LEO 大規模星系模擬：5G NTN 與 IoT 太空基站的覆蓋與干擾驗證

 

在「萬物聯網（Internet of Everything, IoE）」的願景中，地面蜂巢式網路只能覆蓋地球表面約 20% 的陸地面積，為了連接海洋中的貨輪、沙漠中的管道監測器或是高空中的無人機，我們將目光投向了太空，新一代的低地球軌道（LEO）衛星不再是孤軍奮戰的轉發器，而是組成龐大 「巨型星座（Mega-Constellations）」 的太空基地台（gNB in the Sky）；這種架構的轉變，將通訊測試的複雜度從「點對點（Point-to-Point）」提升到了「多點對多點（Mesh Network）」的維度，工程師面對的不再是單一鏈路預算，而是一個由數百甚至數千個高速移動節點組成的動態矩陣。

挑戰一：動態拓撲與「太空芭蕾」

與地面基地台固定不動不同，LEO 衛星以約 7.6 km/s 的速度繞行地球，對於地面上的一個 IoT 裝置而言，一顆衛星從地平線升起到落下，服務時間（Dwell Time）可能只有短短的 5 到 10 分鐘。

• 幾何可見性（Geometric Visibility）：
  地面終端必須隨時計算：現在頭頂上有幾顆衛星？哪一顆仰角最高？哪一顆即將被山脈遮擋？這需要即時處理大量的軌道力學運算。
• 頻繁換手（Handover Storm）：
  為了保持連線不中斷，網路必須在舊衛星訊號衰減前，將連線「交棒」給新升起的衛星，在巨型星座中，這種換手每幾分鐘就會發生一次，如果控制不當，會引發「訊令風暴」，甚至導致連線掉話（Radio Link Failure）。

挑戰二：多重覆蓋下的干擾場景

為了增加容量，現代星座通常採用多層軌道（Multi-Shell）設計，且衛星波束覆蓋範圍會重疊。

• 同頻干擾（Co-channel Interference）：
  當兩顆衛星同時照射同一區域，且使用相同頻段時，如果波束成形（Beamforming）控制不夠精確，較強的訊號會成為較弱訊號的干擾源。
• 近遠效應（Near-Far Problem）：
  距離地面終端較近的衛星（路徑損耗小）訊號可能過強，掩蓋了距離較遠但負責服務的衛星訊號，這要求終端具備極高的動態範圍與干擾消除能力。

挑戰三：物理層的極限——都卜勒與時變延遲

• 都卜勒頻移（Doppler Shift）：
  衛星的高速移動會導致載波頻率發生顯著偏移，更棘手的是，這個偏移量是隨時間快速變化的（高都卜勒變化率），對於頻寬極窄的 NB-IoT 訊號而言，數十 kHz 的頻偏足以導致解調失敗。
• 時變延遲（Dynamic Delay）：
  隨著衛星接近與遠離，訊號往返時間（RTT）在不斷變化，這會影響 5G 協定中的時序提前量（Timing Advance）與混合自動重傳請求（HARQ）視窗，必須在 MAC 層進行補償。

面對上述「數百顆衛星、高速移動、複雜干擾」的測試需求，傳統單機訊號產生器已無能為力，您需要的是一個能將 「軌道力學模型」 與 「射頻通道模擬」 完美結合的 「全星座硬體迴路（HIL）模擬系統」。

我們推薦 Rohde & Schwarz (R&S) CMX500 OBT 與 Maury Microwave (dBm) ACE9600，並搭配高階軌道模擬軟體，構建一套能「把整個星系搬進實驗室」的驗證平台。

智慧型星座模擬與資源調度

要同時模擬數百顆衛星的射頻訊號是不切實際且昂貴的，我們推薦的解決方案採用了 「全星系運算，重點模擬」 的智慧策略。

• 600 顆衛星的軌道推演：
  R&S Satellite Constellation Tool 或 SATGEN 可以匯入真實的 雙行軌道根數（TLE），在虛擬環境中同時計算多達 600 顆以上 衛星的即時位置與運動軌跡。
• 自動化「最佳 N 顆」選取：
  儘管軌道上有數百顆衛星，但對地面特定位置的終端（UE）而言，真正「可見」且「訊號最強」的通常只有少數幾顆，系統會自動根據仰角、距離與遮蔽狀況，即時挑選出 「最佳的 6 顆（或其他數量）」 衛星，並驅動射頻儀表產生這 6 路真實的 RF 訊號。
• 24/7 全天候模擬：
  隨著時間推移，舊衛星落下，新衛星升起，系統會自動切換模擬對象，確保 RF 輸出永遠對應當下最優的通訊路徑，實現長達數天甚至數週的連續動態模擬。

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。

關鍵技術：5G NTN 協定層與 RF 層的連動

針對 5G NTN 裝置，我們利用 R&S CMX500 OBT (One Box Tester) 進行全協定堆疊的驗證。

可將 UE 模擬器，例如 Viavi TM500，與 Maury Microwave (dBm) ACE9600 通道模擬器和 R&S CMX500 無線通訊測試儀搭配使用，以執行完整的酬載測試，如下圖所示。

• 自動換手 (Auto-Handover) 驗證：
  系統不僅模擬訊號強弱，還會模擬基地台的行為，當模擬軟體偵測到目前服務的衛星即將消失，它會觸發 條件式換手（Conditional Handover, 如 A4 事件），CMX500 會發送對應的 RRC 重配置指令，驗證終端是否能順利切換到下一顆模擬衛星，且資料傳輸不中斷。
• 動態都卜勒與延遲補償：
  在射頻層，系統會依據軌道計算出的實時距離與速度，對訊號施加精確的 時變延遲 與 都卜勒頻移，這讓研發人員能驗證晶片的預補償演算法（Pre-compensation）是否能跟上 7.6 km/s 的物理變化。

5G NTN 鏈路模擬與硬體迴路 (HIL) 測試解決方案提供完整的 5G NTN 測試方案，結合 R&S 儀器與 Maury Microwave 通道模擬器，精準模擬衛星鏈路衰減、都卜勒頻移等效應，執行接收器、端對端與酬載驗證。

進階應用：干擾場景與物理通道模擬

為了更深層的物理層驗證，我們推薦採用 ACE9600 通道模擬器。

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

• 多路徑與大氣效應：
  除了幾何路徑損耗，ACE9600 還能疊加 大氣氣體衰減、電離層閃爍（Scintillation） 以及低仰角時的 多路徑衰減（Multipath Fading） 模型，這對於評估 IoT 裝置在城市峽谷或惡劣天候下的連線能力至關重要。
• 星系干擾模擬：
  可以設定其中一個通道作為「干擾衛星」，模擬它與「服務衛星」使用相同頻率但不同軌道特性的情境，透過調整干擾訊號的功率與時間，驗證終端的抗干擾效能（C/I 容忍度）。

ACE 是 dBm 備受讚譽的 衛星鏈路模擬器（SLE） 產品線的進階版本，完全相容所有 SLE 產品開發的動態資料文件，提供高效且具成本效益的升級方案，以應對日益增長的頻寬需求與通訊系統的複雜性

支援多軌道與多頻段

這套系統不限於 LEO，同樣支援 MEO（中軌道） 與 GEO（靜止軌道），甚至混合軌道模擬，頻率範圍涵蓋目前主流的 L/S 頻段（針對 IoT/手機直連）以及寬頻用的 Ku/Ka 頻段（透過外接變頻器擴充）。

實際系統配置將因應您的測試應用、規範（3GPP Rel-17/18）、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指揮這場太空交響樂，確保您的裝置在萬星閃耀的物聯網時代，永遠在線，精準傳遞每一個位元。