低軌衛(wèi)星傳播特性仿真與分析*

喬艷麗，田磊，李志軍，張建華

（北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876）

0 引言

隨著5G 全面投入商用，新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（6G）的需求和關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界及工業(yè)界的研究焦點(diǎn)。為了提供相比5G 更廣的覆蓋范圍，6G 網(wǎng)絡(luò)將突破地面網(wǎng)絡(luò)限制，實(shí)現(xiàn)天基衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合[1-2]，因此空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)成為6G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的核心方向之一。目前，包括ITU、3GPP 在內(nèi)的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)專門成立工作組來推動(dòng)空天地一體化業(yè)務(wù)。低軌衛(wèi)星具有（LEO,Low Earth Orbit）傳輸時(shí)延小、制造成本低等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是6G 星地融合網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。截至目前，國內(nèi)、外多家公司包括SpaceX、One Web、“虹云”、“鴻雁”等[3-6]宣布將計(jì)劃發(fā)射數(shù)千顆中低軌衛(wèi)星，構(gòu)建天基衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

低軌衛(wèi)星信道，尤其是星地鏈路的傳播特性，是星地融合網(wǎng)絡(luò)頻率規(guī)劃、共存和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要前提。與地面移動(dòng)通信相比，低軌衛(wèi)星信道因傳輸距離長，且經(jīng)過大氣層，導(dǎo)致信號(hào)損耗嚴(yán)重，從而影響信號(hào)覆蓋質(zhì)量。同時(shí)，隨著頻譜資源越來越緊張，低軌衛(wèi)星通信頻段也在向Ka、Q/V或者更高的毫米波頻段發(fā)展[7]。隨著通信頻率的升高，低軌衛(wèi)星信道的傳播特性除了自由空間的傳播損耗之外，受大氣吸收、降雨等復(fù)雜大氣環(huán)境的影響更加顯著。因此，本文將對(duì)比高、低頻星地鏈路傳播特性的影響因素，并基于開發(fā)的星地鏈路信道仿真平臺(tái)，分析Q/V頻段低軌衛(wèi)星星地鏈路通信質(zhì)量。

1 低軌衛(wèi)星信道影響因素介紹

低軌衛(wèi)星的信道特性在一定程度上決定了通信系統(tǒng)的傳輸能力，因此在研究衛(wèi)星通信系統(tǒng)前，需對(duì)衛(wèi)星無線信道有較深的了解。與地面的無線信道不同，衛(wèi)星移動(dòng)信道具有鏈路損耗大、多普勒頻移嚴(yán)重以及通信時(shí)延大等特點(diǎn)。

1.1 低軌衛(wèi)星通信鏈路

低軌衛(wèi)星運(yùn)行高度主要集中在500～2 000 km，其不僅可以作為接入網(wǎng)與GEO 組成“主干網(wǎng)+接入網(wǎng)”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，也可以單獨(dú)運(yùn)行與地面通信。如圖1 所示，低軌衛(wèi)星通信鏈路有星間鏈路、饋電鏈路和用戶鏈路。星間鏈路是衛(wèi)星間的通信鏈路，分為軌道內(nèi)和軌道間鏈路。星間鏈路信道因在大氣層外，接近真空，可認(rèn)為是自由空間傳播。饋電鏈路是衛(wèi)星與地面站之間的鏈路，主要工作在C 和Ku 頻段。隨著低頻段逐漸飽和，目前多數(shù)低軌衛(wèi)星開始采用Ka 頻段甚至Q/V 等更高的毫米波頻段。用戶鏈路是衛(wèi)星到用戶終端之間的通信鏈路，主要使用S和L 頻段，其工作頻段也在向Ka 等更高頻段發(fā)展。無論用戶鏈路還是饋電鏈路，信號(hào)在傳播過程中同時(shí)受到復(fù)雜大氣層環(huán)境和地面多種環(huán)境的影響，而且隨著工作頻率升高，其所受到的影響將更加顯著。

圖1 低軌衛(wèi)星通信通信鏈路

1.2 低軌衛(wèi)星星地信道影響因素

一般來說，低軌衛(wèi)星星地信道特性可以分為小尺度衰落和大尺度衰落。小尺度衰落是短時(shí)間或短距離內(nèi)信號(hào)幅度相位的快速波動(dòng)，主要由地面終端附近的散射體引起的多徑效應(yīng)，以及低軌衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)引起的多普勒效應(yīng)導(dǎo)致。大尺度衰落是由信號(hào)長時(shí)間或者長距離的功率平均緩慢衰減，主要影響低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的傳輸距離和覆蓋范圍。大尺度衰落影響因素可根據(jù)信號(hào)從衛(wèi)星到地面經(jīng)過的傳播環(huán)境分為空間段和地面段。空間段傳播損耗主要包括自由空間損耗，以及大氣吸收、降雨、云霧等大氣環(huán)境引起的衰減損耗；地面段傳播的損耗主要有陰影衰落和地物損耗。

（1）自由空間損耗

星地鏈路信道通常被認(rèn)為是視距（LOS,Line of Sight）傳播，衛(wèi)星信號(hào)在大氣層和外大氣層中最基本的傳播方式是自由空間傳播，由于星地之間傳輸距離大，自由空間損耗是星地鏈路最主要的傳播損耗因素。

（2）大氣吸收衰減

大氣中的水汽分子、氧分子等分子，對(duì)特定頻率的衛(wèi)星信號(hào)會(huì)產(chǎn)生額外衰減，其與頻率、通信仰角以及壓強(qiáng)、溫度都有密切的關(guān)系。ITU-RP.676 是較為常用的大氣吸收衰減模型[8]，其主要考慮氧分子和水汽分子在350 GHz 以下的吸收影響。

（3）降雨及云霧衰減

在星地鏈路空間段，衛(wèi)星信號(hào)會(huì)受到云、雨、霧等天氣的影響而產(chǎn)生額外衰減。降雨衰減由信號(hào)在降雨層受到雨滴吸收以及散射引起，與頻率、降雨量、通信仰角等有關(guān)。ITU-RP.618 是廣泛認(rèn)可的預(yù)測(cè)降雨衰減的方法[12]，一般認(rèn)為，降雨衰減在毫米波頻段不可忽略。云霧衰減由構(gòu)成云、霧的小水滴等凝結(jié)物的吸收造成，主要與云霧中水汽濃度有關(guān)，通常在100 GHz 頻率以下，云霧衰減影響較小。

（4）陰影效應(yīng)與地物損耗

在星地鏈路地面段，信號(hào)因地形起伏、地面建筑物、樹木被遮擋，會(huì)產(chǎn)生陰影效應(yīng)和地物損耗，其衰落深度與建筑物等地面散射體的密度和高度等有關(guān)。ITU-RP.2108 定義了適用不同頻率范圍的地物損耗預(yù)測(cè)方法[14]。3GPPTR 38.811 也為5G 非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行仿真評(píng)估，提供了S和Ka 頻段城區(qū)、密集城區(qū)、農(nóng)村和郊區(qū)等場(chǎng)景下的陰影衰落和地物損耗數(shù)據(jù)[15]。

2 星地信道傳播損耗仿真分析

本節(jié)基于ITU-R P 系列建議書的衰減模型，分析低軌衛(wèi)星星地鏈路傳播中大氣吸收、降雨等在C（4—8 GHz）、Ka頻段（18—40 GHz）和Q/V頻段（40—75 GHz）的衰減變化。

2.1 大氣吸收衰減

根據(jù)ITU-RP.676 建議書，大氣吸收衰減總損耗值A(chǔ)G可表示為：

其中，γ0和γw分別表示為氧分子衰減率和水汽分子衰減率，兩者均為頻率的函數(shù)，γw還與水汽密度有關(guān)，ho和hw為氧分子和水汽分子的等效路徑垂直高度，θ為通信路徑上的仰角。

圖2給出了1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、溫度15℃、水汽密度7.5 g/m3、衛(wèi)星軌道高度為1 500 km時(shí)，大氣吸收衰減隨頻率和仰角的變化曲線。可以看出，大氣損耗整體隨頻率升高而增大，并在22 GHz和60 GHz附近出現(xiàn)極大值，分別是因水汽分子和氧氣分子的諧振，同時(shí)也可以看出大氣損耗隨著通信仰角增加而減小。大氣損耗在C頻段不同仰角下最大不超過0.5 dB，在Ka頻段不超過3 dB，對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的影響相對(duì)較小。而在Q/V頻段中55—65 GHz范圍，大氣衰減不同仰角情況下均超過10 dB。仰角從10°到90°，大氣衰減在50 GHz和70 GHz頻點(diǎn)因仰角帶來的動(dòng)態(tài)變化范圍約為8 dB，隨著頻率越接近60 GHz，動(dòng)態(tài)變化范圍增大，在60 GHz頻點(diǎn)超過756 dB。

圖2 不同仰角和頻率下的大氣吸收衰減

2.2 降雨及云霧衰減

根據(jù)ITU-RP.618，降雨衰減值A(chǔ)R可用降雨損耗率和降雨有效路徑的乘積計(jì)算，表示為：

其中，γR表示單位距離的降雨率，與平均降雨量和頻率有關(guān)，LE為有效降雨路徑長度，與星地鏈路傳播路徑上降雨區(qū)域范圍有關(guān)。

圖3給出了在1 500 km衛(wèi)星軌道高度、0.01%降雨概率、不同降雨量（小雨15 mm/h、大雨40 mm/h、暴雨80 mm/h）和不同仰角（10°、90°）情況下，降雨衰減隨頻率的變化情況。由圖3可知，降雨衰減隨著頻率升高和仰角減小而增加。在小雨、10°仰角情況下，C、Ka、Q/V頻段降雨最大衰減分別為3.52 dB、75.25 dB和139.4 dB。Q/V頻段與C頻段在暴雨和小雨情況下，最大降雨衰減的差值分別約為136 dB和280 dB，可見降雨量的大小對(duì)高頻段的降雨衰減影響極大。在頻率為60 GHz、降雨量分別為小雨、大雨、暴雨情況下，由仰角不同時(shí)引起的降雨衰減動(dòng)態(tài)變化范圍分別為71.58 dB、73.61 dB、78.31 dB，隨著降雨量的增大降雨衰減有小幅增長。

圖3 不同仰角和不同頻率下的降雨衰減（p=0.01%）

2.3 大尺度衰減總損耗

大尺度總損耗PL可表示為：

其中，PLb為自由空間傳播損耗，PLg為由大氣層造成的衰減，可表示為：

其中，AR為降雨導(dǎo)致的衰減，AC為云霧導(dǎo)致的衰減，AG為大氣吸收衰減。

本文仿真了不同云霧濃度下，云霧衰減隨頻率的變化情況，發(fā)現(xiàn)隨著頻率的增加，雨霧衰減逐漸增大，但是整體增長趨勢(shì)并不明顯，當(dāng)頻率為100 GHz時(shí)，衰減約為0.8 dB，可見對(duì)整個(gè)通信鏈路影響很小。

表1 給出了晴天、小雨、大雨和暴雨四種天氣、通信仰角10°和90°情況下、頻率選擇為Q/V 頻段的50 GHz 時(shí)，星地鏈路總傳播損耗仿真結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，隨著降雨量的增加，降雨衰減總傳播損耗的比重加劇，從小雨時(shí)為68% 到暴雨時(shí)高達(dá)84%，由于降雨導(dǎo)致空氣中的水蒸氣密度增加，云霧衰減也呈上升趨勢(shì)，在暴雨和10°仰角情況下達(dá)到19.45 dB。在晴天情況下，90°和10°仰角的總傳播損耗分別為139.82 dB 和170.70 dB，變化范圍約30.88 dB。在暴雨情況下，90°和10°仰角的總傳播損耗分別為207.31 dB 和257.83 dB，變化范圍50.52 dB，比晴天情況增大約20 dB。由此可見，Q/V 頻段星地鏈路總傳播損耗受不同天氣和仰角變化影響，動(dòng)態(tài)變化范圍極大，將嚴(yán)重影響低軌衛(wèi)星的覆蓋質(zhì)量。

表1 不同天氣和仰角情況下星地鏈路傳播損耗（軌道高度1 500 km）

3 低軌衛(wèi)星通信質(zhì)量分析

本節(jié)基于搭建的低軌衛(wèi)星信道仿真平臺(tái)，參考第2節(jié)的鏈路預(yù)算數(shù)據(jù)配置星載天線，仿真分析在Q/V頻段不同位置的星地鏈路通信質(zhì)量。

3.1 星地鏈路通信質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

覆蓋時(shí)間百分比、平均通信仰角和載噪比是低軌衛(wèi)星星地鏈路通信質(zhì)量評(píng)估的常用指標(biāo)。

（1）覆蓋時(shí)間百分比

覆蓋時(shí)間百分比Tpc是指在一段時(shí)間內(nèi)，低軌衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)可見時(shí)間與總時(shí)間的比值：

其中，（T1,T2）為仿真時(shí)間段內(nèi)，n為衛(wèi)星對(duì)地面站的可見次數(shù)，可見的時(shí)間段為（t1,t2,…,tn）。

（2）平均通信仰角

通信仰角E(t) 指的是衛(wèi)星和地面接收站的連線與地球切線所形成的夾角，平均通信仰角E可以表示為：

其中，t1和t2分別為衛(wèi)星對(duì)地面站可見時(shí)的開始時(shí)間和截止時(shí)間。

（3）鏈路載噪比

以衛(wèi)星為發(fā)射端、地面站為接收系統(tǒng)、信號(hào)的載噪比C/N為載波信號(hào)強(qiáng)度/噪聲信號(hào)強(qiáng)度，地面接收機(jī)輸入端的載噪比可表示為：

其中，EIRPT為衛(wèi)星天線有效全向輻射功率，LD為下行鏈路的傳播損耗，GRE為地面站天線的有效增益，TE為地面站接收機(jī)等效噪聲溫度，BE為接收機(jī)帶寬。

3.2 星地鏈路通信質(zhì)量仿真分析

基于開發(fā)的低軌衛(wèi)星星地鏈路信道仿真平臺(tái)，選取北京（116.388°,39.9289°）和云南昆明（102.718°,25.0389°）兩處，仿真分析星地鏈路通信質(zhì)量。詳細(xì)仿真配置如下：

衛(wèi)星軌道參數(shù)：軌道半長軸7 878.14 km，離心率為0，軌道傾角為45°，近地點(diǎn)幅角為0地，升交點(diǎn)赤經(jīng)為-50°，平近點(diǎn)角為0平。

星載天線參數(shù)：方位角都為0載，波束錐角為60°，采用ITU-R S.672定義的天線方向圖，有效全向功率設(shè)置為30 dBW，天線效率設(shè)為55%。

仿真時(shí)段：2021年8月5日，04:00:00-23:00:00。

仿真頻率：50 GHz。

表2給出仿真時(shí)間段為4:00-23:00，衛(wèi)星對(duì)北京和昆明兩處接收站的覆蓋時(shí)間段以及平均通信仰角，由表2看出衛(wèi)星對(duì)北京接收站共覆蓋5次，覆蓋持續(xù)時(shí)間隨著衛(wèi)星的移動(dòng)先增加后減少，最大持續(xù)時(shí)間為531 s，衛(wèi)星的總覆蓋時(shí)間為1 984 s，覆蓋時(shí)間百分比為2.9%。衛(wèi)星對(duì)北京接收站的平均通信仰角最小值為36.57°、最大值為57.31°；衛(wèi)星對(duì)昆明接收站共覆蓋8次，覆蓋持續(xù)時(shí)間先增加后減小，最大持續(xù)時(shí)間為1 456 s，總覆蓋時(shí)間為9 944 s，覆蓋時(shí)間百分比為14.5%。昆明接收站的平均通信仰角最小值為2.59°、最大值為23.88°，在仿真時(shí)間段，衛(wèi)星對(duì)昆明接收站的仰角存在0°的情況，此刻視為覆蓋盲區(qū)，通信效果差。

表2 接收站覆蓋時(shí)間及平均通信仰角

圖4 給出在4:00-23:00 時(shí)間段內(nèi)，衛(wèi)星與北京接收站和昆明接收站通信時(shí)的下行鏈路載噪比，由圖4 得到衛(wèi)星與北京接收站通信時(shí)下行鏈路的最小載噪比為11.48 dB、最大載噪比為14.67 dB。衛(wèi)星與昆明接收站通信時(shí)下行鏈路載的最小載噪比為6.01 dB、最大載噪比為13.83 dB。衛(wèi)星與北京接收站通信時(shí)的載噪比整體大于與昆明接收站的載噪比，衛(wèi)星與昆明接收站的通信次數(shù)多于北京接收站。

綜合覆蓋時(shí)間百分比、平均通信仰角以及下行鏈路載噪比分析衛(wèi)星對(duì)北京接收站和昆明接收站的通信質(zhì)量，衛(wèi)星對(duì)北京接收站的覆蓋時(shí)間百分比小于衛(wèi)星對(duì)昆明接收站，但是平均通信仰角高于昆明接收站，大氣衰減隨著通信仰角的減小而急劇增加，導(dǎo)致載噪比下降，同時(shí)，降雨衰減也隨著通信仰角的減小而增加，所以從圖4看出北京接收站的載噪比高于昆明接收站。從通信時(shí)間比較，昆明接收站的通信時(shí)間更長；從通信質(zhì)量比較，北京接收站的通信效果更好。

圖4 兩處接收站下行鏈路載噪比

4 結(jié)束語

本文面向6G 的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)針對(duì)低軌衛(wèi)星星地鏈路的傳播特性和通信質(zhì)量進(jìn)行了仿真分析。基于ITU-RP 建議書，仿真對(duì)比了C、Ka 和Q/V不同頻段下，大氣吸收、降雨等因素對(duì)低軌衛(wèi)星信號(hào)傳播損耗的影響。Q/V 頻段相比C 頻段，降雨衰減增大超過100 dB。不同仰角時(shí)，Q/V 頻段50 GHz 的總傳播損耗動(dòng)態(tài)變化范圍超過30 dB。基于搭建的低軌衛(wèi)星信道仿真平臺(tái)，仿真分析了低軌衛(wèi)星與北京和昆明接收站通信時(shí)的覆蓋時(shí)間比及載噪比，發(fā)現(xiàn)北京接收站覆蓋時(shí)間低于昆明接收站，但北京接收站載噪比好于昆明接收站。本文通過對(duì)低軌衛(wèi)星信道的仿真分析，可為未來6G 星地融合一體化網(wǎng)絡(luò)的頻率共存和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的參考。