应对近地轨道（LEO）卫星通信系统设计挑战

作者：MathWorks 首席技术市场工程师 Mike McLernon

人们对商业空间卫星系统的兴趣和投资与日俱增。自 2021 年以来，私人投资者已向太空相关公司注入了逾 235 亿美元的私营部门资金，SpaceX 和 Amazon（Kuiper）等科技巨头也启动了太空计划以增加全球宽带接入。长期以来，卫星通信一直用于语音通信、国防和太空探索；然而，近地轨道（LEO）卫星的推出和普及，降低了发射卫星的资金门槛，并为新的用例提供了机会。这种经济效益归因于两个因素：1、卫星的大小—SpaceX 公司最新的 Starlink LEO 卫星只有餐桌那么大；2、多颗 LEO 卫星可以同时发射。虽然 LEO 使卫星通信系统在经济上更具可行性，但它们也带来了复杂性，即要求工程师应对更高的多普勒频移、干扰和网络复杂性。


近地轨道（LEO）卫星的推出和普及，降低了发射卫星的资金门槛，并为新的用例提供了机会。

推动卫星通信系统采用的趋势

泛在连接—设备几乎可在任何位置创建、共享和处理数据的环境—是推动 LEO 采用的主要趋势之一。尽管全球在建设地面无线通信基础设施方面取得了重大进展，但由于成本或地理原因，仍有相当多的地区（如偏远农村和海洋地区）仍缺乏蜂窝连接。卫星是无线行业缩小城乡连接差距的一项关键赋能技术。

LEO 不仅可以提供蜂窝连接的可及性，而且还可以提高蜂窝连接的容量。请参考以下来自 Statista 的市场数据：目前全球有 46 亿智能手机用户。据预计，到 2030 年，全球联网设备的数量将高达 290 亿以上。越来越多的人都在使用 Internet，这也增加了对全球蜂窝系统的需求。无线公司仍在投资于地面基础设施，因为使用商业卫星并非总是经济实用；然而，LEO 卫星的成本一直在降低，这使其成为解决日益有限的带宽问题的可行选择，特别是在偏远地区更如此。

最后，随着极端天气事件日益严峻和频繁，灾难恢复通信成为推动卫星通信应用的主要趋势。在发生这些事件期间，蜂窝基础设施经常遭到破坏，这促使卫星启动以确保现场急救人员、政府官员和居民能够广播和接收重要的安全信息。在地面蜂窝基础设施遭到飓风伊恩摧毁后，Starlink 定位了 120 颗卫星来覆盖佛罗里达西南部和其他受灾地区，这就是此类用例的有力证明。

信号延迟和功率放大

在 LEO 卫星出现之前，卫星通信系统主要使用地球静止轨道（GEO）卫星。如果三颗 GEO 卫星在经度上适当间隔，且以地球自转的速度旋转，则可以提供几乎全球范围的覆盖。三颗 GEO 卫星仅需几条交叉链路即可覆盖地球，但遗憾的是，其构建和发射成本远高于 LEO 卫星。此外，GEO 卫星与地面的距离以及彼此之间的距离会导致信号延迟。虽然 GEO 卫星适用于电子邮件和其他非实时通信，但语音电话和视频电话会出现显著延迟，从而阻碍了自然地沟通交流。

LEO 卫星更靠近地球表面，因此信号延迟要短得多。然而，与地面网络相比，发射机与 LEO 卫星通信时需要更高的功率。这是因为，地面网络信号的传输距离为 5—10 公里，而 LEO 信号的传输距离长达 2,000 公里，信号损失也更大。

LEO 卫星体积小既是一项优势，也是一项设计挑战。LEO 卫星的功率放大器（PA）必须在体积小的同时，具备足够大的功率向预定目标发射信号。在理想情况下，卫星工程师希望 PA 具有线性特征，即使在高功率输入驱动下也是如此。然而，PA 驱动功率过大会导致信号严重失真，如下图所示。发射机中的数字预失真（DPD）子系统可以抵消这些失真。

DPD 将“逆 PA”特性应用于信号，使得 PA 的输出信号更明显地呈线性。DPD 工具，如 Communications Toolbox® 中的工具，越来越多地使用 AI 来改进结果。


显示非线性（压缩）和记忆效应的功率放大器特性。所示的数字预失真（DPD）特性对非线性进行补偿。

射频链路、光链路和相控阵

将 LEO 卫星用于卫星通信系统时，干扰也带来了一项挑战。首要原因是，目前轨道上有近 6,000 颗 LEO 卫星。

长久以来，传统射频链路一直用于卫星通信系统，但工程师尽可能多地选择光链路。光束模式比传统射频链路窄得多，后者的宽射束可能会溢出到其他接收机中而造成干扰。由于信号传播受限，因此，光学系统中的干扰显著减少。

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，它们产生的射束可以通过电子方式控制指向不同方向。相控阵可以在空间上消除干扰，并将能量导向地面上的某个特定点。相控阵系统在目标信号方向上最大化射束能量，而在干扰方向上插入射束零点，从而最大化信号与干扰加噪声比（SINR）。

多普勒效应和频移

与 GEO 卫星不同，LEO 卫星围绕地球旋转的速度不同于地球的自转速度。这意味着它们会不断地靠近或远离接收机。这种运动会产生多普勒效应，卫星工程师必须对此加以控制。

在工程术语中，多普勒效应指由于发射机或接收机的运动而导致发射波和接收波之间出现频率差异。多普勒效应带来的挑战要求卫星工程师获取并跟踪 LEO 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，才能确保波形被成功解调。然而，如果多普勒频移较大，则会导致频率、相位和定时不同步。因此，必须在这些接收机中实现多个闭环，才能消除多普勒效应引起的频率偏移。同步必须在帧、符号定时、载波频率和载波相位级别执行。

结束语

许多卫星工程师都使用 MATLAB™ 等产品的参考接收机设计，因此他们无需“重造轮子”。通过对参考设计进行少量自定义，卫星工程师可设计出能在充满挑战的射频环境中工作的稳健接收机。

LEO 有令人瞩目的短期和长期用例，因而受到广泛关注。Apple 等公司已在使用卫星通信网络，而这仅仅是开始。随着卫星通信对无线行业的不断影响，工程师应熟悉其用途、挑战和赋能技术。