5G 非地面網(wǎng)絡(luò)（non-terrestrial network，NTN）是地面5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)面向衛(wèi)星通信和低空通信等新應(yīng)用場景的重要技術(shù)，其標(biāo)志著5G技術(shù)應(yīng)用從地面網(wǎng)絡(luò)通信走向了空間網(wǎng)絡(luò)通信。5G NTN技術(shù)吸收了傳統(tǒng)衛(wèi)星通信和地面移動通信的雙重優(yōu)勢技術(shù)，不僅擴(kuò)大了衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)鏈，而且為下一代空、天、地一體化融合通信系統(tǒng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

5G通信追求高帶寬、高可靠低時延以及大量設(shè)備連接，同時保證端到端的服務(wù)質(zhì)量。5G NTN技術(shù)的主要目標(biāo)是借助5G系統(tǒng)的技術(shù)框架、針對衛(wèi)星通信和低空通信的特點(diǎn)而進(jìn)行的5G系統(tǒng)適應(yīng)性改造，實(shí)現(xiàn)5G通信系統(tǒng)對空、天、地、海多場景的統(tǒng)一服務(wù)。5G非地面網(wǎng)絡(luò)與地面通信的差異主要體現(xiàn)在覆蓋范圍廣、通信容量大、地形影響小、靈活性高和能適應(yīng)多種業(yè)務(wù)等優(yōu)點(diǎn)。基于NTN 的應(yīng)用場景，由于空中或太空載體的高度和移動速度，以及由此造成的高傳播時延和多普勒偏移等，將對非地面網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用帶來新的問題和挑戰(zhàn)。針對上述問題推出5G NTN測試解決方案。

在NTN的應(yīng)用場景中，星地?zé)o線信道的衰落現(xiàn)象大致可以分為兩種類型：大尺度衰落和小尺度衰落。當(dāng)移動設(shè)備順利獲得一段較長的距離時會產(chǎn)生大尺度衰落。大尺度衰落的特性由平均路徑損耗和陰影衰落來描述。小尺度衰落是指當(dāng)移動臺在較短距離內(nèi)移動時，由多條路徑的相消或相長干涉引起信號電平的快速波動。

5G NTN大尺度衰落測試

給予基于DMT(Dynamic Model Toolkit)的大尺度衰落仿真工具。DMT是三維動態(tài)信道建模軟件，順利獲得可視化界面，快速完成自組網(wǎng)多節(jié)點(diǎn)運(yùn)動、衛(wèi)星和地面站之間、衛(wèi)星和衛(wèi)星之間的大尺度信道模型建立和生成，并設(shè)定運(yùn)動軌跡和信道模型，一鍵生成和導(dǎo)入WNS02B無線信道模擬器中仿真運(yùn)行。同時具備三方軟件的模型文件轉(zhuǎn)換功能，支持將STK、WI、ODD等常見建模軟件的模型文件轉(zhuǎn)換成WNS02B支持播放的信道模型文件格式。

圖1 DMT星地信道建模軟件

用戶可以順利獲得加載衛(wèi)星軌跡，選擇對應(yīng)星地大尺度衰落模型，生成大尺度信道沖擊響應(yīng)文件，導(dǎo)入到信道仿真儀即可進(jìn)行衛(wèi)星無線信道大尺度仿真。

圖 2 DMT導(dǎo)入衛(wèi)星軌跡示意圖

5G NTN小尺度衰落測試

3GPP-TR38.811協(xié)議中給予了兩種信道模型描述方法：CDL模型和TDL模型。CDL模型參考3GPP38.901協(xié)議中的幾何隨機(jī)建模方法。

圖 3 衛(wèi)星和地面終端相對位置關(guān)系圖

如上圖所示，根據(jù)星地的實(shí)際運(yùn)行軌跡在坐標(biāo)系中建立符合實(shí)際幾何位置信息（包括衛(wèi)星位置、衛(wèi)星天線面板信息等）的星地?zé)o線通信場景，根據(jù)星地軌跡信息與配置CDL信道模型，計(jì)算衛(wèi)星與地面終端之間的角度信息（AOA\AOD\ZOA\ZOD）；根據(jù)角度信息更新衛(wèi)星和地面終端之間的相位、時延和多普勒信息并合成隨軌跡點(diǎn)變化的星地?zé)o線信道沖擊響應(yīng)。

圖4 基于幾何位置的角度參數(shù)

表1 仰角50°時NTN-CDL-A 模型

從上表可以看出，NTN的模型相對于地面網(wǎng)絡(luò)（3GPP-38901協(xié)議）中的模型簇的個數(shù)較少，這對信道建模的效率是一個利好，但是由于衛(wèi)星的運(yùn)行速度很快，為了描述波長級的信道衰落，必然會對仿真儀在數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)交換方面提出極大的挑戰(zhàn)。

相對CDL模型，TDL模型簡化了來波角度對無線信道的影響，如下圖所示，順利獲得對比表1和表2，可以看出TDL模型和CDL模型在簇的個數(shù)、時延和功率保持一致。

表2 仰角50°時NTN-CDL-A 模型

圖 5 NTN LOS場景下的多普勒功率譜示例

對于幾何隨機(jī)建模來說考慮來波角度（星地幾何位置關(guān)系）會帶來大量的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)交換難度。如上圖所示，在TDL模型中，可以把NTN的星地信道建模分為兩個部分：一部分是由于地面環(huán)境（多徑）帶來的多普勒擴(kuò)展；另一部分是由于星地的高速相對運(yùn)動帶來的大的純多普勒頻偏。

針對地面環(huán)境（多徑）帶來的多普勒擴(kuò)展，采用高斯白噪聲濾波法實(shí)現(xiàn)單徑瑞麗信道建模。該方法假設(shè)移動臺周圍的散射分量是均勻分布的，且每一個分量的功率都相等。如下圖所示，有兩個分支，一個是實(shí)部，另一個是虛部。在每個分支中，第一時間在頻域產(chǎn)生一個復(fù)高斯噪聲；然后順利獲得一個多普勒濾波器，這樣頻域分量就符合多普勒頻移，順利獲得設(shè)置不同的濾波器，可以產(chǎn)生不同功率譜的瑞麗信道模型，例如高斯、雙高斯、圓拱、鐘形、平坦和巴特沃茲等；最后將這個經(jīng)過多普勒頻移后的高斯噪聲順利獲得IFFT模塊變換為時域信號。

圖 6 FWGN信道建模原理框圖

針對星地的高速相對運(yùn)動帶來的大多普勒頻偏，采用底層FPGA直接輸出的方式，避免了采用信道建模離線生成實(shí)時加載帶來的數(shù)據(jù)存儲和交換問題。信道模擬器輸入頻率為中頻的寬帶信號，信號的處理流程如下圖：

圖 7 FWGN信道建模原理框圖

中頻信號經(jīng)下變頻至零中頻，得到I、Q復(fù)基帶數(shù)據(jù)，本地順利獲得衛(wèi)星徑向速度、載波頻率等參數(shù)，計(jì)算得到多普勒頻率，配置多普勒頻移發(fā)生器，產(chǎn)生復(fù)數(shù)頻偏信號。多普勒頻移可等效為信號在頻譜上的搬移，即復(fù)基帶信號與多普勒頻移模塊產(chǎn)生的復(fù)單音信號做復(fù)數(shù)乘法。考慮到輸入信號為寬帶信號，采樣率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出FPGA工作時鐘，需要對輸入端并行處理，同樣多普勒頻移發(fā)生器模塊也需要并行化。把基于地面環(huán)境帶來的多普勒擴(kuò)展和基于衛(wèi)星高速運(yùn)動帶來的多普勒頻偏合并后即可實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)計(jì)模型的NTN小尺度衰落信道仿真。

無線信道仿真儀基于時間同步，把大尺度衰落和小尺度衰落合并后即可實(shí)現(xiàn)NTN無線衰落信道仿真。

無線信道仿真儀對5G NTN測試的解決方案：大尺度衰落建模軟件DMT和基于3GPP38.811協(xié)議的小尺度衰落信道建模。而今，衛(wèi)星通信網(wǎng)和地面蜂窩網(wǎng)技術(shù)在各自領(lǐng)域快速開展，衛(wèi)星與地面的深度融合已成為未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開展的重要方向，NTN測試解決方案必將助力用戶快速實(shí)現(xiàn)技術(shù)驗(yàn)證與產(chǎn)品迭代。

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