5G 非地面網路如何驅動衛星鏈路損害與硬體迴路類比？

2024 年 5G 非地面網路（NTN） 的發展與相關應用持續呈現爆炸性成長（圖 1），NTN 一詞不單指衛星通訊，更泛指任何運用多種平台部署的非地面網路，例如：高空平台系統（HAPS）、高空氣球、航空器／無人機等，如果 NTN 是採用衛星為基礎，則會涉及 低地球軌道（LEO）、中地球軌道（MEO） 和 地球同步軌道（GEO） 衛星與 5G 通訊平台 的整合。

現今，裝置通常區分為連接至 3GPP 地面網路 的設備，以及連接至衛星的設備；換句話說，使用者需要一台裝置連接地面網路，另一台裝置連接衛星（或其他非地面網路）；然而，隨著 NTN 的發展，所有行動裝置終將整合至 3GPP 生態系統，同時連接地面網路與衛星網路；隨著技術演進，衛星平台將直接託管 5G 基地台，NTN 也將為遠端站點提供 回程連線能力（高頻寬應用）。

 

圖 1：5G NTN 的架構圖

5G NTN 的子類別與應用場景

NTN 可進一步劃分為兩個子類別：NTN-IoT 和 NTN-NR，目前，NTN-IoT 大幅擴展了物聯網的應用範圍，實現了陸、海、空域的真正全球覆蓋，此技術可運作於 GEO 和 LEO 高度，但絕大多數現有服務主要運作於 GEO 軌道，此處需要大範圍覆蓋，且 延遲 並非主要考量。

NTN-NR 的重要性日益提升，它將直接連結智慧型手機和其他 5G 裝置至非地面服務，考量到 延遲 和 訊號功率位準 的主要影響，這些平台將運作於 LEO 或 HAPS 高度，提供低資料速率服務、語音和訊息傳輸，確保使用者無論身處何種地理位置或地形，皆能無縫存取網路。

5G NTN-IoT 應用案例

NTN-IoT 的應用案例可歸納如下：

• 資產追蹤：在大範圍地理區域內，對貨運集裝箱、車輛及其他高價值資產進行定位。
• 農業／耕作：執行精準農業（農機導航）與牲畜監測。
• 汽車：提供低資料速率的存取控制與監測通訊，並具備緊急呼叫功能。
• 災難應變：執行搜救、損害評估，並為基礎設施受損導致通訊受限或中斷的區域提供連線能力。
• 海事：在公海或連線能力極為受限的區域進行船舶追蹤或環境監測。
• SOS 與雙向通訊：智慧型手機、穿戴裝置和汽車可於無地面網路存取的情況下，實現 SOS 緊急呼叫與雙向通訊。

5G NTN-NR 應用案例

隨著 NTN 持續演進，NTN-NR 的重要性將顯著提升，並提供 無所不在的 5G 基本服務連續性，使用者無論身處何地或周遭地形如何，皆能無縫存取行動資料、語音通話和訊息等服務，此發展不僅惠及個人使用者，也將造福目前高度依賴不間斷連線的產業與企業，這是現有地面 LTE/5G 無法實現的。

• 5G 回程：NTN 將作為地面 5G 網路的有效回程解決方案，大幅擴展網路覆蓋範圍、提升容量，並在難以到達／偏遠環境中提供可靠的連線能力。
• 車載連線：為車隊監控、軟體更新、診斷和電話通訊提供隨時隨地的服務，並透過 LEO 平台的 低延遲 特性，支援聯網與智慧型車輛。

3GPP NTN 標準

3GPP 積極開發 NTN 標準，以實現地球表面上方的無線連線能力（圖 2，表 1），該標準涵蓋多種情境、頻段、服務和軌道；運作於 頻率範圍 1 (FR1) 的衛星網路，可透過 5G NR 標準直接為戶外手持裝置、汽車或無人機上的裝置提供連線；運作於 頻率範圍 2 (FR2) 和 頻率範圍 3 (FR3) 的衛星存取網路，則將透過安裝於屋頂的 VSATs (非常小型孔徑終端) 或火車、船舶等移動平台上的 ESIM (移動中的地球站終端)，提供寬頻連線能力。

以下是 3GPP NTN 版本的摘要：

Release-16 主要由 無線電存取網路 (RAN) 工作組進行研究，重點關注支援 LEO 和 GEO 衛星使用 5G 的非地面網路 NR 解決方案；以下前提構成了標準框架：

• 5G-NR 頻分雙工 (FDD)。
• 地球固定追蹤，假設地球固定且行動蜂巢移動。
• 使用者設備 (UE) 具備 全球導航衛星系統 (GNSS)。
• 假設為 透明酬載 (Transparent Payload)。

Release-17 實現了 5G 中的 NTN 和規範性工作，可歸納如下：

• 行動性管理 具備大覆蓋範圍和移動覆蓋。
• 衛星延遲（歸因於不同類型或軌道的高度）。
• QoS (服務品質) 具備衛星存取和衛星回程。
• RAN 行動性 和 非地球同步再生型衛星存取。
• 針對 超國家衛星地面站 的監管要求。

Release-18 則著重於 NTN-IoT 增強功能和 NTN-NR 頻率：

• 支援 FDD 頻段的半雙工操作，以節省電力並簡化裝置設計。
• 網路驗證 UE 位置，以符合法規標準。
• 量測協定 以支援更高的行動性。
• 將 射頻頻段 擴展至 10 GHz 以上，包含 Ka 頻段。

圖 2：地面網路與非地面網路之間的連線示意圖。
 

表 1：不同裝置／系統如何連接地面網路與非地面網路的分類。

月球 NTN 通訊

NTN 不僅處理地球上的非地面通訊，其中一個子項目更涵蓋了月球上的通訊，NASA 透過其 Artemis 計劃，期望在月球表面建立人類存在，並為探索和運作所有地理區域提供連線能力，包括月球兩極和月球背面，一個位於月球軌道上的衛星群將提供 定位、導航和授時 (PNT) 服務，並作為中繼衛星，實現從月球任何地方回傳地球的通訊，月球物聯網 將是由多個國際和商業實體提供的網路和服務組合，3GPP NTN 將為月球通訊和月球表面無線網路提供理想的解決方案，針對 太空合格的 3GPP 基礎設施 (gNodeB 基地台和 UE) 的開發工作已在進行中。

5G NTN 合作夥伴與寬頻／窄頻網路

許多商業參與者投入 NTN 領域。預計未來幾十年內，此市場將大幅成長，根據 Boston Consulting Group 的預測，到 2030 年，市場規模將成長至超過 400 億美元。

總結來說，我們將合作夥伴關係和網路分為三大類：

• 寬頻資料網路：這些網路需要專用終端機進行地面站連接（表 2）。
• IoT-NTN 資料網路：此類網路也涉及 5G UE 或手機的緊急（SOS）連線（表 3）。
• 新興非地面蜂巢網路：通常與商用 UE 搭配使用，其設計無需重大改動（表 4）。

 

表 2：NTN 寬頻資料網路。
 

表 3：IoT-NTN 資料網路。
 

表 4：新興非地面蜂巢網路。

通道類比器

通道類比器用於類比射頻訊號在發射器和接收器之間傳輸時，因一個或兩個天線相對移動而產生的 訊號損害。在 NTN 應用中，至少一個天線位於衛星或其他高空平台，而另一個可能作為 UE 的一部分。

針對地面網路，通常使用 多路徑衰落類比器 來類比射頻鏈路，然而，現有的地面多路徑衰落類比器不適用於在部署前測試 NTN，不同於地面基礎設施，NTN 的故障是無法承受的；維修 NTN 資產既不可能也不實際，成本高昂，因此在部署前需要進行大量的測試與建模，以識別任何潛在的故障。因此，業界正大力推動重新利用或增強現有 衛星鏈路（通道）類比器，以滿足此項新的測試要求；非地面基礎設施測試通常需要更大的 時間延遲（MEO/GEO 軌道）、都卜勒頻移（MEO/LEO 軌道速度）、大氣閃爍建模，以及在實施 多路徑建模 時需要更大的 路徑延遲；一般而言，對於與行動 UE 通訊的衛星鏈路，反射路徑數量較少（通常在 3 到 12 條之間），特別是與地面大規模 MIMO 實施相比，但單獨的 路徑延遲 和相對 都卜勒效應 可能會更高。

所需時間延遲

衛星軌道的典型往返延遲（不包含機載酬載處理延遲）如表 5 所示。

除了上述軌道外，跨月軌道 的往返時間通常為 2.4 至 2.7 秒；然而，其 頻寬 需求通常低於地球衛星軌道。

除了 GEO 以外的所有衛星軌道，衛星與地球表面某一點之間的訊號路徑時間延遲會隨時間變化，類比器必須以 相位連續 的方式，改變延遲以匹配特定的軌道。變化的時間延遲不能透過丟棄／添加訊號樣本來實現，而必須使用 重取樣技術，以確保完全相位連續的時間延遲與 頻率相關的訊號都卜勒效應（圖 3）。

圖 3：LEO（Starlink 衛星）與 UE 通訊時，延遲隨時間變化的範例。

都卜勒頻移

鑑於衛星軌道速度，特別是 LEO 軌道，接收到的訊號將產生顯著的 都卜勒頻移，由於大多數通道鏈路類比器在 基頻 或 中頻 (IF) 操作，此都卜勒效應可分解為兩個組成部分：訊號都卜勒 和 載波都卜勒；由於發射和接收天線之間的相對運動，訊號都卜勒 將與頻率相關，並導致 通帶 (Passband) 的擴展／壓縮，以及伴隨的 碼片速率變化，此現象只能透過改變延遲並對 通帶 (Passband) 訊號進行重取樣 來實現；除了訊號都卜勒之外，還必須透過移位整個訊號通帶 (Passband) ，添加一個頻率偏移來類比 載波都卜勒。此偏移量可達 數百 kHz 到 1-3 MHz 範圍，特別是當某些 NTN 在較高頻率（Ka 頻段）運作時。

訊號頻寬

雖然 3GPP 標準採用 載波聚合 來增加 NTN 鏈路的 頻寬，特別是針對回程應用，但大多數測試應用確實需要類比器能夠處理大的 連續訊號頻寬，雖然 UE 可能僅使用 5 MHz 頻寬，但回程和高容量衛星轉發器可使用 超過 500 MHz 的頻寬。

訊號路徑損耗與大氣閃爍

NTN 中衛星與接收器之間的 訊號功率損耗 可能非常高（90 至 120 dB），類比器通常僅用於增加因軌道移動而產生的 訊號路徑損耗變動，而整體訊號通常在類比器外部進行「填充」，以將訊號功率調整至接收器預期的位準；由於與衛星通訊的訊號可能在穿過大氣層時傳播相當長的距離，伴隨雨雲及其他訊號散射，因此有必要透過 大氣閃爍 進行精確建模，以模擬鏈路，並考量 相位偏移 和 訊號振幅隨時間的變化；此外，加性高斯白雜訊 (AWGN) 通常用於類比接收器熱雜訊、來自太空的背景輻射以及其他可能影響 鏈路預算 和 接收訊號誤差 的損害。

硬體迴路（HITL）損害

雖然通道（或鏈路）類比器用於類比衛星與 UE 之間鏈路的損害，但業界正朝著不僅類比鏈路，更類比通訊鏈路中硬體可能無意中對訊號造成的損害方向發展；如前所述，NTN 資產（特別是星載設備）不容許故障，因此，為了評估對 訊號資料速率／效能 的影響，需要盡可能地類比所有實際可測試的硬體劣化影響；此外，由於不同國家的監管要求，頻譜的某些部分可能受限，因此該部分的訊號頻譜可能需要「濾除」，典型的 HITL 損害包括：

• 通帶 (Passband) IMUX/OMUX 整形／斜率／陷波
• 放大器壓縮／失真 (AM/AM & AM/PM)
• 可編程本地振盪器（LO）相位雜訊 等

Maury Microwave ACE9600 先進通道類比器 (ACE)

Maury Microwave dBm 的 ACE9600 型號先進通道類比器 (ACE)（圖 4）是當今市場上最先進的通道類比器之一，該類比器對訊號類型無特定要求，簡化了測試配置，ACE9600 每個機箱最多可容納 四個獨立通道，且最多可將 四個機箱完全同步，總計可提供 十六個同步通道，ACE9600 可配置以下功能：

• 每個通道的 頻寬 可選 72、125、300 或 600 MHz（無需載波聚合）。
• 可編程延遲、衰減、相位偏移 和 訊號／載波都卜勒效應。
• 選配內部射頻轉換器。
• 選配 AWGN。
• 選配多路徑（每個通道 12 條路徑，支援 Rayleigh、Rician、CW 等）。
• 選配硬體迴路（HITL）損害，包括 IMOX/OMUX、放大器壓縮 (AM/AM & AM/PM)，以及 可編程相位雜訊。

圖 4：Maury Microwave dBm 產品線的 ACE9600 型號先進通道類比器。

圖 5 描述了 NTN 衛星鏈路中常見的損害類型，這些損害可透過 ACE9600 輕鬆實現。

此通道類比器提供一套精密的建模與控制軟體作為選配附件，運用 星曆模型 輕鬆建立實際情境，SATGEN-RTE（即時類比）軟體 允許使用者產生測試配置，其中 衛星軌道剖面、地面站位置、上行和下行頻率 以及 大氣建模／損耗 皆可由使用者輕鬆定義；該軟體將自動產生 損害參數 並上傳至類比器，以執行測試開發；除了 SATGEN-RTE 之外，此鏈路類比器產品線也支援 Ansys/Analytical Graphics 的 Satellite Tool Kit (STK©) 套件。

ACE9600 提供的圖形使用者介面，允許輕鬆指定／產生 硬體迴路（HITL）損害，圖 6 為一個範例，說明如何使用其中一個酬載套件精靈來定義通帶 (Passband) 響應中的「陷波」，產生必要的 FIR 係數，並將其上傳至 ACE9600。

此功能通常用於「濾除」通訊系統中根據國家機關監管頻譜要求可能受限的頻譜部分。

圖 6：ACE9600 圖形使用者介面在衛星酬載硬體迴路測試期間的畫面。

透過通道類比器實現 5G NTN 進步

隨著 5G NTN 持續進步、發展並擴展到新興應用，徹底的測試能確保最高的效能和符合法規要求，通道類比器如 ACE9600，透過類比鏈路和 HITL 損害，在 5G NTN 測試中扮演關鍵角色，藉由 ACE9600，5G NTN 設計者可以正確評估 電磁和環境影響 以及 硬體產生之訊號路徑損害，在部署前深入了解實際運作效能。

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• ACE9600 衛星與無線通訊通道模擬器
• ACE Client 進階通道模擬器終端控制軟體
• ACE Plugin 外掛程式
• SATGEN 衛星軌道建模軟體

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