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应对低轨道卫星通信系统的设计挑战

Mike McLernon, MathWorks, Natick, Mass.

图1：低轨道卫星示意图。

对商业卫星系统的兴趣和投资正在蓬勃发展。自2021年以来，私人投资者已向太空相关公司注入了超过235亿美元的资金。¹太空探索技术公司（SpaceX）和亚马逊（Kuiper）等科技巨头纷纷推出太空计划，以增加全球宽带接入。从历史上看，卫星通信（satcom）一直用于语音通信、国防和太空探索；然而，低轨道（LEO）卫星的引入和普及降低了发射卫星所需的资金门槛，为新的用途打开了大门。这种经济效益是由两个因素造成的。第一个好处与卫星的尺寸有关；SpaceX公司最新发射的Starlink低轨道卫星只有一张厨房桌子那么小。第二个好处与同时发射多个低轨道卫星的能力有关，这有助于控制发射成本。不过，虽然低轨道卫星使卫星通信系统更具经济可行性，但也带来了复杂性，需要工程师管理更高的多普勒频移、干扰和网络复杂性。图1显示了具有代表性的低轨道卫星。

推动卫星通信系统应用的趋势

无所不在的连接，即设备可以在几乎任何地方创建、共享和处理数据的环境，是推动低轨道应用的主要趋势之一。尽管在建设地面无线通信基础设施方面取得了进展，但由于成本或地理原因，世界上仍有很大一部分地区（如农村和海洋）没有蜂窝连接。卫星是无线行业缩小城市和农村地区之间连接差距的关键技术。

除了蜂窝网络的可及性，低轨道飞行器还能提高蜂窝网络的容量。请看Statista提供的以下市场数据：目前全球有46亿智能手机用户²，预计到2030年，全球联网设备的数量将超过290亿。³越来越多的人使用互联网，增加了全球蜂窝系统的需求。无线公司继续投资地面基础设施，因为商业卫星并不总是具有高效益；然而，低轨道卫星的成本正在下降，使其成为解决带宽日益有限问题的可行选择，尤其是在偏远地区。

最后，灾难恢复通信是推动卫星通信应用的一个关键趋势，因为极端天气事件的威力越来越大，也越来越频繁。⁴在这些事件中，蜂窝基础设施经常被摧毁，这促使卫星启动，以确保急救人员、政府官员和居民能够广播和接收重要的安全信息。当地面蜂窝基础设施被摧毁时，Starlink在佛罗里达西南部和其他受飓风伊恩影响的地区定位了120颗卫星⁵，验证了这一使用案例。

信号延迟和功率放大

在低轨道之前，卫星通信系统主要使用地球静止轨道（GEO）卫星。三颗地球同步轨道卫星经度间隔适当，旋转速度与地球自转速度相同，几乎可以覆盖整个地球。三颗地球同步轨道卫星只需几个交叉链路就能覆盖整个地球，但遗憾的是，其建造和发射费用比低轨道卫星昂贵。此外，地球同步轨道卫星与地面和相互之间的距离会造成信号延迟。虽然地球同步轨道卫星对于电子邮件和其他非实时通信是可接受的，但电话和视频通话会出现明显的延迟，妨碍自然通信。

低轨道的信号延迟时间更短，因为它们更接近地球表面。不过，与地面网络相比，发射机与低轨道通信所需的功率更大。这是因为地面网络信号的传输距离在5到10千米之间，而低轨道信号的传输距离长达2000千米，信号损失更大。

图2：功率放大器和DPD测量数据。

低轨道卫星体积小，这既是一个优势，也是一个设计挑战。低轨道功率放大器（PA）的物理尺寸必须很小，但却要有足够的功率将信号传输到预定目标。在理想情况下，卫星工程师希望功率放大器即使在大功率输入驱动下也能具有线性特性。然而，当功率放大器的驱动力过大时，它会进入压缩状态，从而导致信号严重失真。图2显示了具有代表性的功率放大器特性，说明了非线性（压缩）和记忆的影响。

抵消和改善这些失真的方法之一是在发射机中使用数字预失真（DPD）子系统。DPD将"反向功率放大器"特性应用于信号，使功率放大器的输出信号更加线性。DPD工具（如MathWorks Communications Toolbox®中的工具）越来越多地使用人工智能来改进结果。图2还显示了一个具有代表性的DPD电路的增益特性，DPD反向特性如何帮助补偿放大器的非线性变得一目了然。

射频链路、光链路和相控阵

图3：具有代表性的接收信号数据。

图4：频率校正后的信号。

图5：频率和时间同步的16-QAM星座数据。

将低轨道用于卫星通信系统时，干扰也是一个挑战。主要原因很简单，因为目前有近6000个低轨道卫星在轨道上运行。⁶卫星通信系统长期以来一直使用传统的射频链路，但工程师们在可能的情况下越来越多地选择光链路。波束模式比传统射频链路更窄，因为传统射频链路的宽波束会溢出到其他接收器中，造成干扰。由于信号传播有限，光学系统的干扰会大大减少。

最后，卫星工程师还可以使用相控阵，这是一组由计算机控制的天线，可以形成电子转向的波束，指向不同的方向。相控阵可以在空间上消除干扰，并将能量导向地面上的特定位置。相控阵系统在相关信号方向上最大化波束能量，并在干扰方向上插入反相波束，从而最大化信噪比（SINR）。

多普勒效应和频移

与地球同步轨道不同，低轨道卫星绕地球旋转的速度与地球自转的速度不同。这意味着它们会不断向接收器移动或远离接收器。这种移动会产生卫星工程师必须管理的多普勒效应。在工程术语中，多普勒效应指的是由于发射机或接收机的运动造成的发射波和接收波之间的频率差异。多普勒挑战要求卫星工程师获取并跟踪低轨道卫星不断变化的中心频率。

发射机和接收机的频率和相位必须完全锁定，以确保成功解调波形。然而，大的多普勒偏移会导致频率、相位和定时不同步。因此，必须在这些接收器中实施多个闭环，以消除多普勒引起的频率偏移。同步必须在帧、符号定时、载波频率和载波相位层面上实现。图3显示了星座图上绘制的代表性接收I/Q数据，无法确定具体的星座点。

图4显示了频率校正后信号的星座图，虽然星座图越来越清晰，但只能部分识别接收到的信号。

图5显示了时序和频率同步后的星座图，信号与预期的16-QAM星座点一致。MathWorks的产品可帮助设计人员建立模型，了解这些影响以及如何成功关闭卫星通信网络的链路。

结论

许多卫星工程师使用MATLAB™等产品中的参考接收器设计，这样他们就不需要不断重新发明轮子。只需在参考设计的基础上稍加定制，卫星工程师就能设计出可在具有挑战性的射频环境中运行的强大接收器。

低轨道卫星因其引人注目的短期和长期用例而受到了相当程度的关注。苹果等公司已经开始利用卫星通信网络，而这仅仅是个开始。随着卫星通信对无线行业的持续影响，工程师们应该熟悉这些卫星网络的用途、挑战和赋能技术。

参考资料

1. “Space Tech Funding Comes Back Down To Earth,” Crunchbase, July 2023, Web: news.crunchbase.com/venture/space-tech-funding-drops-spacex-relativity.
2. “Number of Smartphone Users Worldwide from 2013 to 2028,” Statista, August 2023, Web: www.statista.com/forecasts/1143723/smartphone-users-in-the-world.
3. “Number of Internet of Things (IoT) Connected devices worldwide from 2019 to 2023, with Forecasts from 2022 to 2030,” Statista, July 2023, Web: www.statista.com/statistics/1183457/iot-connected-devices-worldwide.
4. “Explaining Extreme Events from a Climate Perspective,” American Meteorological Society, Web: www.ametsoc.org/index.cfm/ams/publications/bulletin-of-the-american-meteorological-society-bams/explaining-extreme-events-from-a-climate-perspective/.
5. “Elon Musk to Provide Florida with Starlink Satellites in Response to Hurricane Ian,” Reuters, October 2022, Web: www.reuters.com/world/us/elon-musk-provide-florida-with-starlink-satellites-response-hurricane-ian-2022-10-01.
6. “UCS Satellite Database,” Union of Concerned Scientists, December 2005, Web: www.ucsusa.org/resources/satellite-database#:~:text=Total%20number%20of%20operating%20satellites%3A%206%2C718%20United%20States%3A,Russia%3A%20174%20China%3A%20590%20Other%3A%201%2C425%20LEO%3A%205%2C938.