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    1. 應對近地軌道(LEO)衛星通信系統設計挑戰

      發布時間:2024-1-17 18:01    發布者:eechina
      關鍵詞: 衛星通信 , 近地軌道 , LEO
      作者:MathWorks 首席技術市場工程師 Mike McLernon

      人們對商業空間衛星系統的興趣和投資與日俱增。自 2021 年以來,私人投資者已向太空相關公司注入了逾 235 億美元的私營部門資金,SpaceX 和 Amazon(Kuiper)等科技巨頭也啟動了太空計劃以增加全球寬帶接入。長期以來,衛星通信一直用于語音通信、國防和太空探索;然而,近地軌道(LEO)衛星的推出和普及,降低了發射衛星的資金門檻,并為新的用例提供了機會。這種經濟效益歸因于兩個因素:1、衛星的大小—SpaceX 公司最新的 Starlink LEO 衛星只有餐桌那么大;2、多顆 LEO 衛星可以同時發射。雖然 LEO 使衛星通信系統在經濟上更具可行性,但它們也帶來了復雜性,即要求工程師應對更高的多普勒頻移、干擾和網絡復雜性。


      近地軌道(LEO)衛星的推出和普及,降低了發射衛星的資金門檻,并為新的用例提供了機會。

      推動衛星通信系統采用的趨勢

      泛在連接—設備幾乎可在任何位置創建、共享和處理數據的環境—是推動 LEO 采用的主要趨勢之一。盡管全球在建設地面無線通信基礎設施方面取得了重大進展,但由于成本或地理原因,仍有相當多的地區(如偏遠農村和海洋地區)仍缺乏蜂窩連接。衛星是無線行業縮小城鄉連接差距的一項關鍵賦能技術。

      LEO 不僅可以提供蜂窩連接的可及性,而且還可以提高蜂窩連接的容量。請參考以下來自 Statista 的市場數據:目前全球有 46 億智能手機用戶。據預計,到 2030 年,全球聯網設備的數量將高達 290 億以上。越來越多的人都在使用 Internet,這也增加了對全球蜂窩系統的需求。無線公司仍在投資于地面基礎設施,因為使用商業衛星并非總是經濟實用;然而,LEO 衛星的成本一直在降低,這使其成為解決日益有限的帶寬問題的可行選擇,特別是在偏遠地區更如此。

      最后,隨著極端天氣事件日益嚴峻和頻繁,災難恢復通信成為推動衛星通信應用的主要趨勢。在發生這些事件期間,蜂窩基礎設施經常遭到破壞,這促使衛星啟動以確,F場急救人員、政府官員和居民能夠廣播和接收重要的安全信息。在地面蜂窩基礎設施遭到颶風伊恩摧毀后,Starlink 定位了 120 顆衛星來覆蓋佛羅里達西南部和其他受災地區,這就是此類用例的有力證明。

      信號延遲和功率放大

      在 LEO 衛星出現之前,衛星通信系統主要使用地球靜止軌道(GEO)衛星。如果三顆 GEO 衛星在經度上適當間隔,且以地球自轉的速度旋轉,則可以提供幾乎全球范圍的覆蓋。三顆 GEO 衛星僅需幾條交叉鏈路即可覆蓋地球,但遺憾的是,其構建和發射成本遠高于 LEO 衛星。此外,GEO 衛星與地面的距離以及彼此之間的距離會導致信號延遲。雖然 GEO 衛星適用于電子郵件和其他非實時通信,但語音電話和視頻電話會出現顯著延遲,從而阻礙了自然地溝通交流。

      LEO 衛星更靠近地球表面,因此信號延遲要短得多。然而,與地面網絡相比,發射機與 LEO 衛星通信時需要更高的功率。這是因為,地面網絡信號的傳輸距離為 5—10 公里,而 LEO 信號的傳輸距離長達 2,000 公里,信號損失也更大。

      LEO 衛星體積小既是一項優勢,也是一項設計挑戰。LEO 衛星的功率放大器(PA)必須在體積小的同時,具備足夠大的功率向預定目標發射信號。在理想情況下,衛星工程師希望 PA 具有線性特征,即使在高功率輸入驅動下也是如此。然而,PA 驅動功率過大會導致信號嚴重失真,如下圖所示。發射機中的數字預失真(DPD)子系統可以抵消這些失真。

      DPD 將“逆 PA”特性應用于信號,使得 PA 的輸出信號更明顯地呈線性。DPD 工具,如 Communications Toolbox® 中的工具,越來越多地使用 AI 來改進結果。


      顯示非線性(壓縮)和記憶效應的功率放大器特性。所示的數字預失真(DPD)特性對非線性進行補償。

      射頻鏈路、光鏈路和相控陣

      將 LEO 衛星用于衛星通信系統時,干擾也帶來了一項挑戰。首要原因是,目前軌道上有近 6,000 顆 LEO 衛星。

      長久以來,傳統射頻鏈路一直用于衛星通信系統,但工程師盡可能多地選擇光鏈路。光束模式比傳統射頻鏈路窄得多,后者的寬射束可能會溢出到其他接收機中而造成干擾。由于信號傳播受限,因此,光學系統中的干擾顯著減少。

      最后,衛星工程師還可以使用相控陣,這是一組由計算機控制的天線,它們產生的射束可以通過電子方式控制指向不同方向。相控陣可以在空間上消除干擾,并將能量導向地面上的某個特定點。相控陣系統在目標信號方向上最大化射束能量,而在干擾方向上插入射束零點,從而最大化信號與干擾加噪聲比(SINR)。

      多普勒效應和頻移

      與 GEO 衛星不同,LEO 衛星圍繞地球旋轉的速度不同于地球的自轉速度。這意味著它們會不斷地靠近或遠離接收機。這種運動會產生多普勒效應,衛星工程師必須對此加以控制。

      在工程術語中,多普勒效應指由于發射機或接收機的運動而導致發射波和接收波之間出現頻率差異。多普勒效應帶來的挑戰要求衛星工程師獲取并跟蹤 LEO 衛星不斷變化的中心頻率。

      發射機和接收機的頻率和相位必須完全鎖定,才能確保波形被成功解調。然而,如果多普勒頻移較大,則會導致頻率、相位和定時不同步。因此,必須在這些接收機中實現多個閉環,才能消除多普勒效應引起的頻率偏移。同步必須在幀、符號定時、載波頻率和載波相位級別執行。

      結束語

      許多衛星工程師都使用 MATLAB™ 等產品的參考接收機設計,因此他們無需“重造輪子”。通過對參考設計進行少量自定義,衛星工程師可設計出能在充滿挑戰的射頻環境中工作的穩健接收機。

      LEO 有令人矚目的短期和長期用例,因而受到廣泛關注。Apple 等公司已在使用衛星通信網絡,而這僅僅是開始。隨著衛星通信對無線行業的不斷影響,工程師應熟悉其用途、挑戰和賦能技術。

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