從地面到軌道：5G 衛星通訊 HIL 測試的關鍵技術解密

 

5G 非地面網路 (Non-Terrestrial Networks, NTN) 代表了無線通訊朝向基於衛星和機載的全球通訊令人興奮的演進，這項發展將分階段進行，並顯著擴展可能的 5G 使用情境，測試方法和程序需要進行調整，以確保 5G NTN 系統的性能、功能性和互通性。
 

NTN 基地台測試與測量

我們正在經歷一場典範轉移 —「基地台 (Base Station)」一詞不再真正適用於非地面網路 (NTN)，取而代之的是網路節點被整合到衛星中，並相對於地球表面移動，從長遠來看也就是對於 6G 而言多軌道網路將成為現實，在 LEO、MEO 和 GEO 所有高度上都具備三維網路節點。

目前標準化過程中有多種架構方法正在討論：

• 透明模式 (Transparent Mode)：
  最初在 Release 17 中定義，衛星將充當一種中繼器，5G NR 射頻訊號在地面節點 (gNB) 中產生和接收，地面 gNB 與衛星之間的通訊透過衛星和地面閘道之間的饋電鏈路 (feeder link) 進行，衛星與設備之間的直接連接稱為服務鏈路 (serving link)。
• 再生模式 (Regenerative Mode)：
  未來在 Release 19 中討論的工作項目，將把整個或分散的 gNB 功能整合到衛星接取節點 (Satellite Access Node, SAN) 中，目標是實現更快的排程決策以及在衛星節點中具備更多處理和運算能力，然而這也帶來了更高的複雜性。

目前有兩份文件提出了對未來 SAN 測試至關重要的標準化要求：

• TS 38.108：描述 NTN 接收器和發射器的要求。
• TS 38.181：描述實際的測試要求。
• TS 38.101-5：描述 NTN 使用者設備 (UE) 測試規範。

下圖 簡要概述了測試場景，並展示了運行在 NTN 透明酬載模式下的 SAN 的符碼化設定 (Symbolized Setup)，待測物 (DUT) 由三個功能模組組成：衛星（稱為 NTN 射頻有效負載）、閘道 (Gateway) 和非 NTN 網路功能 (gNB)。
 

此圖展示了衛星基地台 (SAN) 的功能架構，以及如何使用測試儀器進行 RF 效能評估，左側為訊號產生器（用於產生帶有 NTN 衰變的所需訊號，以及用於交互調變或阻斷測試的干擾訊號）和訊號分析儀（用於 TX 測試）；右側為待測的衛星架構，包含 NTN 酬載 RF、多波束天線、NTN 閘道和 gNB 基地台；圖中標明了靈敏度 (REFSENS) 和傳輸量 (throughput) 的測試存取點。

衛星接取節點 (SAN) 的射頻 (RF) 介面測試

射頻介面測試大致可分為：

• 發射器測試 (TX)
• 接收器靈敏度 (RX)
• 接收器性能 (RX performance)

發射器測試的方法與地面情況類似，測試指標包括：發射功率 (TX power)、調變品質 (EVM)、以及頻譜發射特性 (ACLR、雜散發射、SEM)。
 

通道模擬器在 NTN 測試中的關鍵作用

在 NTN 環境中，由於衛星的高速移動、大範圍的距離以及大氣、硬體、多徑效應等影響，測試環境遠比地面網路複雜，為了在實驗室環境中準確模擬這些嚴苛的真實條件，通道模擬器 (Channel Emulator) 成為不可或缺的工具。
 

ACE9600 衛星與無線通訊通道模擬器：

ACE9600 可用於處理來自 R&S SMW200A 向量訊號產生器的低軌道衛星 (LEO)/5G NTN 訊號，並將該訊號輸入至其中一個通道，透過 ACE Client 進階通道模擬器終端控制軟體，可加入各種鏈路與硬體損耗，模擬真實世界的運行條件，例如：大型延遲 (long delays)、高頻率變化 (high Doppler shifts)、路徑損耗 (path loss) 和 陰影效應 (shadowing) 等；經 R&S FSW 頻譜分析儀顯示 ACE9600 處理後的輸出訊號，使用者可觀察這些損耗對訊號星座圖 (Constellation) 及其它訊號特性的影響，滿足衛星通訊、NTN 設計工程師與系統整合商的測試需求。

此外，透過 DBM ACE Plugin - STK 或 SATGEN 衛星軌道模型軟體，使用者可以根據實際或規劃中的衛星軌道數據，精確計算出通道參數（如：時間延遲和多普勒頻移），並將其套用於 ACE9600 中，實現高逼真度的動態 NTN 通道模擬。
 

奧創系統 - 提供不同客製升/降頻器頻率，涵蓋: S|C|X|Ku|Ka等頻段

接收器測試有兩種不同的方法：

1. 接收器靈敏度：
   使用訊號產生器向待測設備 (DUT) 發送一個參考測試訊號，測試結果是接收器中的誤碼率 (BLER) 或資料傳輸量；由於組件的分散化，射頻訊號的注入點是在衛星輸入端，但 BLER 只能在 gNB 協定堆疊中確定。
2. 接收器性能：
   類似於靈敏度，但性能測試是透過例如對測試訊號應用衰落剖面 (fading profile) 或添加干擾訊號 (interfering signals)，來模擬接收器的壓力情況。

ACE9600 在 LEO/5G NTN 測試中的具體應用

ACE9600 通道模擬器專為模擬動態、複雜且遠距離的衛星通訊環境而設計，能夠將實驗室測試提升到接近真實世界的嚴苛條件，這對於驗證 NTN 設備的可靠性至關重要。
 

高動態參數模擬 (High Dynamics Simulation)

LEO（低軌道衛星）的運行速度極快，這導致通訊系統面臨極端挑戰，ACE9600 專注於模擬這些核心動態參數：

軌道數據驅動的逼真模擬

ACE9600 支援使用實際或規劃中的軌道數據來生成測試場景，確保測試的準確性和重現性。

• SATGEN 衛星軌道模型軟體 或 DBM ACE Plugin - STK：
  • 工程師可以輸入 衛星的 TLE (兩行軌道要素) 或其他軌道參數。
  • 這些軟體會以軌道力學，計算出衛星相對於地面 UE 或 Gateway 的即時距離、仰角 (Elevation Angle)、多普勒頻移和傳播延遲。
  • ACE9600 將這些精確的動態參數即時載入並應用於 R&S SMW200A 產生的 5G NTN 訊號上，實現閉環 (Closed-loop) 或開放環 (Open-loop) 的通道模擬。

射頻鏈路損耗與硬體組件模擬

在 LEO NTN 鏈路中，從訊號發射到接收會經過多個硬體節點，每個節點都會引入損耗、雜訊和非線性：

• ACE Client 進階通道模擬器終端控制軟體：
  • 允許使用者在通道中加入靜態或動態的路徑損耗 (Path Loss)，模擬不同軌道高度和天氣條件的影響。
  • 可以模擬 NTN 射頻酬載 (RF Payload) 或 UE 端的濾波器響應、雜訊指數 (Noise Figure) 和 功率放大器 (PA) 的非線性效應，以確定設備的交互調變失真 (IMD) 和發射頻譜特性 (ACLR, SEM)。

統級性能驗證 (System-Level Performance)

將 ACE9600 整合到完整的測試鏈路中，可用於以下關鍵測試：

ACE9600 系統提供了一個高度可控、可重現且逼真的平台，使工程師能夠在產品設計和一致性測試階段，全面評估 5G NTN 設備在 LEO 環境下的複雜性能。
 

NTN 使用者設備 (UE) 測試設備

原則上，5G 衛星通訊的終端設備與地面網路具有相同的發射器和接收器要求，然而細節決定成敗：根據 NTN UE 的能力和使用情境，將有幾種不同的測試設置和方法。

頻譜對於 NTN 至關重要，因為存在多種可能的配置：NTN 頻段可以與地面頻段重疊、相鄰或具有足夠的安全裕度，因此測試活動也應考慮某些共存情境 (coexistence scenarios)。

3GPP 正在透過 TS 38.101-5 規範擴展衛星通訊中的 UE 要求，以涵蓋相關指標：

• 發射功率
• 頻譜頻寬
• 調變品質
• 接收器靈敏度
• 頻譜發射 (SEM, ACLR, 雜散發射)

支援協定測試的系統模擬器.
 

UE 測試設置與設備

進行充分的 UE 測試需要一個系統模擬器，它能處理包含整個協定堆疊的連接，並允許進行 RF 測試和協定測試；NTN 終端的一個要求是地面位置確定，因此透過 GNSS 訊號的定位是 NTN UE 的一項強制性能力，衛星站透過系統資訊發送自身的軌道數據，並支援 UE 校正時間偏移和多普勒頻移。

在用於一致性測試的 NTN 測試系統中，訊號產生器可以模擬 GNSS 訊號以實現 UE 位置確定，此外，型式認證和法規測試需要擴展的頻譜測量，例如：雜散發射和 RX 性能測試；5G 系統模擬器可以包含額外的測試與量測儀器，例如：訊號產生器和分析儀，以支援額外的干擾情境或擴展的頻譜分析需求。

R&S®CMX500 行動通訊測試儀支援完全獨立的 LTE/FR1 和 FR2 RF 訊令與測量選配，以及所有當前和未來的 3GPP 頻段組合，IP 層資料傳輸量高達 20 Gbps，以一體化平台策略 (one-platform strategy)，提供高達 10 GHz 的總頻率頻寬，為使用者應對當前和未來的測試挑戰做好準備。

R&S®SMW200A 向量訊號產生器：

頻率範圍達 67 GHz，2 GHz 調變頻寬，可進行高複雜度的訊號生成。
 

R&S®SMBV100B 向量訊號產生器：

頻率範圍從 8 kHz 到 6 GHz，輸出功率高達 +33 dBm，1 GHz 調變頻寬。
 

R&S 與 ACE9600 的 5G NTN 測試架構整合

測試系統概覽

完整的 5G NTN 測試架構主要由三個核心部分組成：

1. 5G 網路訊令與協定堆疊：由 R&S CMX500 負責。
2. 高品質射頻 (RF) 訊號生成：由 R&S SMW200A 負責。
3. 高動態、真實通道模擬：由 ACE9600 負責。

NTN UE（使用者設備）測試架構

此架構用於驗證待測的 NTN UE 或 NTN-IoT 設備在模擬衛星環境下的功能和性能。

整合流程

1. CMX500 提供 基頻 (Baseband) 訊號給 SMW200A。
2. SMW200A 將基頻訊號上變頻 (Up-convert) 至所需的 NTN 射頻 (RF) 頻段。
3. SMW200A 的 RF 輸出 連接到 ACE9600 的 RF 輸入。
4. ACE9600 透過 ACE Client/STK Plugin 控制，動態地模擬 LEO 軌道效應。
5. ACE9600 的 RF 輸出 連接到 NTN UE（透過纜線或 OTA/暗室）。
6. UE 的回傳訊號 經由 ACE9600（模擬反向通道）傳回 CMX500 進行解調和協定處理。

透明酬載 (Transparent Payload) 測試架構

在透明模式下，衛星酬載本身充當一個中繼器 (Repeater)，測試重點是驗證酬載的射頻性能。

• R&S SMW200A 模擬地面閘道 (Gateway) 發射的訊號（饋電鏈路 Feeder Link）。
  SMW200A（訊號產生器）產生了包含 5G NR 內容的無線電訊號，頻率設定為饋電鏈路的 RF 頻段，扮演地面閘道，提供乾淨、標準的輸入訊號給衛星，這是衛星酬載開始工作所需的原始輸入。
• ACE9600 模擬饋電鏈路通道（長距離、大氣效應）。
  ACE9600（通道模擬器）在此處模擬訊號從地面閘道上傳到太空衛星時，會經過的真實通道衰落、長延遲、大氣衰減和都卜勒頻移；確保輸入到酬載 (DUT) 的訊號是真實環境下的挑戰訊號，而不是理想的實驗室訊號，以評估酬載的極限接收性能。
• NTN RF Payload (DUT) 接收訊號，並將其轉發。
  酬載接收來自 ACE9600 的訊號，對其進行必要的頻率轉換 (上變頻)、濾波和放大（高功率放大器 HPA），然後準備向下發射；這是測試的核心目的，評估酬載的接收靈敏度和轉發時的射頻品質（例如 HPA 帶來的非線性失真）。
• 另一個 ACE9600 或單純的衰減器模擬服務鏈路 (Serving Link)。
  此處模擬訊號從衛星向下傳輸到地面 UE 時所經歷的通道特性，主要是巨大的路徑損耗，如果使用 ACE9600，還可以模擬服務鏈路上的都卜勒效應；此步驟模擬訊號抵達地面使用者時的傳輸損耗，為最終的接收測量提供現實基礎。
• R&S FSW 頻譜分析儀 或 R&S CMX500 模擬 NTN UE 進行接收和測量。
  儀器接收訊號，然後進行分析和解調，扮演地面使用者的角色，對酬載的輸出訊號進行品質量化；FSW 頻譜分析儀用於量測 TX 品質（EVM、ACLR、SEM），而 CMX500 則用於執行 L1/L2 解碼，驗證通訊是否成功。

 優勢：此架構允許工程師在實驗室中對 NTN UE 施加極致的壓力測試，例如：模擬極端的多普勒頻移和傳播延遲組合，這些在實地測試中難以穩定控制和重現。

總結

• 「基地台」一詞不再適用於 NTN。
• 目前標準化過程中有兩種架構方法：透明酬載模式 (transparent payload mode) 和未來的再生酬載模式 (regenerative payload mode)。
• TS 38.108 和 TS 38.181 提出了對未來衛星接取節點測試至關重要的標準化要求。
• 頻譜至關重要，NTN 頻段可能與地面頻段重疊、相鄰或有安全裕度。
• TS 38.101-5 補充了現有的 UE 測試規範，提供了 NTN UE 的擴展規範。
• 充分的 UE 測試需要一個能處理協定測試的系統模擬器。
• NTN 終端的一項要求是基於 GNSS 訊號的定位；將訊號產生器加入測試設置可實現 UE 位置確定。
• 通道模擬器是模擬 NTN 動態和嚴苛通道條件（如高多普勒效應和大型延遲）的關鍵儀器，用於真實環境的模擬測試。

 

5G NTN 測試與測量核心

NTN 網路架構與標準化

 

NTN 終端設備 (UE) 測試要求

 

測試環境與儀器關鍵技術

資源下載

• ACE9600 產品型錄
• R&S®SMW200A 產品型錄
• R&S®FSW 產品型錄
• R&S CMW500 產品型錄
• R&S® CMX500 產品型錄
• 5G NTN 鏈路模擬與硬體迴路 (HIL) 測試解決方案