面向低轨卫星的星地信道特性研究与仿真

苏昭阳,刘 留,郭志斌,张嘉驰,周 涛

(1.北京交通大学 电子信息工程学院,北京 100044;2.中国联合网络通信有限公司智网创新中心,北京 100048)

0 引言

5G商用以来,学术界与产业界对6G的研究也逐渐深入,6G将不再受限于地面通信网络,而是着力于打造空天地一体化的信息网络,将通信区域从平面扩展至空间,为人们提供更广范围、更大容量、更加智能的异构网络融合服务[1]。3GPP与ITU等国际化标准组织均已开始推动空天地一体化的标准制定,其中ITU还将其列为7大关键网络需求之一[2]。

低轨(Low Earth Orbit,LEO)卫星相比于中高轨卫星,具备低成本、低时延、广覆盖、大容量的特点,受到了广泛青睐,已经被认为是6G空天地一体化网络的重要组成部分[3]。美国的铱星、Globalstar、Starlink以及英国的OneWeb均已在太空部署了大量低轨卫星,以实现全球覆盖与战略目标[4-7],其中Starlink卫星在最近的俄乌冲突中让乌克兰前线部队在地面蜂窝网络失效的区域仍然能够保持联系。在国内,从2015年开始建设低轨卫星通信项目“鸿雁星座”系统和“虹云工程”[8];2020年卫星互联网被纳入“新基建”信息基础设施之一;2021年中国卫星网络集团有限公司作为新央企正式成立,卫星互联网已经成为了5G及6G时代实现全球网络覆盖的重要解决方案。

无线信道是无线移动通信系统的重要组成部分,其应用贯穿于无线通信系统的评估、标准化以及最终应用的各个环节,对其特性进行研究是部署任何无线通信系统的前提与基础。与地面移动通信系统不同,低轨卫星部署在距离地面500～2 000 km的外大气层中,因此信号传输距离长,且会穿过大气层,导致了严重的传输损耗。另一方面,由于低频段的频率资源紧张,低轨卫星通信系统逐渐向着Ka、Q/V等高频段部署,随着频率的增加,大气层中的水汽、氧气分子,以及降雨和云雾天气的水滴均会对高频信号造成不可忽视的衰减[9]。此外,虽然星地链路大多可认为是LOS路径,但是由于低轨卫星的高移动性,会产生严重的多普勒频移[10]。

综上所述,本文对低轨卫星星地链路信道特性进行了研究与分析。首先,对目前低轨卫星的标准化进展进行了介绍;其次,分析了影响低轨卫星星地信道的具体因素,对其计算方法进行了阐述;然后,基于Starlink系统利用开发的星地链路仿真平台,对信道特性进行了仿真;最后,对全文进行了总结。

1 标准化进展

1.1 3GPP标准

3GPP着眼于对现有5G网络进行进一步扩展,使其能够支持天基网络,并命名为非对地网络(Non-Terrestrial Network,NTN)[11]。从Rel-15开始,3GPP就对NTN开始研究,TR 38.811技术报告中定义了NTN的部署场景与一些关键的系统参数如轨道高度、载频、信道带宽、网络架构等[12]。此外,该技术报告还对NTN信道模型进行了详细的介绍,其中的信道模型是由3GPP在地面网络中规定的模型改进而来,包含了空旷、农村、郊区、城区、密集城区5个场景,考虑了LOS概率、路径损耗、阴影衰落、地物损耗、多普勒频偏等多个参数,并给出了S和Ka频段下的CDL与TDL模型。但是,TR 38.811中提出的信道模型没有考虑卫星的移动性,无法给出信道参数的时间相关性,这也是3GPP未来工作的方向之一。

完成Rel-15阶段对NTN的场景与信道模型标准制定后,3GPP在Rel-16阶段开始研究使5G NR支持NTN的解决方案,并形成了技术报告TR 38.821[13]。在TR 38.821中,系统介绍了基于NTN的RAN架构、链路级与系统级仿真参数、各协议层需要做出的调整以适应NTN场景等。在该技术报告中,详细定义了S与Ka频段下星地链路系统级与链路级仿真所需要考虑的参数,包括卫星高度、天线方向图、有效全向辐射功率密度、天线增益、信道模型等,此外还给出了计算星地链路预算的方法,主要目标是计算载噪比(Carrier to Noise Ratio,CNR)。基于Rel-16的工作,3GPP在Rel-17中将NTN纳入了规范,并设立了专门的工作组,重点研究卫星的透明传播工作模式。

1.2 ITU标准

ITU从1986年开始,在其ITU-R P系列建议书中进行了地对空与空对地通信系统中无线电波传输损耗的计算方法研究,并经过多年研究迭代,到现在应用最为广泛的为2017年的ITU-R P.618建议书与2021年的ITU-R P.2108建议书。

在ITU-R P.618建议书中,对星地链路信号传播过程中经历的最重要的几种损耗的预测方法进行了规定,包括大气气体引起的衰减;降雨、其他降水和云引起的衰减;闪烁效应;沙尘暴引起的衰减等[14]。并指出,在10°以上的仰角时,一般只有气体衰减、雨和云衰减以及可能存在的闪烁影响较为显著,其中降水和云引起的衰减以及闪烁效应在该建议书中给出了详细的计算方法,气体衰减的计算方法在ITU-R P.676[15]中给出。该建议书也在3GPP TR 38.811标准中得到了应用。

ITU-R P.2108建议书给出了地物损耗的预测方法,其中地物指的不是实际的地形,而是地球表面的各种物体,如建筑物和植被等,无线接收机附近的地物会对整体传播效果产生影响[16]。该建议书定义了多种模型,可以根据收发端位置与频率范围选择合适的模型,对于低轨卫星场景,定义的模型适用于城区与郊区场景,对于周围没有明显障碍物的环境,可认为地物损耗为0 dB。

综上所述,目前3GPP与ITU均对低轨卫星场景的星地链路传播过程进行了标准化工作,表 1给出了各标准的对比。其中3GPP给出了星地信道的标准化模型,并在继续推动着相关标准化工作,但是该模型由地面网络的信道模型改进而来,且没有考虑卫星的移动性,还并不完善。ITU给出了星地传播过程中损耗的预测方法,被3GPP纳入标准,得到了广泛使用。

表1 各标准组织关于低轨卫星的标准对比Tab.1 Comparison of LEO standards by standard organizations

2 星地信道特性分析

星地链路传播距离长,会穿过大气层,且终端移动速度高,这导致了星地链路信道与地面蜂窝系统信道的很大不同,具体体现在严重的自由空间损耗,大气吸收损耗、降雨和云雾损耗、地物损耗以及较高的多普勒频偏等方面,本节将会对低轨卫星星地信道特性进行分析。

2.1 自由空间损耗

低轨卫星的卫星信号在星地链路中的传播方式可以认为是自由空间传播,且一般为视距路径。由于传播距离长,自由空间损耗是星地链路路径损耗中最重要的一种损耗,其计算公式如式(1)所示:

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

(1)

式中:FSL为自由空间损耗,单位为dB;d为传播距离,单位为km;f为载频,单位为MHz。对于特定的轨道高度与卫星仰角,传播距离d可由式(2)计算[12]:

(2)

式中:RE表示地球半径,α为卫星仰角,h0为轨道高度,其相对位置关系如图1所示。

图1 卫星与地面终端相对位置关系Fig.1 Relative position relationship between satellite and terrestrial terminal

可见,自由空间损耗与星地距离和卫星的工作频段直接相关。以Starlink为例,目前其第一阶段的卫星轨道高度在550 km左右,第二以及第三阶段计划部署的轨道高度300～600 km不等,其对自由空间损耗的影响在50 dB之内。但是随着低频段频率资源的日渐紧张,其工作频段计划从第一阶段的Ku频段向Ka以及Q/V频段发展,频段的变化会对自由空间损耗的影响达到90 dB。因此,在部署星地链路的同时,需要更加注重对高频段链路的优化,以降低传输损耗。

2.2 大气吸收损耗

卫星信号在穿过大气层的过程中,会受到大气中氧气、水汽分子的吸收作用,从而产生额外的衰减。大气吸收衰减与多种因素相关,如仰角、频率、压强、温度等,一般使用ITU-R P.676建议书中提供的方法进行计算。ITU-R P.676中提供了两种计算大气吸收损耗的方法;第一种方法可以精确计算1～1 000 GHz任意给定压强、温度和水蒸气高度下的损耗;第二种方法提供了一种1～350 GHz的近似计算方法。

在3GPP TR38.811标准中,采用第二种方法进行计算,且认为10 GHz以下的大气吸收损耗可以忽略不计,但是在10°以下的仰角范围内,只要频率高于1 GHz,都应考虑其大气吸收损耗。近似计算方法如式(3)所示:

(3)

式中:PLA为总的大气吸收损耗,θ为卫星仰角,PLzenith为氧气分子与水汽分子在垂直路径上引起的总衰减,可由式(4)表示:

PLzenith=γoho+γwhw,

(4)

式中:γo与γw分别为氧气分子与水汽分子的损耗率,单位为dB/km,均与压强、温度和频率有关;ho与hw分别为氧气和水汽分子的倾斜路径在垂直方向上的投影路径。

可以看到,大气吸收损耗为频率与仰角的函数,低仰角和高频段会很大程度上增大吸收损耗,因此星地链路应当考虑低仰角和高频段的优化,如通过仰角限制策略来保障传输信号质量。

2.3 降雨和云雾损耗

降雨和云雾损耗也是卫星信号在穿过大气层过程中所经历的一种重要损耗,主要是由降水和云中的水滴与冰滴引起的吸收和散射导致的。目前对于该损耗,广泛使用ITU-R P.618建议书中给出的方法进行预测,3GPP TR38.811标准也采用了该方法计算,并认为在6 GHz以下时可以忽略该损耗,但是在10 GHz以上和1 GHz左右的低仰角时非常重要。

ITU-R P.618建议书给出了从某一地点年平均降雨量预测长期雨衰的方法,并默认使用0.01%概率的年平均单点降雨量R0.01,单位为mm/h。R0.01的含义是该地一年中有0.01%的时间降雨量超过R0.01,即该年99.99%的时间雨衰均低于R0.01产生的雨衰,该衰减值由式(5)计算:

A0.01=γRLE,

(5)

式中:γR为降雨衰减率,单位为dB/km,由式(6)计算

γR=k(R0.01)α,

(6)

式中:k与α为ITU-R P.838建议书给出的频率相关系数。LE为卫星信号穿过降雨区的有效路径长度,计算LE前,首先要计算水平换算系数r0.01和垂直换算系数v0.01,如式(7)和式(8)所示

(7)

(8)

式中:f为载频,θ为仰角,LR与χ由式(9)和式(10)计算

(9)

(10)

式中:LG为星地链路倾斜路径的水平投影,hR为雨量,可由ITU-R P.839建议书得到,hS为地面站在平均海平面以上的高度,φ为地面站的纬度。因此,LE可由式(11)计算得到:

LE=LRv0.01。

(11)

由此可见,降雨及云雾损耗与地面站位置、仰角、载频、年均降雨量均有关系,且在高频段下,该损耗在总路径损耗中占比仅次于自由空间路径损耗,因此在部署星地链路时需要着重考虑该损耗,对于年降雨较多的地区,应当进行针对性优化。

2.4 地物损耗

地物损耗是指当卫星信号穿过大气层,到达地面站附近时,可能会受到的地面站周围建筑物以及自然环境遮挡物的影响而产生的损耗,是星地链路大尺度损耗的重要组成部分。地物损耗的典型计算方法在ITU-R P.2108建议书中给出,其适用频率范围为10～100 GHz,适用场景为城市和郊区场景,采用蒙特卡洛法给出了一种统计性质的模型,具体计算方法如式(12)所示:

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

(12)

式中:CL为得到的地物损耗,单位为dB;f为载波频率,单位为GHz;θ为地面站观测卫星的仰角,单位为度;Q-1(p/100)为逆补正态分布函数;p为位置百分比。式(12)中假设在一个仿真场景中随机分布着足够多的地面站,且这些地面站观测卫星的仰角均为θ,那么有p%的地面站的地物损耗小于CL。在3GPP TR 38.811协议中,也给出了S以及Ka频段下,城区和郊区场景的地物损耗参考值,如表2所示。

表2 S和Ka频段下城区与郊区地物损耗参考值Tab.2 Reference values of clutter loss in urban and suburban scenario for S and Ka bands

2.5 多普勒频偏

低轨卫星始终在高速运动,一般与地面站从建立连接到断开连接仅为10 min左右,因此会产生严重的多普勒频偏,这将会对接收端对信号的解调判决造成影响,导致误码率的增大,降低星地通信质量。对于静止的地面站,只考虑卫星运动造成的多普勒频偏,若地面站为车辆等同样在移动的物体,则需要同时考虑收发端运动的影响,如图2所示。

图2 移动卫星相对地面终端位置关系Fig.2 Position relationship between mobile satellites and terrestrial terminal

当地面站静止时,多普勒频偏可由式(13)表示[17]:

(13)

3 基于Starlink的星地信道仿真分析

本节将基于SapceX的Starlink星座系统,对低轨卫星星地链路传播特性进行仿真,包括星地连接情况、自由空间路径损耗、大气吸收损耗、降雨和云雾损耗以及多普勒频偏。仿真所用的低轨卫星轨道参数依据公开的Starlink卫星数据设定,仿真参数如表3所示。

表3 仿真参数Tab.3 Simulation parameters

3.1 星地连接情况仿真

不同于地球静止轨道卫星,低轨卫星相对地面运动速度较快,在设定的运行时间内会发生多次与地面站的连接与断开,表4为在8:00—16:00的仿真时间段内,卫星与地面站的通断情况。

表4 星地通断时刻表Tab.4 Time table for satellite-ground connection

从表中可以看出,在该时间段内共发生了5次连接,每次连接持续大约10 min,过顶时间较短,且从一次连接断开到下一次连接成功间隔大约90 min。因此若想使地面站在任意时刻都有卫星连接,就需要部署大量卫星。值得注意的是,表 3所展示的通断时刻仅考虑了可见性因素,即当卫星仰角为正值时就认为连接,然而低仰角时会产生较大的雨衰,通信质量较差。因此若在实际部署中考虑仰角限制策略,则卫星的每次连接时间会进一步缩短,这对卫星部署数量的要求会进一步提高。

3.2 大尺度衰落仿真

低轨卫星星地链路可分为空间段与地面段[18],信号在空间段传播经过大气层,主要包括自由空间路径损耗、大气吸收损耗、降雨和云雾损耗;对于地面段,卫星信号会受到周围建筑物或自然地形的影响,主要为地物损耗,对这几种损耗进行了仿真,并分析了其与频率、仰角等因素的关系。

3.2.1 空间段仿真

图3为自由空间路径损耗随频率和仰角的变化情况,可以看到,随着频率的增加,自由空间路径损耗也随之增加,且在0～10 GHz迅速增加,在高频段范围内增长缓慢。此外,考虑到极低仰角时通信链路可用性较差,本文选取了10°、30°、50°、70° 四个仰角进行仿真,结果表明低仰角的路径损耗高于高仰角的路径损耗,且在固定仰角增量的情况下,仰角越大路径损耗减小越缓慢,这表明在高仰角区内,仰角的变化对路损影响不大,但较低的仰角会显著影响路损。

图4为卫星信号在穿过大气层的过程中,经历的大气吸收损耗与频率和仰角的变化情况,图中的垂直线为从L到W频段各个频率范围的分界线。从图中可以看到,大气吸收损耗首先随着频率的增大而增大,在Q/V频段内增长速度显著上升,并在60 GHz左右达到一个峰值,随后迅速下降,在W频段内缓慢上升。此外,在K频段内的23 GHz左右,大气吸收损耗会达到一个小峰值。因此,在部署卫星频段时,低频段可以保证较小的大气吸收损耗,但应当避开23 GHz左右的峰值,若选择高频段,则应当避免在60 GHz左右部署。

图4 大气吸收损耗与频率和仰角的关系Fig.4 Relationship between atmospheric absorption attenuation,frequency and elevation

随着仰角的增大,大气吸收损耗逐渐减小,且仰角越高,减小越慢。在仰角为10°、高频段的情况下,大气吸收损耗最高可达到近1 000 dB,这对通信系统而言是无法接受的,因此,在部署卫星通信系统时,应对低仰角、高频段的场景进行重点优化。

图5为降雨、云雾损耗随频率和仰角的变化情况。随着频率的增加,云雨损耗呈现先快后慢的增长趋势,在0～8 GHz的低频段范围内具有1 dB以下的较低损耗值,在Ku和Ka频段内损耗值为数十dB,到Q/V及以上的频段后将会达到100 dB以上,可见频率对云雨损耗有着不可忽视的影响。

图5 降雨、云雾损耗与频率和仰角的关系Fig.5 Relationship between rain and cloud attenuation, frequency and elevation

图6仿真了Ku、Ka、Q/V频段下,降雨量为小雨、中雨、大雨情况下的云雨损耗随仰角的变化情况。可以看到,随着仰角的增加,损耗值逐渐减小,且下降逐渐缓慢,这与图3和图4展示出来的特点是相似的。此外可以发现,降雨量的增大也会导致云雨损耗的增大,且较大的降雨量会使得低频段的损耗超过高频段,如图 6中Ka频段的中雨损耗超过了比其更高频段的Q/V频段小雨损耗,因此如何保证恶劣降雨天气下的通信质量也应当成为一个值得关注的问题。

图6 不同雨量的损耗变化Fig.6 Changes of losses due to rainfall levels

图7选择了中等仰角情况下,空间段各大尺度损耗影响因素的整体变化情况。可以看到在所有影响因素中,自由空间路径损耗始终是最严重的影响因素,在低频段内尤为明显。随着频率的增加,云雨损耗在总大尺度损耗中的占比逐渐增大,在高频段时接近自由空间损耗,成为仅次于自由空间损耗的影响因素,而大气吸收损耗除了在Q/V频段内的峰值外,基本保持较小的占比。综上所述,在组成星地链路大尺度损耗的因素中,自由空间与云雨损耗是影响较大的两个因素,大气吸收损耗影响较小,但要注意避免部署在Q/V频段内大气吸收损耗的峰值附近。

图7 空间段各大尺度损耗与频率的关系Fig.7 Relationship between large-scale losses and frequency in spatial segment

3.2.2 地面段仿真

对于星地链路的地面段,影响大尺度衰落的因素主要为地物损耗,其与频率、仰角以及接收机周围环境有关。图8为基于ITU-R P.2108建议书中方法仿真的城区场景地物损耗累积分布曲线,仿真频率为20 GHz。图8(a)对10°～90° 每隔10°的仰角进行了仿真,从图中可以看到,在频率一定时,随着仰角减小,地物损耗呈现增大趋势,且仰角越低地物损耗增大越迅速,遮挡较为严重时,低仰角场景的地物损耗将超过70 dB。图8(b)仿真了10°、20°、30°三种仰角下,Ku、Ka和Q/V三种频段的地物损耗累积分布曲线,可以看到随着频率的增大,地物损耗也随之增大,但是相比于仰角变化造成的影响,频率增加造成的地物损耗增大较少。

(a) 地物损耗CDF随仰角的变化关系

综上所述,对于地面段的地物损耗,频率的增大与仰角的降低均会使其增大,但是仰角造成的影响远大于频率,因此在地面站的部署上应当重点考虑卫星仰角,尽可能部署在以高仰角接收到卫星信号的位置。

3.3 小尺度衰落仿真

由于星地链路LOS概率较高,因此多径效应不明显,而卫星的快速移动导致了严重的多普勒频移,将会对信号的正确接收解调造成影响,是星地链路中不可忽视的因素。

图9展示了多普勒频偏随频率和时间的变化关系,可以看出,在同一时刻,由于仰角不变,由式(12)可得,多普勒频偏随频率的增加而增加。随着时间的增加,卫星先与地面站建立连接,随后运动至地面站顶端,之后仰角逐渐变小直至与地面站断开连接,卫星多普勒频偏整体呈现“之”字形变化,较大时可达到1 000 kHz以上。这是因为在卫星运动至地面站顶端的过程中,卫星逐渐接近地面站,因此多普勒频偏为正值,然而随着仰角的增大,卫星运动速度在星地链路上的投影越来越小,导致多普勒频偏逐渐减小至0。在卫星经过地面站顶端后,二者逐渐远离,且仰角逐渐变小,使得多普勒频偏为负值,且频偏越来越严重。此外可以发现,图9中的多普勒频偏在两侧变化较慢,在中间快速变化,这是由于高仰角范围内速度投影变化较快导致的。

图9 多普勒频偏与频率和仰角的关系Fig.9 Relationship between Doppler frequency shift,frequency and elevation

4 结论

随着5G的商业化与6G研究的深入,低轨卫星以其大容量、广覆盖、低时延、低成本等特点得到越来越多的关注。本文详细介绍了低轨卫星系统中星地链路的传播特性,首先回顾了低轨卫星有关星地链路传播的标准化进展;随后对星地链路信道的特性进行了分析,包括自由空间路径损耗、大气吸收损耗、降雨和云雾损耗、地物损耗、多普勒频偏,并对各种损耗的计算方法进行了介绍;最后利用仿真平台,基于Starlink卫星数据对星地连接情况、大小尺度衰落进行了仿真,展示了星地信道的传播特性,为星地无线通信系统的部署与优化奠定了基础。