背景
5G 非地面网络（non-terrestrial network，NTN）是地面5G蜂窝网络通信系统面向卫星通信和低空通信等新应用场景的重要技术，其标志着5G技术应用从地面网络通信走向了空间网络通信。5G NTN技术吸收了传统卫星通信和地面移动通信的双重优势技术，不仅扩大了卫星通信产业链，而且为下一代空、天、地一体化融合通信系统奠定了技术基础。
解决方案
5G通信追求高带宽、高可靠低时延以及大量设备连接，同时保证端到端的服务质量。5G NTN技术的主要目标是借助5G系统的技术框架、针对卫星通信和低空通信的特点而进行的5G系统适应性改造，实现5G通信系统对空、天、地、海多场景的统一服务。5G非地面网络与地面通信的差异主要体现在覆盖范围广、通信容量大、地形影响小、灵活性高和能适应多种业务等优点。基于NTN 的应用场景，由于空中或太空载体的高度和移动速度，以及由此造成的高传播时延和多普勒偏移等，将对非地面网络的设计和应用带来新的问题和挑战。针对上述问题，坤恒顺维推出5G NTN测试解决方案。
在NTN的应用场景中，星地无线信道的衰落现象大致可以分为两种类型：大尺度衰落和小尺度衰落。当移动设备通过一段较长的距离时会产生大尺度衰落。大尺度衰落的特性由平均路径损耗和阴影衰落来描述。小尺度衰落是指当移动台在较短距离内移动时，由多条路径的相消或相长干涉引起信号电平的快速波动。
5G NTN大尺度衰落测试
坤恒顺维提供基于DMT(Dynamic Model Toolkit)的大尺度衰落仿真工具。DMT是坤恒顺维自主研发的三维动态信道建模软件，通过可视化界面，快速完成自组网多节点运动、卫星和地面站之间、卫星和卫星之间的大尺度信道模型建立和生成，并设定运动轨迹和信道模型，一键生成和导入WNS02B无线信道仿真仪中仿真运行。同时具备三方软件的模型文件转换功能，支持将STK、WI、ODD等常见建模软件的模型文件转换成WNS02B支持播放的信道模型文件格式。
图1 DMT星地信道建模软件
用户可以通过加载卫星轨迹，选择对应星地大尺度衰落模型，生成大尺度信道冲击响应文件，导入到信道仿真仪即可进行卫星无线信道大尺度仿真。
图2 DMT导入卫星轨迹示意图
5G NTN小尺度衰落测试
3GPP-TR38.811协议中提供了两种信道模型描述方法：CDL模型和TDL模型。CDL模型参考3GPP38.901协议中的几何随机建模方法。
图3 卫星和地面终端相对位置关系图
如上图所示，根据星地的实际运行轨迹在坐标系中建立符合实际几何位置信息（包括卫星位置、卫星天线面板信息等）的星地无线通信场景，根据星地轨迹信息与配置CDL信道模型，计算卫星与地面终端之间的角度信息（AOAAODOAOD）；根据角度信息更新卫星和地面终端之间的相位、时延和多普勒信息并合成随轨迹点变化的星地无线信道冲击响应。
图4 基于几何位置的角度参数
从上表可以看出，NTN的模型相对于地面网络（3GPP-38901协议）中的模型簇的个数较少，这对信道建模的效率是一个利好，但是由于卫星的运行速度很快，为了描述波长级的信道衰落，必然会对仿真仪在数据处理和数据交换方面提出极大的挑战。
相对CDL模型，TDL模型简化了来波角度对无线信道的影响，如下图所示，通过对比表1和表2，可以看出TDL模型和CDL模型在簇的个数、时延和功率保持一致。
图5 NTN LOS场景下的多普勒功率谱示例
对于几何随机建模来说考虑来波角度（星地几何位置关系）会带来大量的数据处理和数据交换难度。如上图所示，在TDL模型中，可以把NTN的星地信道建模分为两个部分：一部分是由于地面环境（多径）带来的多普勒扩展；另一部分是由于星地的高速相对运动带来的大的纯多普勒频。
针对地面环境（多径）带来的多普勒扩展，采用高斯白噪声滤波法实现单径瑞丽信道建模。该方法假设移动台周围的散射分量是均匀分布的，且每一个分量的功率都相等。如下图所示，有两个分支，一个是实部，另一个是虚部。在每个分支中，首先在频域产生一个复高斯噪声；然后通过一个多普勒滤波器，这样频域分量就符合多普勒频移，通过设置不同的滤波器，可以产生不同功率谱的瑞丽信道模型，例如高斯、双高斯、圆拱、钟形、平坦和巴特沃兹等；最后将这个经过多普勒频移后的高斯噪声通过IFFT模块变换为时域信号。
图6 FWGN信道建模原理框图
针对星地的高速相对运动带来的大多普勒频偏，采用底层FPGA直接输出的方式，避免了采用信道建模离线生成实时加载带来的数据存储和交换问题。信道仿真仪输入频率为中频的宽带信号，信号的处理流程如下图：
图7 FWGN信道建模原理框图
中频信号经下变频至零中频，得到I、Q复基带数据，本地通过卫星径向速度、载波频率等参数，计算得到多普勒频率，配置多普勒频移发生器，产生复数频偏信号。多普勒频移可等效为信号在频谱上的搬移，即复基带信号与多普勒频移模块产生的复单音信号做复数乘法。考虑到输入信号为宽带信号，采样率远远超出FPGA工作时钟，需要对输入端并行处理，同样多普勒频移发生器模块也需要并行化。把基于地面环境带来的多普勒扩展和基于卫星高速运动带来的多普勒频偏合并后即可实现基于统计模型的NTN小尺度衰落信道仿真。
无线信道仿真仪基于时间同步，把大尺度衰落和小尺度衰落合并后即可实现NTN无线衰落信道仿真。
总结
本文简要介绍了KSW的无线信道仿真仪对5G NTN测试的解决方案：大尺度衰落建模软件DMT和基于3GPP38.811协议的小尺度衰落信道建模。而今，卫星通信网和地面蜂窝网技术在各自领域快速发展，卫星与地面的深度融合已成为未来网络技术发展的重要方向，坤恒顺维的NTN测试解决方案必将助力用户快速实现技术验证与产品迭代。