纵观其历史，蜂窝通信一直局限于由铁塔和其他蜂窝通信设备组成的地面网络。然而，随着5G的出现，这种情况正在发生改变。第三代合作伙伴计划(3GPP)的第17版于去年完成，其中包括了对5G非地面网络(NTN)支持的首次增强，从而具有了将蜂窝地面网络与包含卫星和其他高空平台(例如气球)的网络融合在一起的潜力。
NTN有许多潜在的用例，包括将5G的覆盖范围扩大到世界上缺乏蜂窝基础设施的偏远角落以及基础设施受到破坏的地区，例如在大规模自然灾害发生后。它还可以为无法建设地面网络基础设施的偏远地区的移动飞机、船舶和火车提供通信服务，提供冗余，从而增强机器对机器通信和物联网设备的服务连续性，并增强关键通信的可靠性。
虽然NTN服务和设备的一些初步实施已经部署(特别是iPhone 14的卫星应急功能)，但许多更强大的产品正在开发中。然而，成功部署和运营这些创新将需要蜂窝和卫星行业开发成功的商业模式以及实施和测试方面的创新。
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从技术角度来看，5G NTN实施和测试需要考虑卫星和蜂窝电话服务之间的一些关键差异(见图1)。传统的卫星电话服务依赖于带有大型天线的专用电话。对于传统智能手机来说，实施卫星服务具有挑战性，因为卫星和用户之间的距离会导致信号水平较低，这需要手机配备更大、增益更高的天线。
然而，传统手机接收卫星的方式与所有其他网络单元相同。未经修改的手机可以连接到有限小区半径内的卫星，其中对于多个用户来说，整个卫星小区的小区条件几乎相同。这需要将网络分割成相对较小的小区，用户之间的距离在几英里之内。
图1：卫星NTN通信传输的图形表示。(图片来源：是德科技)
对于蜂窝网络来说，增加卫星用户对处理客户连接以及卫星和蜂窝网络之间的交互产生了新的要求。基站在5G NTN中发挥着关键作用，其在网络辅助运营方面与卫星电话服务存在显著差异。在5G NTN中，基站用来帮助建立和维持手机和卫星之间的连接。
由于卫星信号距地球较远且持续运动，因此会产生较低功率信号并在频域中引入多普勒误差。这种运动还会造成改变卫星链路的延迟增加，而电话和网络必须容忍这种延迟才能提供无缝服务。网络会对无线电帧的时序进行修改以匹配用户位置，然后通过预补偿来抵消卫星移动引起的链路频率误差，从而使手机更容易容忍卫星链路特性。手机依靠包含卫星位置和速度信息的网络广播系统信息块(SIB)来估计链路状况、延迟和传输频率中的多普勒误差。
5G NTN通信依赖于多项关键技术。最大限度地减少频率误差，需要估计链路条件并在网络和手机之间的无线电链路中采取对策。要使从网关到卫星的链路(馈线链路)对下行链路中的手机不可见，需要调整时序。最后，NTN需要处理从卫星到NTN手机的服务订户的链路(服务链路)，包括最小化电话到卫星上行链路中的频率误差。
3GPP针对卫星链路的使用对5G协议栈进行了多项修改。其中一项修改是新的时序和重传程序，将混合自动重复请求(HARQ)重传进程的数量从16个增加到32个，以提高接收卫星信号时的延迟容忍度。
在NTN开发之初，必须要把与被测系统(SUT)新功能相关的问题的可能原因范围缩小。在蜂窝网络中添加卫星链路时，网络和手机之间的延迟增加，是信道模型用于在系统级别进行模拟和测试的新主要特征。
固定延迟测试对于检查基站——在5G网络中称为gNodeB(gNB)——与手机之间的估计卫星延迟，以及在没有其他卫星链路特征的情况下对延迟的容忍度来说，是个很好的起点(见表1)。固定延迟测试揭示了卫星链路的重传性能，以及添加NTN支持后的时序和时序调整。
由于地球静止轨道几乎等于静态延迟线，静态延迟测试有助于了解这些卫星的行为。
表1：5G NTN测试用例。(图片来源：是德科技)
除了延迟之外，卫星移动引起的频率误差是卫星连接和蜂窝网络之间的主要区别。轨道高度在500至2,000km之间、速度在7至8km/s之间的低地球轨道(LEO)卫星(通常在链路中存在大量多普勒误差)，特别容易出现频率误差。
多普勒误差可以从几万赫兹到兆赫兹级的范围内变化，具体取决于地面接收器的仰角和频率。较大的频率误差会给测试带来挑战(见图2)。
图2：是德科技Channel Studio GCM生成的卫星轨道模型和用于NTN测试的测试场景。(图片来源：是德科技)
5G NTN测试规划从定义SUT的内容和被测设备(DUT)的接口开始。正确的测试环境必须模拟网络连接并链接到卫星，并从DUT的角度查看服务。可以使用真实网络接入点或模拟接入点来进行这一测试。
连接性通常是NTN测试环境的主要挑战，特别是当SUT包含真实手机和真实基站时。典型的测试设置使用电话和基站之间的电缆或用于无线测试的天线以及可调节或可编程的衰减器来控制链路功率。准确测试NTN中的卫星链路延迟、频率误差和动态多普勒是一项挑战，最好通过信道仿真(emulation)来予以解决。
信道仿真器可以用随时间变化的延迟和多普勒变化来表示与现场情况近似的链路状况。生成的信道模型包含定义测试期间链路行为的规则。信道模型参数包含动态信号衰减、延迟和多普勒，当将它们结合在一起时，可以重建与现实世界相同的无线电信道。
还可以利用网络仿真技术使用模拟基站进行测试。网络仿真器可以模拟完整蜂窝基站的功能。网络仿真器代表DUT的5G服务。与真实的基站一样，网络仿真器需要将卫星轨迹信息和星历数据(有关给定卫星的位置和速度的信息)编码到SIB中以广播到手机。
所有绕地球运行的卫星的位置和速度都受到监控，并且它们的位置和速度对于商业卫星来说是公开的。该数据可用于重新创建轨道以进行测试。
NTN将在未来几年对无线通信产生深远的影响。该技术将实现有价值的新用例并巩固对全球各个角落的服务。与任何无线技术一样，NTN产品和服务的成功在很大程度上取决于强大而准确的测试、测量和仿真能力及策略的实施。
（原文刊登于EDN姊妹网站Electronic Products，参考链接：Non-terrestrial networks create testing challenges，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2023年11月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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