應對近地軌道(LEO)衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計挑戰(zhàn)

人們對商業(yè)空間衛(wèi)星系統(tǒng)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(wèi)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(wèi)星的推出和普及，降低了發(fā)射衛(wèi)星的資金門檻，并為新的用例提供了機會。這種經(jīng)濟效益歸因于兩個因素：1、衛(wèi)星的大小—SpaceX 公司最新的 Starlink LEO 衛(wèi)星只有餐桌那么大；2、多顆 LEO 衛(wèi)星可以同時發(fā)射。雖然 LEO 使衛(wèi)星通信系統(tǒng)在經(jīng)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(wǎng)絡復雜性。

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

推動衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用的趨勢

泛在連接—設備幾乎可在任何位置創(chuàng)建、共享和處理數(shù)據(jù)的環(huán)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(qū)（如偏遠農(nóng)村和海洋地區(qū)）仍缺乏蜂窩連接。衛(wèi)星是無線行業(yè)縮小城鄉(xiāng)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(shù)據(jù)：目前全球有 46 億智能手機用戶。據(jù)預計，到 2030 年，全球聯(lián)網(wǎng)設備的數(shù)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(tǒng)的需求。無線公司仍在投資于地面基礎設施，因為使用商業(yè)衛(wèi)星并非總是經(jīng)濟實用；然而，LEO 衛(wèi)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(qū)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(wèi)星通信應用的主要趨勢。在發(fā)生這些事件期間，蜂窩基礎設施經(jīng)常遭到破壞，這促使衛(wèi)星啟動以確?，F(xiàn)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(wèi)星來覆蓋佛羅里達西南部和其他受災地區(qū)，這就是此類用例的有力證明。

信號延遲和功率放大

在 LEO 衛(wèi)星出現(xiàn)之前，衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要使用地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星。如果三顆 GEO 衛(wèi)星在經(jīng)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(wèi)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(fā)射成本遠高于 LEO 衛(wèi)星。此外，GEO 衛(wèi)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(wèi)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(xiàn)顯著延遲，從而阻礙了自然地溝通交流。

LEO 衛(wèi)星更靠近地球表面，因此信號延遲要短得多。然而，與地面網(wǎng)絡相比，發(fā)射機與 LEO 衛(wèi)星通信時需要更高的功率。這是因為，地面網(wǎng)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(wèi)星體積小既是一項優(yōu)勢，也是一項設計挑戰(zhàn)。LEO 衛(wèi)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(fā)射信號。在理想情況下，衛(wèi)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(fā)射機中的數(shù)字預失真（DPD）子系統(tǒng)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(shù)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(wèi)星用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)時，干擾也帶來了一項挑戰(zhàn)。首要原因是，目前軌道上有近 6,000 顆 LEO 衛(wèi)星。

長久以來，傳統(tǒng)射頻鏈路一直用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，但工程師盡可能多地選擇光鏈路。光束模式比傳統(tǒng)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(tǒng)中的干擾顯著減少。

最后，衛(wèi)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(chǎn)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(tǒng)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(wèi)星不同，LEO 衛(wèi)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(chǎn)生多普勒效應，衛(wèi)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(fā)射機或接收機的運動而導致發(fā)射波和接收波之間出現(xiàn)頻率差異。多普勒效應帶來的挑戰(zhàn)要求衛(wèi)星工程師獲取并跟蹤 LEO 衛(wèi)星不斷變化的中心頻率。

發(fā)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(xiàn)多個閉環(huán)，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(zhí)行。

結束語

許多衛(wèi)星工程師都使用 MATLAB? 等產(chǎn)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(wèi)星工程師可設計出能在充滿挑戰(zhàn)的射頻環(huán)境中工作的穩(wěn)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(wèi)星通信網(wǎng)絡，而這僅僅是開始。隨著衛(wèi)星通信對無線行業(yè)的不斷影響，工程師應熟悉其用途、挑戰(zhàn)和賦能技術。