低轨卫星传播特性仿真与分析*

乔艳丽，田磊，李志军，张建华

（北京邮电大学网络与交换国家重点实验室，北京 100876）

0 引言

随着5G 全面投入商用，新一代移动通信系统（6G）的需求和关键技术已经成为学术界及工业界的研究焦点。为了提供相比5G 更广的覆盖范围，6G 网络将突破地面网络限制，实现天基卫星网络和地面蜂窝网络等多个异构网络的融合[1-2]，因此空天地一体化信息网络成为6G网络发展的核心方向之一。目前，包括ITU、3GPP 在内的国际标准化组织已经专门成立工作组来推动空天地一体化业务。低轨卫星具有（LEO,Low Earth Orbit）传输时延小、制造成本低等优势，被认为是6G 星地融合网络的重要组成部分。截至目前，国内、外多家公司包括SpaceX、One Web、“虹云”、“鸿雁”等[3-6]宣布将计划发射数千颗中低轨卫星，构建天基卫星网络。

低轨卫星信道，尤其是星地链路的传播特性，是星地融合网络频率规划、共存和系统设计的重要前提。与地面移动通信相比，低轨卫星信道因传输距离长，且经过大气层，导致信号损耗严重，从而影响信号覆盖质量。同时，随着频谱资源越来越紧张，低轨卫星通信频段也在向Ka、Q/V或者更高的毫米波频段发展[7]。随着通信频率的升高，低轨卫星信道的传播特性除了自由空间的传播损耗之外，受大气吸收、降雨等复杂大气环境的影响更加显著。因此，本文将对比高、低频星地链路传播特性的影响因素，并基于开发的星地链路信道仿真平台，分析Q/V频段低轨卫星星地链路通信质量。

1 低轨卫星信道影响因素介绍

低轨卫星的信道特性在一定程度上决定了通信系统的传输能力，因此在研究卫星通信系统前，需对卫星无线信道有较深的了解。与地面的无线信道不同，卫星移动信道具有链路损耗大、多普勒频移严重以及通信时延大等特点。

1.1 低轨卫星通信链路

低轨卫星运行高度主要集中在500～2 000 km，其不仅可以作为接入网与GEO 组成“主干网+接入网”的网络架构，也可以单独运行与地面通信。如图1 所示，低轨卫星通信链路有星间链路、馈电链路和用户链路。星间链路是卫星间的通信链路，分为轨道内和轨道间链路。星间链路信道因在大气层外，接近真空，可认为是自由空间传播。馈电链路是卫星与地面站之间的链路，主要工作在C 和Ku 频段。随着低频段逐渐饱和，目前多数低轨卫星开始采用Ka 频段甚至Q/V 等更高的毫米波频段。用户链路是卫星到用户终端之间的通信链路，主要使用S和L 频段，其工作频段也在向Ka 等更高频段发展。无论用户链路还是馈电链路，信号在传播过程中同时受到复杂大气层环境和地面多种环境的影响，而且随着工作频率升高，其所受到的影响将更加显著。

图1 低轨卫星通信通信链路

1.2 低轨卫星星地信道影响因素

一般来说，低轨卫星星地信道特性可以分为小尺度衰落和大尺度衰落。小尺度衰落是短时间或短距离内信号幅度相位的快速波动，主要由地面终端附近的散射体引起的多径效应，以及低轨卫星的高速运动引起的多普勒效应导致。大尺度衰落是由信号长时间或者长距离的功率平均缓慢衰减，主要影响低轨卫星系统的传输距离和覆盖范围。大尺度衰落影响因素可根据信号从卫星到地面经过的传播环境分为空间段和地面段。空间段传播损耗主要包括自由空间损耗，以及大气吸收、降雨、云雾等大气环境引起的衰减损耗；地面段传播的损耗主要有阴影衰落和地物损耗。

（1）自由空间损耗

星地链路信道通常被认为是视距（LOS,Line of Sight）传播，卫星信号在大气层和外大气层中最基本的传播方式是自由空间传播，由于星地之间传输距离大，自由空间损耗是星地链路最主要的传播损耗因素。

（2）大气吸收衰减

大气中的水汽分子、氧分子等分子，对特定频率的卫星信号会产生额外衰减，其与频率、通信仰角以及压强、温度都有密切的关系。ITU-RP.676 是较为常用的大气吸收衰减模型[8]，其主要考虑氧分子和水汽分子在350 GHz 以下的吸收影响。

（3）降雨及云雾衰减

在星地链路空间段，卫星信号会受到云、雨、雾等天气的影响而产生额外衰减。降雨衰减由信号在降雨层受到雨滴吸收以及散射引起，与频率、降雨量、通信仰角等有关。ITU-RP.618 是广泛认可的预测降雨衰减的方法[12]，一般认为，降雨衰减在毫米波频段不可忽略。云雾衰减由构成云、雾的小水滴等凝结物的吸收造成，主要与云雾中水汽浓度有关，通常在100 GHz 频率以下，云雾衰减影响较小。

（4）阴影效应与地物损耗

在星地链路地面段，信号因地形起伏、地面建筑物、树木被遮挡，会产生阴影效应和地物损耗，其衰落深度与建筑物等地面散射体的密度和高度等有关。ITU-RP.2108 定义了适用不同频率范围的地物损耗预测方法[14]。3GPPTR 38.811 也为5G 非地面网络技术进行仿真评估，提供了S和Ka 频段城区、密集城区、农村和郊区等场景下的阴影衰落和地物损耗数据[15]。

2 星地信道传播损耗仿真分析

本节基于ITU-R P 系列建议书的衰减模型，分析低轨卫星星地链路传播中大气吸收、降雨等在C（4—8 GHz）、Ka频段（18—40 GHz）和Q/V频段（40—75 GHz）的衰减变化。

2.1 大气吸收衰减

根据ITU-RP.676 建议书，大气吸收衰减总损耗值AG可表示为：

其中，γ0和γw分别表示为氧分子衰减率和水汽分子衰减率，两者均为频率的函数，γw还与水汽密度有关，ho和hw为氧分子和水汽分子的等效路径垂直高度，θ为通信路径上的仰角。

图2给出了1个标准大气压、温度15℃、水汽密度7.5 g/m3、卫星轨道高度为1 500 km时，大气吸收衰减随频率和仰角的变化曲线。可以看出，大气损耗整体随频率升高而增大，并在22 GHz和60 GHz附近出现极大值，分别是因水汽分子和氧气分子的谐振，同时也可以看出大气损耗随着通信仰角增加而减小。大气损耗在C频段不同仰角下最大不超过0.5 dB，在Ka频段不超过3 dB，对卫星信号的影响相对较小。而在Q/V频段中55—65 GHz范围，大气衰减不同仰角情况下均超过10 dB。仰角从10°到90°，大气衰减在50 GHz和70 GHz频点因仰角带来的动态变化范围约为8 dB，随着频率越接近60 GHz，动态变化范围增大，在60 GHz频点超过756 dB。

图2 不同仰角和频率下的大气吸收衰减

2.2 降雨及云雾衰减

根据ITU-RP.618，降雨衰减值AR可用降雨损耗率和降雨有效路径的乘积计算，表示为：

其中，γR表示单位距离的降雨率，与平均降雨量和频率有关，LE为有效降雨路径长度，与星地链路传播路径上降雨区域范围有关。

图3给出了在1 500 km卫星轨道高度、0.01%降雨概率、不同降雨量（小雨15 mm/h、大雨40 mm/h、暴雨80 mm/h）和不同仰角（10°、90°）情况下，降雨衰减随频率的变化情况。由图3可知，降雨衰减随着频率升高和仰角减小而增加。在小雨、10°仰角情况下，C、Ka、Q/V频段降雨最大衰减分别为3.52 dB、75.25 dB和139.4 dB。Q/V频段与C频段在暴雨和小雨情况下，最大降雨衰减的差值分别约为136 dB和280 dB，可见降雨量的大小对高频段的降雨衰减影响极大。在频率为60 GHz、降雨量分别为小雨、大雨、暴雨情况下，由仰角不同时引起的降雨衰减动态变化范围分别为71.58 dB、73.61 dB、78.31 dB，随着降雨量的增大降雨衰减有小幅增长。

图3 不同仰角和不同频率下的降雨衰减（p=0.01%）

2.3 大尺度衰减总损耗

大尺度总损耗PL可表示为：

其中，PLb为自由空间传播损耗，PLg为由大气层造成的衰减，可表示为：

其中，AR为降雨导致的衰减，AC为云雾导致的衰减，AG为大气吸收衰减。

本文仿真了不同云雾浓度下，云雾衰减随频率的变化情况，发现随着频率的增加，雨雾衰减逐渐增大，但是整体增长趋势并不明显，当频率为100 GHz时，衰减约为0.8 dB，可见对整个通信链路影响很小。

表1 给出了晴天、小雨、大雨和暴雨四种天气、通信仰角10°和90°情况下、频率选择为Q/V 频段的50 GHz 时，星地链路总传播损耗仿真结果。可以发现，随着降雨量的增加，降雨衰减总传播损耗的比重加剧，从小雨时为68% 到暴雨时高达84%，由于降雨导致空气中的水蒸气密度增加，云雾衰减也呈上升趋势，在暴雨和10°仰角情况下达到19.45 dB。在晴天情况下，90°和10°仰角的总传播损耗分别为139.82 dB 和170.70 dB，变化范围约30.88 dB。在暴雨情况下，90°和10°仰角的总传播损耗分别为207.31 dB 和257.83 dB，变化范围50.52 dB，比晴天情况增大约20 dB。由此可见，Q/V 频段星地链路总传播损耗受不同天气和仰角变化影响，动态变化范围极大，将严重影响低轨卫星的覆盖质量。

表1 不同天气和仰角情况下星地链路传播损耗（轨道高度1 500 km）

3 低轨卫星通信质量分析

本节基于搭建的低轨卫星信道仿真平台，参考第2节的链路预算数据配置星载天线，仿真分析在Q/V频段不同位置的星地链路通信质量。

3.1 星地链路通信质量评价指标

覆盖时间百分比、平均通信仰角和载噪比是低轨卫星星地链路通信质量评估的常用指标。

（1）覆盖时间百分比

覆盖时间百分比Tpc是指在一段时间内，低轨卫星对目标可见时间与总时间的比值：

其中，（T1,T2）为仿真时间段内，n为卫星对地面站的可见次数，可见的时间段为（t1,t2,…,tn）。

（2）平均通信仰角

通信仰角E(t) 指的是卫星和地面接收站的连线与地球切线所形成的夹角，平均通信仰角E可以表示为：

其中，t1和t2分别为卫星对地面站可见时的开始时间和截止时间。

（3）链路载噪比

以卫星为发射端、地面站为接收系统、信号的载噪比C/N为载波信号强度/噪声信号强度，地面接收机输入端的载噪比可表示为：

其中，EIRPT为卫星天线有效全向辐射功率，LD为下行链路的传播损耗，GRE为地面站天线的有效增益，TE为地面站接收机等效噪声温度，BE为接收机带宽。

3.2 星地链路通信质量仿真分析

基于开发的低轨卫星星地链路信道仿真平台，选取北京（116.388°,39.9289°）和云南昆明（102.718°,25.0389°）两处，仿真分析星地链路通信质量。详细仿真配置如下：

卫星轨道参数：轨道半长轴7 878.14 km，离心率为0，轨道倾角为45°，近地点幅角为0地，升交点赤经为-50°，平近点角为0平。

星载天线参数：方位角都为0载，波束锥角为60°，采用ITU-R S.672定义的天线方向图，有效全向功率设置为30 dBW，天线效率设为55%。

仿真时段：2021年8月5日，04:00:00-23:00:00。

仿真频率：50 GHz。

表2给出仿真时间段为4:00-23:00，卫星对北京和昆明两处接收站的覆盖时间段以及平均通信仰角，由表2看出卫星对北京接收站共覆盖5次，覆盖持续时间随着卫星的移动先增加后减少，最大持续时间为531 s，卫星的总覆盖时间为1 984 s，覆盖时间百分比为2.9%。卫星对北京接收站的平均通信仰角最小值为36.57°、最大值为57.31°；卫星对昆明接收站共覆盖8次，覆盖持续时间先增加后减小，最大持续时间为1 456 s，总覆盖时间为9 944 s，覆盖时间百分比为14.5%。昆明接收站的平均通信仰角最小值为2.59°、最大值为23.88°，在仿真时间段，卫星对昆明接收站的仰角存在0°的情况，此刻视为覆盖盲区，通信效果差。

表2 接收站覆盖时间及平均通信仰角

图4 给出在4:00-23:00 时间段内，卫星与北京接收站和昆明接收站通信时的下行链路载噪比，由图4 得到卫星与北京接收站通信时下行链路的最小载噪比为11.48 dB、最大载噪比为14.67 dB。卫星与昆明接收站通信时下行链路载的最小载噪比为6.01 dB、最大载噪比为13.83 dB。卫星与北京接收站通信时的载噪比整体大于与昆明接收站的载噪比，卫星与昆明接收站的通信次数多于北京接收站。

综合覆盖时间百分比、平均通信仰角以及下行链路载噪比分析卫星对北京接收站和昆明接收站的通信质量，卫星对北京接收站的覆盖时间百分比小于卫星对昆明接收站，但是平均通信仰角高于昆明接收站，大气衰减随着通信仰角的减小而急剧增加，导致载噪比下降，同时，降雨衰减也随着通信仰角的减小而增加，所以从图4看出北京接收站的载噪比高于昆明接收站。从通信时间比较，昆明接收站的通信时间更长；从通信质量比较，北京接收站的通信效果更好。

图4 两处接收站下行链路载噪比

4 结束语

本文面向6G 的空天地一体化网络发展趋势，重点针对低轨卫星星地链路的传播特性和通信质量进行了仿真分析。基于ITU-RP 建议书，仿真对比了C、Ka 和Q/V不同频段下，大气吸收、降雨等因素对低轨卫星信号传播损耗的影响。Q/V 频段相比C 频段，降雨衰减增大超过100 dB。不同仰角时，Q/V 频段50 GHz 的总传播损耗动态变化范围超过30 dB。基于搭建的低轨卫星信道仿真平台，仿真分析了低轨卫星与北京和昆明接收站通信时的覆盖时间比及载噪比，发现北京接收站覆盖时间低于昆明接收站，但北京接收站载噪比好于昆明接收站。本文通过对低轨卫星信道的仿真分析，可为未来6G 星地融合一体化网络的频率共存和系统设计提供一定的参考。