低軌衛(wèi)星星座的快速部署極大地推進了衛(wèi)星通信和地面移動通信的技術(shù)融合，終端技術(shù)的進步也推動了消費和專用天地一體化通信的實際需求，先進的陣列天線逐步讓手機直連衛(wèi)星模式以合理的成本成為現(xiàn)實，這些技術(shù)迭代塑造了“非地面網(wǎng)絡(luò)”即NTN的技術(shù)愿景并使之成為低軌星座的通信技術(shù)體系。無論是3GPP、類3GPP或私有協(xié)議技術(shù)體系，均面臨星載基站、信關(guān)站、星間鏈路、終端和核心網(wǎng)相互連接帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)。特別是大規(guī)模手機直連接入和低軌衛(wèi)星高動態(tài)運動場景，要求NTN網(wǎng)絡(luò)星載基站具備大型相控陣天線及波束跳躍和多波束覆蓋，包括信關(guān)站、終端和遙測在內(nèi)的系統(tǒng)時延補償、射頻參數(shù)、信號質(zhì)量參數(shù)及相關(guān)一致性測試成為NTN衛(wèi)星整星及模組的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是NTN產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同的關(guān)鍵依據(jù)。

羅德與施瓦茨公司與全球的航天科技企業(yè)保持了數(shù)十年的密切合作，深刻理解衛(wèi)星行業(yè)的技術(shù)迭代，近期對頻譜儀和信號源產(chǎn)品進行了升級，以適配低軌衛(wèi)星的爆發(fā)式發(fā)展。最近，羅德與施瓦茨與我國的商業(yè)航天科技企業(yè)合作完成了對模組及整星的電測實驗，有效解決了整星多模組和多鏈路在跳波束條件下結(jié)合星歷的系統(tǒng)時延、大多普勒頻偏條件下的EVM測試、頻率準確性等項目的電測難點。

以3GPP 5G NR NTN架構(gòu)為例：

圖1 透明NTN NG-RAN 架構(gòu)

來源：R&S《5G NTN啟航 5G非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概論》

圖2 再生NTN NG-RAN 架構(gòu)

來源：R&S《5G NTN啟航 5G非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概論》

如圖1 和圖2所示，相比地面5G網(wǎng)絡(luò)，無論是透明轉(zhuǎn)發(fā)還是再生架構(gòu)，NTN的終端(UE)接入更為復雜，增加了星載基站（gNB）、信關(guān)站（NTN網(wǎng)關(guān)）、測控鏈路等環(huán)節(jié)，會顯著影響接入過程并由非線性器件帶來系統(tǒng)整體時延、信號質(zhì)量EVM和頻率準確度等問題。與傳統(tǒng)的衛(wèi)星測試比較，NTN低軌衛(wèi)星帶來了諸多新的測試挑戰(zhàn)。

測試挑戰(zhàn)：

需要對衛(wèi)星組件在不同工況(發(fā)射功率、溫度等)和真實信號（寬帶數(shù)字信號）下的時延、群時延和EVM進行完整測試，以確保級聯(lián)后的參數(shù)指標符合要求，傳統(tǒng)的模擬信號測試已不能表征組件在NTN架構(gòu)下的性能要求。

羅德與施瓦茨解決方案:

羅德與施瓦茨在全球5G及衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈測試領(lǐng)域廣泛應(yīng)用且廣受用戶好評的FSW頻譜信號分析儀及SMW200A矢量信號源具備多個專用選件，特別是根據(jù)3GPP NTN標準不斷升級的一致性測試選件，可準確、高效地測試NTN衛(wèi)星組件并確保其符合一致性要求。

圖3 衛(wèi)星載荷組件測試儀表搭建

圖4 衛(wèi)星載荷組件測試項與界面舉例

在FSW和SMA200A的支持下，NTN衛(wèi)星器件、組件、模組和整星的產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)均可實現(xiàn)同一套儀表射頻與矢量參數(shù)對齊、準確測試及可回溯，并確保衛(wèi)星整星的高質(zhì)量交付與在軌驗證（FSW和SMW200A可用于低軌的在軌測試。

與地面系統(tǒng)和中高軌衛(wèi)星不同，低軌衛(wèi)星因為其軌道物理因素，具有高速運動帶來的多普勒頻移和動態(tài)時延，如圖5所示。因此，除了NTN時頻資源的嚴格同步要求外，終端、信關(guān)站、衛(wèi)星和測控鏈路還需和星歷（帶有衛(wèi)星軌道信息）嚴格對齊，以便準確的追蹤衛(wèi)星并補償多普勒效應(yīng)和動態(tài)時延。

圖5 LEO（低軌衛(wèi)星）場景中的星歷與多普勒頻移

來源：R&S《5G NTN啟航 5G非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概論》

以3GPP 5GNR NTN終端接入?yún)f(xié)議為例，與地面網(wǎng)絡(luò)有很大的不同，終端和基站需要通過復雜機制獲取定時提前量用以補償星地之間的動態(tài)大時延，否則將無法實現(xiàn)正常通信。

圖6 NTN 用于補償傳播延遲的定時提前量

來源：R&S《5G NTN啟航 5G非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概論》

結(jié)合NTN網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，特別是手機直連的大量接入，還需要衛(wèi)星具備跳波束和多波束的技術(shù)設(shè)計，以實現(xiàn)接入衛(wèi)星功率和頻譜的動態(tài)分配，滿足切換和動態(tài)接入需求。如圖7所示。

圖7 NTN 地球固定跟蹤區(qū)域碼信令和波束切換

來源：R&S《5G NTN啟航 5G非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概論》

綜合上述背景，NTN低軌衛(wèi)星的整星電測面臨的部分測試挑戰(zhàn)如下：

? 需要結(jié)合真實星歷與UE位置的信道特性仿真，用于驗證gNB對動態(tài)多普勒頻偏與動態(tài)時延補償效果

? 需要具備NTP授時與GNSS秒脈沖同步、并且具有絕對時間觸發(fā)的測試系統(tǒng)，完成多模組協(xié)同時延測試，用以測定系統(tǒng)固定時延以便gNB完成實時補償

? 跳波束的時延測試，以確定系統(tǒng)整體時延用于系統(tǒng)補充

? 信關(guān)站、衛(wèi)星載荷、終端的整體EVM測定，已確保通信信號質(zhì)量

? 實現(xiàn)在信關(guān)站、整星、終端和遙測鏈路的全連接聯(lián)動測試

為充分說明測試挑戰(zhàn)，以5G NR NTN的整星為例：終端為L/S頻段手機直連業(yè)務(wù)，信關(guān)站為Q/V頻段，并包含測控鏈路。整星及地面站設(shè)備做桌面電測實驗的框圖如下圖8。

圖8 NTN 低軌衛(wèi)星整星聯(lián)測框圖

如圖8所示，NTN低軌衛(wèi)星具有復雜的連接和業(yè)務(wù)邏輯，這給衛(wèi)星研發(fā)和發(fā)射前的整機電測帶來很多測試難題。如測試數(shù)值不準確或不完善，將直接導致整星通信質(zhì)量的顯著下降，更為測試業(yè)務(wù)帶來成本和時間的增加。

羅德與施瓦茨為解決產(chǎn)業(yè)界難題，對FSW和SMW200A系列儀表進行了全新升級，具備完善的絕對時間觸發(fā)邏輯和相關(guān)硬件配置，實現(xiàn)了對NTN整星的全功能測試。

使用儀表為R&S FSW頻譜信號分析儀, SMW200A多通道矢量信號源，RTO6示波器和NGP800電源。 

圖9中標記有信號的位置均為信號射頻和矢量測試點，可測定不同組件射頻與信號質(zhì)量，驗證其是否滿足設(shè)計要求或產(chǎn)線測試項。

測試項目（包括但不限于）

? 各測試點的頻率準確度

? 各測試點損耗

? 各測試點EVM（均使用3GPP 5GNR NTN選件測試，符合3GPP一致性要求）

? 各測試點與UE/gNB處的絕對時延

? 跳波束實時性（延時）測試

測試邏輯：

01、UE到gNB測試：

信號源模擬UE產(chǎn)生特定帶寬（如20MHz）5GNTN信號，經(jīng)數(shù)字處理器后轉(zhuǎn)換為特定帶寬（如400MHz）信號。經(jīng)Q/V上下變頻器上變成Q頻段，再經(jīng)信關(guān)站射頻前端下變頻為L波段，過信道仿真儀經(jīng)DUC/DDC變回特定帶寬（如20MHz）信號給gNB，可以用頻譜儀來模擬gNB進行信號測試。

02、gNB到UE測試：

信號源模擬gNB產(chǎn)生特定帶寬（如20MHz）5GNTN信號，經(jīng)DUC/DDC變?yōu)樘囟◣挘ㄈ?00MHz）信號，經(jīng)信道仿真儀傳至信關(guān)站射頻前端變?yōu)閂波段信號，經(jīng)Q/V上下變頻上變成S頻段，經(jīng)數(shù)字處理器后變?yōu)樘囟◣挘ㄈ?0MHz）的S頻段信號下發(fā)給UE，此處用頻譜儀替代UE進行信號測試。

03、實時性：

系統(tǒng)通過授時對齊星歷并使用絕對時間觸發(fā)，確保時延測試的準確性和實時性。

結(jié) 語

基于低軌衛(wèi)星星座的NTN天地一體化對衛(wèi)星通信帶了諸多“顛覆性”技術(shù)變革，為從星載基站、信關(guān)站到手機直連終端或VSAT終端帶來了測試范式（Paradigm）的重大變化，考慮到衛(wèi)星發(fā)射的“不可逆”和高昂的失效成本，發(fā)射前的測試至關(guān)重要。NTN的技術(shù)架構(gòu)，也帶來了很多的新的測試用例，特別是時延和EVM技術(shù)要求。考慮到新的測試需求須兼顧移動通信和衛(wèi)星通信的技術(shù)特點并帶來諸多測試挑戰(zhàn)，羅德與施瓦茨公司結(jié)合在這兩個領(lǐng)域的廣泛經(jīng)驗與實踐，在本文中簡述了部分測試方法，不足和錯誤之處，望指正。

1.FSW 頻譜信號分析儀

• 頻率范圍：2 Hz ～ 8 / 13.6 / 26.5 / 43.5 / 50 / 67 / 85 / 90 GHz

• 優(yōu)異的相位噪聲特性：-140 dBs / Hz（典型值、1 GHz、10 kHz 偏移）

• 接近測量靈敏度極限的底噪能力：顯示平均噪聲電平：-169 dBm / Hz （典型值，打開前置放大器，8 GHz）

• 最大 8.3 GHz 分析帶寬

• 衛(wèi)星載荷測試功能選件（群延時、NPR噪聲功率比、 多調(diào)制矢量信號分析…..）

• 衛(wèi)星與移動通信信號測試功能選件（DVB、自定義OFDM及3GPP規(guī)則4G、5GNR、R17、R18…持續(xù)更新）

2.SMW200A 矢量信號源

• 可輸出最高 67 GHz 的信號

• 可配置 2 個 RF 輸出（最高 44 GHz）

• 內(nèi)部 RF 調(diào)制帶寬、最大4 GHz（雙通道配置）

• 優(yōu)異的調(diào)制質(zhì)量（2 GHz 帶寬的平坦度 0.4 dB）

• 可生成DVB及3GPP規(guī)則（4G、5GNR、R17、R18…持續(xù)更新）及用戶自定義信號波形

• 支持自定義衛(wèi)星動態(tài)衰落模型

3.RTO6示波器

• 帶寬：600 MHz / 1 / 2 / 3 / 4 / 6 GHz

• 最大存儲深度：2Gsample

• 功能：功率、16 位高分辨率模式、高級頻譜分析和瀑布圖、抖動、時鐘數(shù)據(jù)恢復、去嵌、I/Q 數(shù)據(jù)、RF 分析、信號源

• 顯示屏尺寸：15.6 英寸、彩色、1920 × 1080 像素

4.NGP800電源

• 最大輸出功率：800W

• 輸出通道：2/4

• 每個通道輸出電壓：0-32V/0-64V

• 每個通道最大輸出電流：20A/10A

• 功能與特點：高精度、編程功能、DUT保護、數(shù)據(jù)采集