LEO/5G NTN 動態鏈路驗證：克服 7.6 km/s 極速都卜勒與時變通道挑戰

 

當無線通訊產業將目光從地面轉向太空，試圖透過 非地面網路（Non-Terrestrial Networks, NTN） 實現全球無縫覆蓋時，我們遭遇了一個物理學上的巨大障礙：速度。

在傳統的 4G/5G 地面網路中基地台是靜止的，使用者的移動速度通常不超過時速 500 公里（高鐵場景），然而在 低地球軌道（LEO） 衛星通訊中，作為「太空基地台」的衛星，正以約 7.6 km/s（時速約 27,000 公里） 的驚人速度繞行地球，這種極端的相對運動，打破了地面通訊協定設計的基本假設，為實體層（PHY）與媒體存取控制層（MAC）帶來了前所未有的挑戰。

物理挑戰一：極速下的頻率扭曲——都卜勒效應（Doppler Effect）

都卜勒效應是波動的一種特性，當波源與觀察者有相對運動時，觀察者接收到的頻率會發生改變。

• 觀念解析：
  想像一輛救護車向你疾駛而來，警笛聲會變得尖銳（頻率變高）；當它離你而去，聲音會變得低沉（頻率變低）；同樣的當 LEO 衛星高速接近地面終端時，電磁波會被「壓縮」，頻率上升；遠離時則被「拉伸」，頻率下降。
• 工程災難：
  在 Ka 頻段（約 30 GHz），7.6 km/s 的速度會造成高達 數百 kHz 甚至 MHz 等級 的頻率偏移，對於採用正交頻分多工（OFDM）技術的 5G 系統而言，這是一場災難，OFDM 依賴子載波之間的精確正交性，巨大的頻偏會破壞這種正交性，導致嚴重的 載波間干擾（ICI），使解調變失敗。
• 變化率（Doppler Rate）：
  更棘手的是，都卜勒頻移不是恆定的，當衛星飛越頭頂（Overhead Pass）時，頻移會從正極大值迅速變為負極大值，這種頻率隨時間的快速變化率（Hz/s），要求接收機的頻率追蹤迴路必須具備極快的響應速度，否則將發生失鎖（Unlock）。

物理挑戰二：時變延遲與時序同步

地面網路的傳輸距離通常在幾公里內，訊號延遲可視為固定，但在 NTN 架構下，LEO 衛星的高度約在 600 至 1200 公里，且隨時在變化。

• 時變路徑：
  隨著衛星的升起與落下，通訊鏈路長度在數分鐘內會發生數千公里的變化，這意味著訊號的 往返時間（RTT） 是動態浮動的。
• HARQ 的崩潰：
  5G 協定中依賴 混合自動重傳請求（HARQ） 機制來確保資料正確，這是一種「停等」協定，發送端在送出封包後會等待接收端的確認（ACK），如果 RTT 過長且不斷變化，會導致重傳計時器逾時，或者需要巨大的緩衝區來處理飛行中（In-flight）的封包，這對通訊協定的時序參數（Timing Advance）是一大考驗。

物理挑戰三：複雜的通道衰減模型

太空並非真空無物，訊號必須穿過大氣層與電離層。

• 閃爍效應（Scintillation）：
  電離層中的電子密度不均會導致訊號的振幅與相位發生快速、隨機的波動，類似於星星的閃爍，這在赤道與極地地區尤為嚴重。
• 多路徑衰減（Multipath Fading）：
  雖然衛星通訊通常依賴視距傳輸（LOS），但在城市環境或低仰角情況下，訊號會經由地面、建築物反射，形成多條路徑到達接收機，這些路徑具有不同的延遲與強度，會造成頻率選擇性衰減。

面對 7.6 km/s 帶來的極端物理挑戰，單純依靠靜態的訊號產生器已無法驗證產品的真實效能，您需要的是能夠將「軌道力學」轉化為「射頻訊號」的 「動態通道模擬系統」，Maury Microwave (dBm) ACE9600 先進通道模擬器作為 LEO/5G NTN 開發與驗證的核心引擎，這不僅是一台儀器，更是一個能將外太空環境搬進實驗室的時光機。

ACE9600 是一款高精度衛星通訊與無線通訊通道模擬器，支援 600 MHz 瞬時頻寬、RF 鏈路模擬、多重路徑衰減與動態環境測試，適用於 LEO/MEO/GEO 衛星、UAV、車載與船舶通訊驗證，並提供遠端控制與可擴展頻率架構。

核心能力：駕馭極速的 RF 鏈路模擬

ACE9600 專為模擬高速移動載具的通訊鏈路而設計，能精確重現 LEO 衛星的動態特徵。

• 大頻寬與高動態：
  系統支援高達 600 MHz 的瞬時頻寬，足以涵蓋 5G NR 的大頻寬需求，其核心 DSP 引擎能即時計算並施加隨時間連續變化的 延遲（Delay） 與 都卜勒頻移（Doppler），確保相位連續性，真實模擬衛星飛越過程中的頻率「S 曲線」變化。
• 精確的軌道建模：
  透過整合 SATGEN 衛星軌道建模軟體，使用者無需手動計算複雜的物理參數，只需匯入衛星的 雙行軌道根數（TLE） 或自定義軌道參數，軟體即會自動產生對應的延遲、路徑損耗與都卜勒變化檔案，並載入 ACE9600 執行，這讓工程師能直接在實驗室重現 Starlink 或 OneWeb 等真實星系的通訊場景。

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。

接收機實體層 (PHY) 壓力測試

針對 5G NTN 晶片或終端設備，ACE9600 能進行極限條件下的解調能力測試。

• 抗都卜勒能力驗證：
  您可以設定超越標準的都卜勒變化率，測試接收機的頻率補償演算法極限。
• 多路徑與雜訊模擬：
  系統內建最多 12 條獨立路徑 的多路徑衰減模型（包含 Rayleigh, Rician 等分佈），並可疊加 加性高斯白雜訊（AWGN），這讓您能驗證在惡劣訊噪比（SNR）與城市峽谷效應下，設備是否仍能維持連線。

端對端 (End-to-End) 系統驗證

在系統整合階段，ACE9600 可作為連接「地面終端（UE）」與「核心網路（或模擬基地台）」之間的橋樑。

• 與 R&S 設備的完美協奏：
  我們提供的整合方案搭配 Rohde & Schwarz SMW200A 向量訊號產生器（作為訊號源）與 FSW 訊號分析儀（作為接收分析），ACE9600 介於兩者之間，對 SMW200A 產生的 5G NR 訊號施加動態的衛星通道效應，此外亦可結合 R&S CMX500 無線通訊測試儀，進行完整的協定層堆疊測試，驗證高層協定對長延遲與封包丟失的處理機制。
• 硬體迴路 (HIL) 支援：
  對於需要即時反應的導航或控制系統，ACE9600 支援低延遲的 HIL 介面，能接受外部控制器的即時指令，動態調整通道參數，實現閉環測試。

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 (Non-Terrestrial Network） 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。

→ 5G NTN Link Emulation and Hardware-in-the-Loop Test Flyer

酬載 (Payload) 與頻譜效率驗證

除了鏈路本身，衛星上的轉發器特性也會影響訊號品質。

• IMUX/OMUX 濾波器模擬：
  ACE9600 能模擬衛星輸入/輸出多工器的群延遲與振幅漣波特性，這對於評估寬頻訊號經過衛星後的失真至關重要。
• 非線性效應模擬：
  系統還能模擬衛星功率放大器（HPA）的 AM/AM 與 AM/PM 非線性失真，協助研發人員優化波形設計或預失真演算法，以最大化頻譜效率。

ACE Remote Control 介面可遠端控制 ACE9600 衛星與無線通訊通道模擬器，使用者可調整 延遲、衰減、頻率偏移、相位偏移 及 AWGN 雜訊 等通道參數，模擬真實通訊環境；右側的 動態設定 提供觸發與更新選項，確保測試靈活性與可重現性。


ACE Remote Control 的動態參數圖形 (Dynamic Parameter Graphs) 介面，用於監測 延遲、頻率偏移、衰減、雜訊功率、相位偏移 等通道參數變化。使用者可透過動態模式與內部觸發調整測試條件，支援單次或循環模式。


ACE Remote Control 的訊號擷取 (Capture) 介面，用於監測並分析 I/Q 訊號、均方根值 (RMS) 及功率頻譜 (Power Spectrum)，介面顯示通道 1 (Ch1) 在訊號劣化之後的擷取結果，並提供即時視覺化波形分析；右側面板允許使用者設定靜態模式 (Static Mode)，並存取或調用預設測試配置，確保測試環境的可重現性。


ACE Remote Control 的放大器特性測試介面，用於分析放大器的 輸出功率 和 輸出相位 相對於 輸入功率 的變化；圖表中的 藍色曲線 代表輸出功率 (dBFS) 相對於輸入功率的關係，而 紅色曲線 則顯示輸出相位 (degrees) 的變化；透過該介面，使用者可以手動選取曲線上的數據點，進行詳細分析或調整測試條件；此外，介面提供 數據匯出 功能，以利於進一步處理與記錄測試結果。

擴展性：從 L 頻段到 Ka 頻段

雖然 ACE9600 本身處理中頻或 L/S 頻段訊號，但透過搭配 Maury Microwave 的頻率轉換器（Up/Down Converters），測試頻率可輕鬆擴展至 Ku, K, Ka 甚至 Q/V 頻段，這涵蓋了目前及未來主流的衛星通訊頻譜，確保您的投資具備長期的可用性。

實際系統配置將因應您的測試應用、規範、場地限制及待測物特性而有所不同。如需深入規劃與系統或軟硬體選配搭配建議，請聯繫「奧創團隊」，我們擁有豐富的系統整合經驗，隨時準備為您提供最專業的配置建議與技術支援。

立即聯繫奧創系統，讓我們協助您在實驗室中駕馭 7.6 km/s 的極速，確保您的 5G NTN 產品在發射升空前，已做好征服星辰大海的萬全準備。