蘇昭陽,劉 留,郭志斌,張嘉馳,周 濤

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

0 引言

5G商用以來,學術界與產(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,而是著力于打造空天地一體化的信息網(wǎng)絡,將通信區(qū)域從平面擴展至空間,為人們提供更廣范圍、更大容量、更加智能的異構網(wǎng)絡融合服務[1]。3GPP與ITU等國際化標準組織均已開始推動空天地一體化的標準制定,其中ITU還將其列為7大關鍵網(wǎng)絡需求之一[2]。

低軌(Low Earth Orbit,LEO)衛(wèi)星相比于中高軌衛(wèi)星,具備低成本、低時延、廣覆蓋、大容量的特點,受到了廣泛青睞,已經(jīng)被認為是6G空天地一體化網(wǎng)絡的重要組成部分[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,以實現(xiàn)全球覆蓋與戰(zhàn)略目標[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在地面蜂窩網(wǎng)絡失效的區(qū)域仍然能夠保持聯(lián)系。在國內,從2015年開始建設低軌衛(wèi)星通信項目“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”信息基礎設施之一;2021年中國衛(wèi)星網(wǎng)絡集團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時代實現(xiàn)全球網(wǎng)絡覆蓋的重要解決方案。

無線信道是無線移動通信系統(tǒng)的重要組成部分,其應用貫穿于無線通信系統(tǒng)的評估、標準化以及最終應用的各個環(huán)節(jié),對其特性進行研究是部署任何無線通信系統(tǒng)的前提與基礎。與地面移動通信系統(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,且會穿過大氣層,導致了嚴重的傳輸損耗。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為是LOS路徑,但是由于低軌衛(wèi)星的高移動性,會產(chǎn)生嚴重的多普勒頻移[10]。

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

1 標準化進展

1.1 3GPP標準

3GPP著眼于對現(xiàn)有5G網(wǎng)絡進行進一步擴展,使其能夠支持天基網(wǎng)絡,并命名為非對地網(wǎng)絡(Non-Terrestrial Network,NTN)[11]。從Rel-15開始,3GPP就對NTN開始研究,TR 38.811技術報告中定義了NTN的部署場景與一些關鍵的系統(tǒng)參數(shù)如軌道高度、載頻、信道帶寬、網(wǎng)絡架構等[12]。此外,該技術報告還對NTN信道模型進行了詳細的介紹,其中的信道模型是由3GPP在地面網(wǎng)絡中規(guī)定的模型改進而來,包含了空曠、農村、郊區(qū)、城區(qū)、密集城區(qū)5個場景,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)星的移動性,無法給出信道參數(shù)的時間相關性,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準制定后,3GPP在Rel-16階段開始研究使5G NR支持NTN的解決方案,并形成了技術報告TR 38.821[13]。在TR 38.821中,系統(tǒng)介紹了基于NTN的RAN架構、鏈路級與系統(tǒng)級仿真參數(shù)、各協(xié)議層需要做出的調整以適應NTN場景等。在該技術報告中,詳細定義了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,此外還給出了計算星地鏈路預算的方法,主要目標是計算載噪比(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,并設立了專門的工作組,重點研究衛(wèi)星的透明傳播工作模式。

1.2 ITU標準

ITU從1986年開始,在其ITU-R P系列建議書中進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算方法研究,并經(jīng)過多年研究迭代,到現(xiàn)在應用最為廣泛的為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測方法進行了規(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;沙塵暴引起的衰減等[14]。并指出,在10°以上的仰角時,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在該建議書中給出了詳細的計算方法,氣體衰減的計算方法在ITU-R P.676[15]中給出。該建議書也在3GPP TR 38.811標準中得到了應用。

ITU-R P.2108建議書給出了地物損耗的預測方法,其中地物指的不是實際的地形,而是地球表面的各種物體,如建筑物和植被等,無線接收機附近的地物會對整體傳播效果產(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行了標準化工作,表 1給出了各標準的對比。其中3GPP給出了星地信道的標準化模型,并在繼續(xù)推動著相關標準化工作,但是該模型由地面網(wǎng)絡的信道模型改進而來,且沒有考慮衛(wèi)星的移動性,還并不完善。ITU給出了星地傳播過程中損耗的預測方法,被3GPP納入標準,得到了廣泛使用。

表1 各標準組織關于低軌衛(wèi)星的標準對比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,會穿過大氣層,且終端移動速度高,這導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)將會對低軌衛(wèi)星星地信道特性進行分析。

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,其相對位置關系如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星與地面終端相對位置關系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。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。但是隨著低頻段頻率資源的日漸緊張,其工作頻段計劃從第一階段的Ku頻段向Ka以及Q/V頻段發(fā)展,頻段的變化會對自由空間損耗的影響達到90 dB。因此,在部署星地鏈路的同時,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,如仰角、頻率、壓強、溫度等,一般使用ITU-R P.676建議書中提供的方法進行計算。ITU-R P.676中提供了兩種計算大氣吸收損耗的方法;第一種方法可以精確計算1～1 000 GHz任意給定壓強、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的近似計算方法。

在3GPP TR38.811標準中,采用第二種方法進行計算,且認為10 GHz以下的大氣吸收損耗可以忽略不計,但是在10°以下的仰角范圍內,只要頻率高于1 GHz,都應考慮其大氣吸收損耗。近似計算方法如式(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、溫度和頻率有關;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),低仰角和高頻段會很大程度上增大吸收損耗,因此星地鏈路應當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行預測,3GPP TR38.811標準也采用了該方法計算,并認為在6 GHz以下時可以忽略該損耗,但是在10 GHz以上和1 GHz左右的低仰角時非常重要。

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

A0.01=γRLE,

(5)

式中:γR為降雨衰減率,單位為dB/km,由式(6)計算

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系數(shù)。LE為衛(wèi)星信號穿過降雨區(qū)的有效路徑長度,計算LE前,首先要計算水平換算系數(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需要著重考慮該損耗,對于年降雨較多的地區(qū),應當進行針對性優(yōu)化。

2.4 地物損耗

地物損耗是指當衛(wèi)星信號穿過大氣層,到達地面站附近時,可能會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)計性質的模型,具體計算方法如式(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)為逆補正態(tài)分布函數(shù);p為位置百分比。式(12)中假設在一個仿真場景中隨機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)星始終在高速運動,一般與地面站從建立連接到斷開連接僅為10 min左右,因此會產(chǎn)生嚴重的多普勒頻偏,這將會對接收端對信號的解調判決造成影響,導致誤碼率的增大,降低星地通信質量。對于靜止的地面站,只考慮衛(wèi)星運動造成的多普勒頻偏,若地面站為車輛等同樣在移動的物體,則需要同時考慮收發(fā)端運動的影響,如圖2所示。

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

當?shù)孛嬲眷o止時,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)星相對地面運動速度較快,在設定的運行時間內會發(fā)生多次與地面站的連接與斷開,表4為在8:00—16:00的仿真時間段內,衛(wèi)星與地面站的通斷情況。

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

從表中可以看出,在該時間段內共發(fā)生了5次連接,每次連接持續(xù)大約10 min,過頂時間較短,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所展示的通斷時刻僅考慮了可見性因素,即當衛(wèi)星仰角為正值時就認為連接,然而低仰角時會產(chǎn)生較大的雨衰,通信質量較差。因此若在實際部署中考慮仰角限制策略,則衛(wèi)星的每次連接時間會進一步縮短,這對衛(wèi)星部署數(shù)量的要求會進一步提高。

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,對這幾種損耗進行了仿真,并分析了其與頻率、仰角等因素的關系。

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,在高頻段范圍內增長緩慢。此外,考慮到極低仰角時通信鏈路可用性較差,本文選取了10°、30°、50°、70° 四個仰角進行仿真,結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,仰角的變化對路損影響不大,但較低的仰角會顯著影響路損。

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頻段內增長速度顯著上升,并在60 GHz左右達到一個峰值,隨后迅速下降,在W頻段內緩慢上升。此外,在K頻段內的23 GHz左右,大氣吸收損耗會達到一個小峰值。因此,在部署衛(wèi)星頻段時,低頻段可以保證較小的大氣吸收損耗,但應當避開23 GHz左右的峰值,若選擇高頻段,則應當避免在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,應對低仰角、高頻段的場景進行重點優(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的低頻段范圍內具有1 dB以下的較低損耗值,在Ku和Ka頻段內損耗值為數(shù)十dB,到Q/V及以上的頻段后將會達到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展示出來的特點是相似的。此外可以發(fā)現(xiàn),降雨量的增大也會導致云雨損耗的增大,且較大的降雨量會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量也應當成為一個值得關注的問題。

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?？梢钥吹皆谒杏绊懸蛩刂?自由空間路徑損耗始終是最嚴重的影響因素,在低頻段內尤為明顯。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、仰角以及接收機周圍環(huán)境有關。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°的仰角進行了仿真,從圖中可以看到,在頻率一定時,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,遮擋較為嚴重時,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使其增大,但是仰角造成的影響遠大于頻率,因此在地面站的部署上應當重點考慮衛(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,因此多徑效應不明顯,而衛(wèi)星的快速移動導致了嚴重的多普勒頻移,將會對信號的正確接收解調造成影響,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間的變化關系,可以看出,在同一時刻,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。隨著時間的增加,衛(wèi)星先與地面站建立連接,隨后運動至地面站頂端,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,較大時可達到1 000 kHz以上。這是因為在衛(wèi)星運動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)星運動速度在星地鏈路上的投影越來越小,導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,二者逐漸遠離,且仰角逐漸變小,使得多普勒頻偏為負值,且頻偏越來越嚴重。此外可以發(fā)現(xiàn),圖9中的多普勒頻偏在兩側變化較慢,在中間快速變化,這是由于高仰角范圍內速度投影變化較快導致的。

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

4 結論

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、低時延、低成本等特點得到越來越多的關注。本文詳細介紹了低軌衛(wèi)星系統(tǒng)中星地鏈路的傳播特性,首先回顧了低軌衛(wèi)星有關星地鏈路傳播的標準化進展;隨后對星地鏈路信道的特性進行了分析,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,并對各種損耗的計算方法進行了介紹;最后利用仿真平臺,基于Starlink衛(wèi)星數(shù)據(jù)對星地連接情況、大小尺度衰落進行了仿真,展示了星地信道的傳播特性,為星地無線通信系統(tǒng)的部署與優(yōu)化奠定了基礎。