]。美國的銥星、Globalstar、Starlink以及英國的OneWeb均已在太空部署了大量低軌衛(wèi)星,以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋與戰(zhàn)略目標(biāo)[4-7],其中Starlink衛(wèi)星在最近的俄烏沖突中讓烏克蘭前線部隊(duì)在地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)失效的區(qū)域仍然能夠保持聯(lián)系。在國內(nèi),從2015年開始建設(shè)低軌衛(wèi)星通信項(xiàng)目“鴻雁星座”系統(tǒng)和“虹云工程”[8];2020年衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)被納入“新基建”信息基礎(chǔ)設(shè)施之一;2021年中國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司作為新央企正式成立,衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為了5G及6G時(shí)代實(shí)現(xiàn)全球網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重要解決方案。

無線信道是無線移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要組成部分,其應(yīng)用貫穿于無線通信系統(tǒng)的評估、標(biāo)準(zhǔn)化以及最終應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié),對其特性進(jìn)行研究是部署任何無線通信系統(tǒng)的前提與基礎(chǔ)。與地面移動(dòng)通信系統(tǒng)不同,低軌衛(wèi)星部署在距離地面500～2 000 km的外大氣層中,因此信號傳輸距離長,且會(huì)穿過大氣層,導(dǎo)致了嚴(yán)重的傳輸損耗。另一方面,由于低頻段的頻率資源緊張,低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)逐漸向著Ka、Q/V等高頻段部署,隨著頻率的增加,大氣層中的水汽、氧氣分子,以及降雨和云霧天氣的水滴均會(huì)對高頻信號造成不可忽視的衰減[9]。此外,雖然星地鏈路大多可認(rèn)為是LOS路徑,但是由于低軌衛(wèi)星的高移動(dòng)性,會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的多普勒頻移[10]。

綜上所述,本文對低軌衛(wèi)星星地鏈路信道特性進(jìn)行了研究與分析。首先,對目前低軌衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展進(jìn)行了介紹;其次,分析了影響低軌衛(wèi)星星地信道的具體因素,對其計(jì)算方法進(jìn)行了闡述;然后,基于Starlink系統(tǒng)利用開發(fā)的星地鏈路仿真平臺(tái),對信道特性進(jìn)行了仿真;最后,對全文進(jìn)行了總結(jié)。

1 標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

1.1 3GPP標(biāo)準(zhǔn)

3GPP著眼于對現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展,使其能夠支持天基網(wǎng)絡(luò),并命名為非對地網(wǎng)絡(luò)(Non-Terrestrial Network,NTN)[11]。從Rel-15開始,3GPP就對NTN開始研究,TR 38.811技術(shù)報(bào)告中定義了NTN的部署場景與一些關(guān)鍵的系統(tǒng)參數(shù)如軌道高度、載頻、信道帶寬、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等[12]。此外,該技術(shù)報(bào)告還對NTN信道模型進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,其中的信道模型是由3GPP在地面網(wǎng)絡(luò)中規(guī)定的模型改進(jìn)而來,包含了空曠、農(nóng)村、郊區(qū)、城區(qū)、密集城區(qū)5個(gè)場景,考慮了LOS概率、路徑損耗、陰影衰落、地物損耗、多普勒頻偏等多個(gè)參數(shù),并給出了S和Ka頻段下的CDL與TDL模型。但是,TR 38.811中提出的信道模型沒有考慮衛(wèi)星的移動(dòng)性,無法給出信道參數(shù)的時(shí)間相關(guān)性,這也是3GPP未來工作的方向之一。

完成Rel-15階段對NTN的場景與信道模型標(biāo)準(zhǔn)制定后,3GPP在Rel-16階段開始研究使5G NR支持NTN的解決方案,并形成了技術(shù)報(bào)告TR 38.821[13]。在TR 38.821中,系統(tǒng)介紹了基于NTN的RAN架構(gòu)、鏈路級與系統(tǒng)級仿真參數(shù)、各協(xié)議層需要做出的調(diào)整以適應(yīng)NTN場景等。在該技術(shù)報(bào)告中,詳細(xì)定義了S與Ka頻段下星地鏈路系統(tǒng)級與鏈路級仿真所需要考慮的參數(shù),包括衛(wèi)星高度、天線方向圖、有效全向輻射功率密度、天線增益、信道模型等,此外還給出了計(jì)算星地鏈路預(yù)算的方法,主要目標(biāo)是計(jì)算載噪比(Carrier to Noise Ratio,CNR)。基于Rel-16的工作,3GPP在Rel-17中將NTN納入了規(guī)范,并設(shè)立了專門的工作組,重點(diǎn)研究衛(wèi)星的透明傳播工作模式。

1.2 ITU標(biāo)準(zhǔn)

ITU從1986年開始,在其ITU-R P系列建議書中進(jìn)行了地對空與空對地通信系統(tǒng)中無線電波傳輸損耗的計(jì)算方法研究,并經(jīng)過多年研究迭代,到現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的為2017年的ITU-R P.618建議書與2021年的ITU-R P.2108建議書。

在ITU-R P.618建議書中,對星地鏈路信號傳播過程中經(jīng)歷的最重要的幾種損耗的預(yù)測方法進(jìn)行了規(guī)定,包括大氣氣體引起的衰減;降雨、其他降水和云引起的衰減;閃爍效應(yīng);沙塵暴引起的衰減等[14]。并指出,在10°以上的仰角時(shí),一般只有氣體衰減、雨和云衰減以及可能存在的閃爍影響較為顯著,其中降水和云引起的衰減以及閃爍效應(yīng)在該建議書中給出了詳細(xì)的計(jì)算方法,氣體衰減的計(jì)算方法在ITU-R P.676[15]中給出。該建議書也在3GPP TR 38.811標(biāo)準(zhǔn)中得到了應(yīng)用。

ITU-R P.2108建議書給出了地物損耗的預(yù)測方法,其中地物指的不是實(shí)際的地形,而是地球表面的各種物體,如建筑物和植被等,無線接收機(jī)附近的地物會(huì)對整體傳播效果產(chǎn)生影響[16]。該建議書定義了多種模型,可以根據(jù)收發(fā)端位置與頻率范圍選擇合適的模型,對于低軌衛(wèi)星場景,定義的模型適用于城區(qū)與郊區(qū)場景,對于周圍沒有明顯障礙物的環(huán)境,可認(rèn)為地物損耗為0 dB。

綜上所述,目前3GPP與ITU均對低軌衛(wèi)星場景的星地鏈路傳播過程進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化工作,表 1給出了各標(biāo)準(zhǔn)的對比。其中3GPP給出了星地信道的標(biāo)準(zhǔn)化模型,并在繼續(xù)推動(dòng)著相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作,但是該模型由地面網(wǎng)絡(luò)的信道模型改進(jìn)而來,且沒有考慮衛(wèi)星的移動(dòng)性,還并不完善。ITU給出了星地傳播過程中損耗的預(yù)測方法,被3GPP納入標(biāo)準(zhǔn),得到了廣泛使用。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)組織關(guān)于低軌衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)對比Tab.1 Comparison of LEO standards by standard organizations

2 星地信道特性分析

星地鏈路傳播距離長,會(huì)穿過大氣層,且終端移動(dòng)速度高,這導(dǎo)致了星地鏈路信道與地面蜂窩系統(tǒng)信道的很大不同,具體體現(xiàn)在嚴(yán)重的自由空間損耗,大氣吸收損耗、降雨和云霧損耗、地物損耗以及較高的多普勒頻偏等方面,本節(jié)將會(huì)對低軌衛(wèi)星星地信道特性進(jìn)行分析。

2.1 自由空間損耗

低軌衛(wèi)星的衛(wèi)星信號在星地鏈路中的傳播方式可以認(rèn)為是自由空間傳播,且一般為視距路徑。由于傳播距離長,自由空間損耗是星地鏈路路徑損耗中最重要的一種損耗,其計(jì)算公式如式(1)所示:

FSL(d,f)=32.45+20lg(d)+20lg(f),

(1)

式中:FSL為自由空間損耗,單位為dB;d為傳播距離,單位為km;f為載頻,單位為MHz。對于特定的軌道高度與衛(wèi)星仰角,傳播距離d可由式(2)計(jì)算[12]:

(2)

式中:RE表示地球半徑,α為衛(wèi)星仰角,h0為軌道高度,其相對位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星與地面終端相對位置關(guān)系Fig.1 Relative position relationship between satellite and terrestrial terminal

可見,自由空間損耗與星地距離和衛(wèi)星的工作頻段直接相關(guān)。以Starlink為例,目前其第一階段的衛(wèi)星軌道高度在550 km左右,第二以及第三階段計(jì)劃部署的軌道高度300～600 km不等,其對自由空間損耗的影響在50 dB之內(nèi)。但是隨著低頻段頻率資源的日漸緊張,其工作頻段計(jì)劃從第一階段的Ku頻段向Ka以及Q/V頻段發(fā)展,頻段的變化會(huì)對自由空間損耗的影響達(dá)到90 dB。因此,在部署星地鏈路的同時(shí),需要更加注重對高頻段鏈路的優(yōu)化,以降低傳輸損耗。

2.2 大氣吸收損耗

衛(wèi)星信號在穿過大氣層的過程中,會(huì)受到大氣中氧氣、水汽分子的吸收作用,從而產(chǎn)生額外的衰減。大氣吸收衰減與多種因素相關(guān),如仰角、頻率、壓強(qiáng)、溫度等,一般使用ITU-R P.676建議書中提供的方法進(jìn)行計(jì)算。ITU-R P.676中提供了兩種計(jì)算大氣吸收損耗的方法;第一種方法可以精確計(jì)算1～1 000 GHz任意給定壓強(qiáng)、溫度和水蒸氣高度下的損耗;第二種方法提供了一種1～350 GHz的近似計(jì)算方法。

在3GPP TR38.811標(biāo)準(zhǔn)中,采用第二種方法進(jìn)行計(jì)算,且認(rèn)為10 GHz以下的大氣吸收損耗可以忽略不計(jì),但是在10°以下的仰角范圍內(nèi),只要頻率高于1 GHz,都應(yīng)考慮其大氣吸收損耗。近似計(jì)算方法如式(3)所示:

(3)

式中:PLA為總的大氣吸收損耗,θ為衛(wèi)星仰角,PLzenith為氧氣分子與水汽分子在垂直路徑上引起的總衰減,可由式(4)表示:

PLzenith=γoho+γwhw,

(4)

式中:γo與γw分別為氧氣分子與水汽分子的損耗率,單位為dB/km,均與壓強(qiáng)、溫度和頻率有關(guān);ho與hw分別為氧氣和水汽分子的傾斜路徑在垂直方向上的投影路徑。

可以看到,大氣吸收損耗為頻率與仰角的函數(shù),低仰角和高頻段會(huì)很大程度上增大吸收損耗,因此星地鏈路應(yīng)當(dāng)考慮低仰角和高頻段的優(yōu)化,如通過仰角限制策略來保障傳輸信號質(zhì)量。

2.3 降雨和云霧損耗

降雨和云霧損耗也是衛(wèi)星信號在穿過大氣層過程中所經(jīng)歷的一種重要損耗,主要是由降水和云中的水滴與冰滴引起的吸收和散射導(dǎo)致的。目前對于該損耗,廣泛使用ITU-R P.618建議書中給出的方法進(jìn)行預(yù)測,3GPP TR38.811標(biāo)準(zhǔn)也采用了該方法計(jì)算,并認(rèn)為在6 GHz以下時(shí)可以忽略該損耗,但是在10 GHz以上和1 GHz左右的低仰角時(shí)非常重要。

ITU-R P.618建議書給出了從某一地點(diǎn)年平均降雨量預(yù)測長期雨衰的方法,并默認(rèn)使用0.01%概率的年平均單點(diǎn)降雨量R0.01,單位為mm/h。R0.01的含義是該地一年中有0.01%的時(shí)間降雨量超過R0.01,即該年99.99%的時(shí)間雨衰均低于R0.01產(chǎn)生的雨衰,該衰減值由式(5)計(jì)算:

A0.01=γRLE,

(5)

式中:γR為降雨衰減率,單位為dB/km,由式(6)計(jì)算

γR=k(R0.01)α,

(6)

式中:k與α為ITU-R P.838建議書給出的頻率相關(guān)系數(shù)。LE為衛(wèi)星信號穿過降雨區(qū)的有效路徑長度,計(jì)算LE前,首先要計(jì)算水平換算系數(shù)r0.01和垂直換算系數(shù)v0.01,如式(7)和式(8)所示

(7)

(8)

式中:f為載頻,θ為仰角,LR與χ由式(9)和式(10)計(jì)算

(9)

(10)

式中:LG為星地鏈路傾斜路徑的水平投影,hR為雨量,可由ITU-R P.839建議書得到,hS為地面站在平均海平面以上的高度,φ為地面站的緯度。因此,LE可由式(11)計(jì)算得到:

LE=LRv0.01。

(11)

由此可見,降雨及云霧損耗與地面站位置、仰角、載頻、年均降雨量均有關(guān)系,且在高頻段下,該損耗在總路徑損耗中占比僅次于自由空間路徑損耗,因此在部署星地鏈路時(shí)需要著重考慮該損耗,對于年降雨較多的地區(qū),應(yīng)當(dāng)進(jìn)行針對性優(yōu)化。

2.4 地物損耗

地物損耗是指當(dāng)衛(wèi)星信號穿過大氣層,到達(dá)地面站附近時(shí),可能會(huì)受到的地面站周圍建筑物以及自然環(huán)境遮擋物的影響而產(chǎn)生的損耗,是星地鏈路大尺度損耗的重要組成部分。地物損耗的典型計(jì)算方法在ITU-R P.2108建議書中給出,其適用頻率范圍為10～100 GHz,適用場景為城市和郊區(qū)場景,采用蒙特卡洛法給出了一種統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的模型,具體計(jì)算方法如式(12)所示:

1-0.6Q-1(p/100),

(12)

式中:CL為得到的地物損耗,單位為dB;f為載波頻率,單位為GHz;θ為地面站觀測衛(wèi)星的仰角,單位為度;Q-1(p/100)為逆補(bǔ)正態(tài)分布函數(shù);p為位置百分比。式(12)中假設(shè)在一個(gè)仿真場景中隨機(jī)分布著足夠多的地面站,且這些地面站觀測衛(wèi)星的仰角均為θ,那么有p%的地面站的地物損耗小于CL。在3GPP TR 38.811協(xié)議中,也給出了S以及Ka頻段下,城區(qū)和郊區(qū)場景的地物損耗參考值,如表2所示。

表2 S和Ka頻段下城區(qū)與郊區(qū)地物損耗參考值Tab.2 Reference values of clutter loss in urban and suburban scenario for S and Ka bands

2.5 多普勒頻偏

低軌衛(wèi)星始終在高速運(yùn)動(dòng),一般與地面站從建立連接到斷開連接僅為10 min左右,因此會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的多普勒頻偏,這將會(huì)對接收端對信號的解調(diào)判決造成影響,導(dǎo)致誤碼率的增大,降低星地通信質(zhì)量。對于靜止的地面站,只考慮衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)造成的多普勒頻偏,若地面站為車輛等同樣在移動(dòng)的物體,則需要同時(shí)考慮收發(fā)端運(yùn)動(dòng)的影響,如圖2所示。

圖2 移動(dòng)衛(wèi)星相對地面終端位置關(guān)系Fig.2 Position relationship between mobile satellites and terrestrial terminal

當(dāng)?shù)孛嬲眷o止時(shí),多普勒頻偏可由式(13)表示[17]:

(13)

3 基于Starlink的星地信道仿真分析

本節(jié)將基于SapceX的Starlink星座系統(tǒng),對低軌衛(wèi)星星地鏈路傳播特性進(jìn)行仿真,包括星地連接情況、自由空間路徑損耗、大氣吸收損耗、降雨和云霧損耗以及多普勒頻偏。仿真所用的低軌衛(wèi)星軌道參數(shù)依據(jù)公開的Starlink衛(wèi)星數(shù)據(jù)設(shè)定,仿真參數(shù)如表3所示。

表3 仿真參數(shù)Tab.3 Simulation parameters

3.1 星地連接情況仿真

不同于地球靜止軌道衛(wèi)星,低軌衛(wèi)星相對地面運(yùn)動(dòng)速度較快,在設(shè)定的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生多次與地面站的連接與斷開,表4為在8:00—16:00的仿真時(shí)間段內(nèi),衛(wèi)星與地面站的通斷情況。

表4 星地通斷時(shí)刻表Tab.4 Time table for satellite-ground connection

從表中可以看出,在該時(shí)間段內(nèi)共發(fā)生了5次連接,每次連接持續(xù)大約10 min,過頂時(shí)間較短,且從一次連接斷開到下一次連接成功間隔大約90 min。因此若想使地面站在任意時(shí)刻都有衛(wèi)星連接,就需要部署大量衛(wèi)星。值得注意的是,表 3所展示的通斷時(shí)刻僅考慮了可見性因素,即當(dāng)衛(wèi)星仰角為正值時(shí)就認(rèn)為連接,然而低仰角時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的雨衰,通信質(zhì)量較差。因此若在實(shí)際部署中考慮仰角限制策略,則衛(wèi)星的每次連接時(shí)間會(huì)進(jìn)一步縮短,這對衛(wèi)星部署數(shù)量的要求會(huì)進(jìn)一步提高。

3.2 大尺度衰落仿真

低軌衛(wèi)星星地鏈路可分為空間段與地面段[18],信號在空間段傳播經(jīng)過大氣層,主要包括自由空間路徑損耗、大氣吸收損耗、降雨和云霧損耗;對于地面段,衛(wèi)星信號會(huì)受到周圍建筑物或自然地形的影響,主要為地物損耗,對這幾種損耗進(jìn)行了仿真,并分析了其與頻率、仰角等因素的關(guān)系。

3.2.1 空間段仿真

圖3為自由空間路徑損耗隨頻率和仰角的變化情況,可以看到,隨著頻率的增加,自由空間路徑損耗也隨之增加,且在0～10 GHz迅速增加,在高頻段范圍內(nèi)增長緩慢。此外,考慮到極低仰角時(shí)通信鏈路可用性較差,本文選取了10°、30°、50°、70° 四個(gè)仰角進(jìn)行仿真,結(jié)果表明低仰角的路徑損耗高于高仰角的路徑損耗,且在固定仰角增量的情況下,仰角越大路徑損耗減小越緩慢,這表明在高仰角區(qū)內(nèi),仰角的變化對路損影響不大,但較低的仰角會(huì)顯著影響路損。

圖4為衛(wèi)星信號在穿過大氣層的過程中,經(jīng)歷的大氣吸收損耗與頻率和仰角的變化情況,圖中的垂直線為從L到W頻段各個(gè)頻率范圍的分界線。從圖中可以看到,大氣吸收損耗首先隨著頻率的增大而增大,在Q/V頻段內(nèi)增長速度顯著上升,并在60 GHz左右達(dá)到一個(gè)峰值,隨后迅速下降,在W頻段內(nèi)緩慢上升。此外,在K頻段內(nèi)的23 GHz左右,大氣吸收損耗會(huì)達(dá)到一個(gè)小峰值。因此,在部署衛(wèi)星頻段時(shí),低頻段可以保證較小的大氣吸收損耗,但應(yīng)當(dāng)避開23 GHz左右的峰值,若選擇高頻段,則應(yīng)當(dāng)避免在60 GHz左右部署。

圖4 大氣吸收損耗與頻率和仰角的關(guān)系Fig.4 Relationship between atmospheric absorption attenuation,frequency and elevation

隨著仰角的增大,大氣吸收損耗逐漸減小,且仰角越高,減小越慢。在仰角為10°、高頻段的情況下,大氣吸收損耗最高可達(dá)到近1 000 dB,這對通信系統(tǒng)而言是無法接受的,因此,在部署衛(wèi)星通信系統(tǒng)時(shí),應(yīng)對低仰角、高頻段的場景進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化。

圖5為降雨、云霧損耗隨頻率和仰角的變化情況。隨著頻率的增加,云雨損耗呈現(xiàn)先快后慢的增長趨勢,在0～8 GHz的低頻段范圍內(nèi)具有1 dB以下的較低損耗值,在Ku和Ka頻段內(nèi)損耗值為數(shù)十dB,到Q/V及以上的頻段后將會(huì)達(dá)到100 dB以上,可見頻率對云雨損耗有著不可忽視的影響。

圖5 降雨、云霧損耗與頻率和仰角的關(guān)系Fig.5 Relationship between rain and cloud attenuation, frequency and elevation

圖6仿真了Ku、Ka、Q/V頻段下,降雨量為小雨、中雨、大雨情況下的云雨損耗隨仰角的變化情況?？梢钥吹?隨著仰角的增加,損耗值逐漸減小,且下降逐漸緩慢,這與圖3和圖4展示出來的特點(diǎn)是相似的。此外可以發(fā)現(xiàn),降雨量的增大也會(huì)導(dǎo)致云雨損耗的增大,且較大的降雨量會(huì)使得低頻段的損耗超過高頻段,如圖 6中Ka頻段的中雨損耗超過了比其更高頻段的Q/V頻段小雨損耗,因此如何保證惡劣降雨天氣下的通信質(zhì)量也應(yīng)當(dāng)成為一個(gè)值得關(guān)注的問題。

圖6 不同雨量的損耗變化Fig.6 Changes of losses due to rainfall levels

圖7選擇了中等仰角情況下,空間段各大尺度損耗影響因素的整體變化情況。可以看到在所有影響因素中,自由空間路徑損耗始終是最嚴(yán)重的影響因素,在低頻段內(nèi)尤為明顯。隨著頻率的增加,云雨損耗在總大尺度損耗中的占比逐漸增大,在高頻段時(shí)接近自由空間損耗,成為僅次于自由空間損耗的影響因素,而大氣吸收損耗除了在Q/V頻段內(nèi)的峰值外,基本保持較小的占比。綜上所述,在組成星地鏈路大尺度損耗的因素中,自由空間與云雨損耗是影響較大的兩個(gè)因素,大氣吸收損耗影響較小,但要注意避免部署在Q/V頻段內(nèi)大氣吸收損耗的峰值附近。

圖7 空間段各大尺度損耗與頻率的關(guān)系Fig.7 Relationship between large-scale losses and frequency in spatial segment

3.2.2 地面段仿真

對于星地鏈路的地面段,影響大尺度衰落的因素主要為地物損耗,其與頻率、仰角以及接收機(jī)周圍環(huán)境有關(guān)。圖8為基于ITU-R P.2108建議書中方法仿真的城區(qū)場景地物損耗累積分布曲線,仿真頻率為20 GHz。圖8(a)對10°～90° 每隔10°的仰角進(jìn)行了仿真,從圖中可以看到,在頻率一定時(shí),隨著仰角減小,地物損耗呈現(xiàn)增大趨勢,且仰角越低地物損耗增大越迅速,遮擋較為嚴(yán)重時(shí),低仰角場景的地物損耗將超過70 dB。圖8(b)仿真了10°、20°、30°三種仰角下,Ku、Ka和Q/V三種頻段的地物損耗累積分布曲線,可以看到隨著頻率的增大,地物損耗也隨之增大,但是相比于仰角變化造成的影響,頻率增加造成的地物損耗增大較少。

(a) 地物損耗CDF隨仰角的變化關(guān)系

綜上所述,對于地面段的地物損耗,頻率的增大與仰角的降低均會(huì)使其增大,但是仰角造成的影響遠(yuǎn)大于頻率,因此在地面站的部署上應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮衛(wèi)星仰角,盡可能部署在以高仰角接收到衛(wèi)星信號的位置。

3.3 小尺度衰落仿真

由于星地鏈路LOS概率較高,因此多徑效應(yīng)不明顯,而衛(wèi)星的快速移動(dòng)導(dǎo)致了嚴(yán)重的多普勒頻移,將會(huì)對信號的正確接收解調(diào)造成影響,是星地鏈路中不可忽視的因素。

圖9展示了多普勒頻偏隨頻率和時(shí)間的變化關(guān)系,可以看出,在同一時(shí)刻,由于仰角不變,由式(12)可得,多普勒頻偏隨頻率的增加而增加。隨著時(shí)間的增加,衛(wèi)星先與地面站建立連接,隨后運(yùn)動(dòng)至地面站頂端,之后仰角逐漸變小直至與地面站斷開連接,衛(wèi)星多普勒頻偏整體呈現(xiàn)“之”字形變化,較大時(shí)可達(dá)到1 000 kHz以上。這是因?yàn)樵谛l(wèi)星運(yùn)動(dòng)至地面站頂端的過程中,衛(wèi)星逐漸接近地面站,因此多普勒頻偏為正值,然而隨著仰角的增大,衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度在星地鏈路上的投影越來越小,導(dǎo)致多普勒頻偏逐漸減小至0。在衛(wèi)星經(jīng)過地面站頂端后,二者逐漸遠(yuǎn)離,且仰角逐漸變小,使得多普勒頻偏為負(fù)值,且頻偏越來越嚴(yán)重。此外可以發(fā)現(xiàn),圖9中的多普勒頻偏在兩側(cè)變化較慢,在中間快速變化,這是由于高仰角范圍內(nèi)速度投影變化較快導(dǎo)致的。

圖9 多普勒頻偏與頻率和仰角的關(guān)系Fig.9 Relationship between Doppler frequency shift,frequency and elevation

4 結(jié)論

隨著5G的商業(yè)化與6G研究的深入,低軌衛(wèi)星以其大容量、廣覆蓋、低時(shí)延、低成本等特點(diǎn)得到越來越多的關(guān)注。本文詳細(xì)介紹了低軌衛(wèi)星系統(tǒng)中星地鏈路的傳播特性,首先回顧了低軌衛(wèi)星有關(guān)星地鏈路傳播的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展;隨后對星地鏈路信道的特性進(jìn)行了分析,包括自由空間路徑損耗、大氣吸收損耗、降雨和云霧損耗、地物損耗、多普勒頻偏,并對各種損耗的計(jì)算方法進(jìn)行了介紹;最后利用仿真平臺(tái),基于Starlink衛(wèi)星數(shù)據(jù)對星地連接情況、大小尺度衰落進(jìn)行了仿真,展示了星地信道的傳播特性,為星地?zé)o線通信系統(tǒng)的部署與優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。