精準驗證 5G 非地面網路
深入探討衛星通道模擬測試

5G NTN 測試的必要性與挑戰

隨著 5G 革命的推進，非地面網路 (NTN) 已成為擴大涵蓋範圍和實現全球連接性的關鍵要素，當 衛星通訊系統 與 5G 充分整合後，即使在遠離傳統地面網路涵蓋的偏遠地區，也能實現 高速、低延遲 的通訊服務。 然而衛星通訊環境的複雜性，例如由大氣層、天候（如 雨衰效應 (rain fade)）及衛星移動造成的 訊號衰減、因衛星與終端相對運動產生的 都卜勒頻移 (Doppler shift)、長距離傳輸導致的 傳播延遲、穿越電離層引發的 電離層閃爍 (ionospheric scintillation)，以及訊號反射造成的 多路徑效應等因素，都對系統的可靠性與效能構成嚴峻挑戰。 為了確保 5G NTN 系統在實際應用場景中的可靠表現，衛星通道模擬，亦稱為 鏈路模擬 (link emulation)，扮演了不可或缺的角色。 此技術在 受控實驗室環境 中模擬衛星通訊通道的各種真實物理行為特性，讓工程師無需依賴昂貴且有限的實際衛星鏈路資源，即可評估和優化衛星通訊系統。 精確模擬上述各種靜態與 動態通道效應，是驗證通訊系統效能與可靠度的基礎。

SATGEN 衛星軌道建模軟體 專為 ACE9600 先進通道模擬器 設計，內建精確軌道模擬場景引擎，可自動產生星曆數據與通訊鏈路參數，支援低軌衛星、地面載具、船舶與航空器，適用於衛星通訊、無線測試與國防應用。
 

衛星通道模擬的重要性

• 具成本效益的測試：
  相較於極其昂貴且排程困難的實際衛星測試，模擬提供了一種顯著更經濟且靈活的替代方案。
• 早期問題偵測：
  有助於在設計、開發階段，甚至衛星發射或建立實際衛星鏈路之前，及早發現系統整合、演算法或硬體設計上的問題並加以優化。
• 開發與優化：
  工程師可利用模擬技術，針對衛星通訊系統的各個環節，包括 先進天線系統、數據機演算法 和 NTN 特定通訊協定，進行深入的開發、調校與最佳化。
• 降低風險：
  透過模擬極端或罕見的通道條件，例如：強烈的大氣干擾或特定的軌道路徑，有助於強化系統設計的強韌性，提高實際運作可靠性，降低服務中斷或失效的風險。
• 效能驗證：
  確保系統在各種預期及非預期操作情境下的功能與效能表現，包括那些在現實世界中可能不常發生、但對維持 服務品質 (QoS) 與系統穩定性至關重要的關鍵場景。

本文件的目的在於介紹由 Maury Microwave (dBM) 與 Rohde & Schwarz 攜手提供的全面性解決方案，此方案專注於 5G NTN 系統 面臨的獨特測試與驗證挑戰。

圖中為 ACE9600 通道模擬器，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 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；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） 及其他訊號特性的影響，滿足衛星通訊、NTN 設計工程師與系統整合商的測試需求。
 

測試解決方案核心元件

Rohde & Schwarz SMW200A 向量訊號產生器憑藉其產生高品質、複雜射頻 (RF) 訊號的先進能力，是執行衛星通道模擬與接收機測試的理想訊號源；此機種提供極寬的頻率選配，例如從 100 kHz 最高可達 67 GHz（透過不同型號選配配置），並具備優異的訊號純度與高輸出功率能力；其內建的強大 基頻產生器（如 SMW-B13xt 選配）可產生包括 5G NR 在內的各種複雜調變訊號，並支援 多重衰落通道模擬器，能模擬標準的 萊斯 (Rice) 或 瑞利 (Rayleigh) 衰落模型，同時內建 加成性高斯白雜訊 (AWGN) 產生功能，可設定精確的 載波雜訊比 (C/N ratio)，用以在多種條件下測試衛星接收器（部分 NTN 特定功能如 SMW-K76 選配可支援 NTN NB-IoT 測試）。

然而在某些情境下無法使用訊號產生器，例如：當客戶的 待測物 (DUT)（如 NTN 數據機、地面站或衛星負載收發器）本身即為訊號來源時；此外，當需要根據特定衛星 軌道星曆資料，即時產生 動態變化 的真實通道減損（如時變延遲與都卜勒）時，則需要使用功能更全面的獨立通道模擬器。 在這些情況下，Maury Microwave (dBm) ACE 9600 進階通道模擬器 這類獨立設備，便可用於創建極其逼真的衛星通訊鏈路效應；ACE9600 的核心優勢在於其 高動態 模擬能力，能夠匯入標準星曆檔案（例如透過 Maury SatGen 軟體 或直接使用 STK Plugin 整合 Ansys STK 軌道模擬軟體），即時計算並模擬衛星移動造成的 動態延遲 與 動態都卜勒頻移；更進一步，它支援 硬體迴路 (HIL, Hardware-in-the-Loop) 模擬，可載入 S-參數檔案 模擬濾波器（如 IMUX/OMUX）的 通帶整形效應，模擬 放大器壓縮特性（AM-AM 與 AM-PM 失真），甚至注入 可編程相位雜訊，從而將真實硬體的非理想效應納入模擬迴路；此模擬器具備高達 1 GHz 的 瞬時頻寬，並透過內部 L/S 頻段 轉換器支援常見的 NTN 頻段，亦可透過外部升降頻模組（由 Maury 提供）將操作頻率擴展至 Ka、Ku、Q/V 等更高頻段；使用者可透過直觀的 ACE Client 圖形介面軟體 或標準 SCPI 指令進行遠端控制。

在多種測試配置中，Rohde & Schwarz FSW 系列訊號與頻譜分析儀可與 Maury Microwave (dBm) ACE 9600 進階通道模擬器 搭配使用，進行精密的訊號分析；FSW 提供極寬的 分析頻寬（透過 FSW-B8001 選配最高可達 8.3 GHz）與極佳的 動態範圍 及 低相位雜訊 特性，非常適合分析寬頻衛星訊號與 5G NR NTN 波形；其內建的量測應用程式可直接評估 誤差向量幅度 (EVM)、鄰近通道功率比 (ACPR)、頻譜發射遮罩 (SEM) 等關鍵指標，驗證衛星通訊的 訊號品質，量測 失真 與 干擾、頻率響應 以及 訊號強度。

最後，當需要模擬包含完整 5G NR 訊令流程 的端對端 NTN 場景時，Rohde & Schwarz CMX500 無線通訊測試儀可與 進階通道模擬器 結合使用；CMX500 作為強大的 5G NR 網路模擬器，可模擬 gNodeB（基地台）與部分 核心網路 功能，建立與 UE (待測物) 之間的訊令連結；它支援 5G NR NTN 的 透通式負載 (transparent payload) 模式，可進行 端對端數據傳輸量測試、延遲量測 與 QoS 驗證，涵蓋 FR1 與 FR2 頻段，並支援 3GPP Release 15 至 Release 18 中與 NTN 相關的功能，確保在經過模擬衛星鏈路（由 ACE9600 提供減損）後，整體通訊效能符合預期。

此篇文章將介紹由 Maury Microwave 與 Rohde & Schwarz 提供的全面解決方案，專注於 5G NTN 系統 的測試與驗證，涵蓋以下幾種關鍵測試情境：

• 情境一：實體層接收器測試
• 情境二：MIL 5G NTN 端對端測試
• 情境三：5G NTN 透通式負載測試

ACE9600 透過內部 L/S 頻段射頻轉換器，完全支援 NR-NTN 的 上行鏈路 (uplink) 和 下行鏈路 (downlink) 頻段 n254、n255 和 n256（涵蓋 1.5 GHz 至 2.5 GHz 範圍），對於 Release 18 中定義的 Ka 頻段 (FR2) 頻率，則需要搭配使用 Maury 提供的延伸範圍外部射頻轉換器作為 ACE9600 的輔助產品，以支援更高頻段的測試需求。

關鍵測試情境詳解

情境一：實體層接收器測試

實體層接收器測試對於評估 衛星通訊 (SATCOM) 系統的基礎效能至關重要，特別是評估接收器在模擬的真實通道條件下，處理傳入衛星訊號的物理層能力。 實體層測試著重於量測接收器處理 特定調變訊號、應對 干擾，以及在各種 雜訊、失真、衰落（包括 動態衰落）和 時變通道效應（如 動態都卜勒補償）下的表現。

關鍵效能指標包括：

• 訊號接收品質（如 EVM、頻率誤差）。
• 干擾處理能力（如同通道、鄰近通道干擾）。
• 錯誤效能（如 BER、BLER）。
• 雜訊抑制能力（靈敏度）。
• 都卜勒頻移前/後補償 效能驗證。
• 靈敏度 與 動態範圍。
• 頻率與時序穩定性 及 準確性。

執行與接收器測試相關的程序，需要以下設備：

• 向量訊號產生器（如 R&S SMW200A）：
  用以產生精確且可重複的 SATCOM 或 5G NTN 測試訊號。
• 通道模擬器（可為 SMW200A 內建或使用獨立的 ACE9600）：
  用以產生靜態或動態的通道減損（例如 延遲、都卜勒頻移、路徑損耗、衰落 和 雜訊）。
• 接收器 (待測物)。

在 R&S SMW200A 內建通道模擬功能（如標準衰落模型、AWGN）足以滿足初步測試需求的情況下（通常是 SATCOM 接收器功能驗證的第一階段），此 SMW200A 可同時作為訊號產生器和通道模擬器使用，如下圖所示。
 

SMW200A (訊號源) → DUT
 

當需要模擬更複雜、動態的、且根據 真實軌道星曆資料 計算的通道減損時，或為了在後續端對端測試中保持一致的減損模型時，則強烈建議在 SMW200A 和接收器之間插入一個 Maury Microwave (dBm) ACE9600，以實現高保真度的動態通道模擬，如下圖所示。
 

圖 2：SMW200A (訊號源) → ACE9600 (動態模擬) → DUT
 

在特定情況下，例如測試使用客戶特定或專有/機密波形的接收器時，在此情境中，訊號產生器可以輕易地替換為使用者提供的數據機或其他訊號源設備，搭配 ACE9600 進行通道模擬，如下圖所示。

圖 3：數據機/訊號源 → ACE9600 (動態模擬) → DUT
 

典型的待測物範例包括：

• 使用者設備 (UE) 收發器或其射頻前端模組（處於非訊令模式）。
• 閘道/中繼通訊收發器。
• 衛星負載通訊收發器（透通或再生型）。
• 軟體定義無線電 (SDR)。

情境二：MIL 5G NTN 端對端測試

MIL 5G NTN 端對端測試 涉及測試 5G NTN 設備（例如軍用或專用通訊裝置）如何透過模擬的衛星鏈路進行完整通訊，確保與 地面 和 非地面（衛星）5G 網路 的無縫整合與互操作性；此過程確保所有參與通訊的組件——包括模擬的 衛星鏈路、地面站台介面 和 終端設備——能夠協同運作，並在模擬的真實操作條件下滿足 效能、可靠性 和 互通性 標準。

關鍵效能指標包括：

• 無縫整合 與 網路間切換 (handover) 功能。
• 端對端效能驗證（如傳輸量、延遲、抖動）。
• 5G NTN 互通性（與不同廠商設備或標準的相容性）。
• 行動性支援（例如高速移動下的連接穩定性）。
• 服務品質 (QoS) 與 傳輸安全性測試。

執行此測試需要以下設備：

• 通訊設備端 (待測物)。
• 通道模擬器（ACE9600）：用以創建逼真的衛星鏈路減損，包括 動態延遲、都卜勒頻移、衰落、雜訊，以及可選配的 硬體迴路效應。
• 通訊設備另一端 (待測物)。

執行端對端 SATCOM 鏈路測試最直接的方法，是在通訊兩端（DUTs）之間插入 ACE9600 以產生高度擬真的鏈路減損，如下圖所示；此配置允許評估真實應用在模擬通道下的表現。

圖 4 示意：DUT 1 → ACE9600 (模擬鏈路) → DUT 2
 

如果在測試中識別出通訊問題或效能瓶頸，可以將其中一端（DUT）替換為 R&S FSW 訊號與頻譜分析儀，以進行深入的射頻訊號分析與故障排除，找出問題根源，如下圖所示。

圖 5：DUT 1 → ACE9600 (模擬鏈路) → FSW (分析)
 

除了產生 根據星曆資料的動態鏈路減損 之外，ACE9600 的 硬體迴路 (HIL) 功能在此情境下尤其重要，它能額外疊加模擬的負載或其他鏈路硬體效應，例如 放大器壓縮/失真、濾波器通帶整形 (IMUX/OMUX) 和 相位雜訊，用以驗證系統不僅在理想通道下，同時在考慮了 次優硬體劣化因素 的真實鏈路環境中的端對端效能。 值得注意的是，當待測物的工作頻率（例如 Ka 頻段 或更高）超出 ACE9600 的內部轉換器頻率範圍時，必須利用 Maury Microwave 提供的 外部升頻器/降頻器 搭配通道模擬器，才能將測試擴展至目標操作頻段。

典型的待測物範例包括：

• 使用者設備 (UEs)，如加固型終端或特殊用途設備。
• SATCOM 數據機/地面站 收發信機。
• UHF/VHF/L/S/C/... 頻段通訊設備、軟體定義無線電 等。
• 通訊負載 的發射與接收鏈路。
• 無人飛行載具 (UAVs) 的衛星通訊鏈路。

情境三：5G NTN 透通式負載測試

5G NTN 透通式負載測試 專注於驗證包含 衛星透通式負載 (Transparent Payload) 在內的 5G NTN 通訊鏈 的端對端效能，訊號從 使用者設備 (UE) 發出，經過 上行鏈路通道模擬，通過 待測負載 (DUT)，再經過 下行鏈路通道模擬，最終到達模擬的 地面站/核心網路。

關鍵指標包括：

• 特定於 5G NTN 的端對端傳輸量測試（考慮衛星鏈路特性）。
• 負載轉發下的訊號品質與強韌性。
• 在衛星條件下，端對端 服務品質 (QoS) 的遵循情況與保障能力。
• 端對端延遲與抖動 量測。

執行此測試需要以下設備：

• 使用者設備 (UE) 模擬器 或真實 UE：
  用以模擬或代表使用者裝置，產生並接收 5G NR 訊令與使用者數據流量（語音、視訊、資料）。
• 通道模擬器（Maury Microwave ACE9600）：
  用以模擬上行與下行鏈路的 動態通道減損（可配置為兩個獨立鏈路）。
• 透通式負載 (待測物)：
  通常是一個只進行頻率轉換與功率放大的衛星中繼器。
• 衛星網路模擬器（如 R&S CMX500）：
  用以模擬衛星網路的另一端，即 gNodeB 和 核心網路，處理 5G NR 訊令，建立並維持通訊連結，同時進行數據收發與效能量測。

UE 模擬器（例如 Viavi TM500 或 R&S CMX500 自身也可模擬 UE）可與 Maury Microwave (dBm) ACE9600通道模擬器（配置為模擬上下行鏈路）以及 R&S CMX500 無線通訊測試儀（模擬 gNB/核心網）搭配使用，共同對 待測負載 (DUT) 進行完整的端對端測試，如下圖所示；此架構可全面評估負載在真實動態通道環境下，對 5G 通訊效能的影響。
 

圖 6：UE 模擬器/CMX500 UE模式 → ACE9600 (上行模擬) → DUT (透通式負載) → ACE9600 (下行模擬) → CMX500 (gNB/核心網模式)
 

典型的待測物範例包括：

• 衛星負載中的 射頻收發器 鏈路。
• 地面或空中的 中繼器 (Repeaters) 設備。

透過精準模擬確保 5G NTN 成功部署

總而言之，隨著 5G 非地面網路 (NTN) 在全球通訊版圖中扮演日益重要的角色，對其進行全面、精確且貼近真實運作條件的測試驗證變得至關重要，衛星通道模擬 提供了一種強大、靈活且具備優異成本效益的方法，可在產品開發與部署前，深入評估系統在複雜多變、且具備 高動態特性 的衛星傳輸環境下的實際表現。

結合 Rohde & Schwarz 的高效能 向量訊號產生器 (SMW200A)、精密 訊號與頻譜分析儀 (FSW)、以及強大的 5G NR 無線通訊測試儀 (CMX500)，再搭配 Maury Microwave 的 ACE9600 進階通道模擬器——特別是其模擬 動態軌道效應（透過 SatGen/STK整合） 與 硬體迴路 (HIL) 失真的獨特能力——共同構成了一套極具彈性且功能完備的 5G NTN 測試解決方案。 此方案不僅能產生標準的通訊訊號與靜態通道減損，更能精確模擬根據 真實衛星軌道星曆資料 計算的 動態延遲與都卜勒效應，以及將 放大器非線性、濾波器響應、相位雜訊 等 真實硬體迴路 中的元件特性納入考量；從 實體層接收器 的基礎驗證、包含 動態移動 與 硬體效應 的 端對端鏈路 效能評估，到模擬完整訊令流程的 透通式負載 系統整合測試，此整合方案都能提供高度精準、可重複且貼近現實的測試環境。

透過在實驗室環境中，以前所未有的保真度重現衛星通訊的真實世界挑戰，工程師能夠在開發週期的早期階段就發現並解決潛在問題、優化系統設計與演算法、確保不同供應商設備間的互通性，並大幅降低實際部署後的風險與成本，最終確保 5G NTN 系統能夠穩定可靠地運行，成功實現其拓展全球無縫連結性的宏偉目標。