5G与小卫星通信技术：性能评估与优化策略

### 5G与小卫星通信技术：性能评估与优化策略 #### 5G中LTE - M的性能评估 在5G的大规模机器类型通信（mMTC）场景中，LTE - M的性能评估至关重要。 1. **LTE - M电池寿命评估假设** | 项目 | 详情 | | ---- | ---- | | 消息格式 - UL报告 | 200字节 | | 消息格式 - DL应用确认 | 20字节 | | 报告周期 | 每24小时一次 | | 设备功耗 - 传输 | 500mW | | 设备功耗 - 接收 | 80mW | | 设备功耗 - 空闲轻睡眠 | 3mW | | 设备功耗 - 空闲深睡眠 | 0.015mW | 2. **连接密度** 5G mMTC对连接密度有明确要求，需在四种不同城市宏场景下每平方公里支持一百万台设备。这四种场景基于两种信道模型（UMA A和UMA B）以及相邻小区站点间距离（ISD）为500米和1732米。 连接密度的评估通过非满缓冲区系统级模拟进行。根据相关公式计算每个小区区域要支持的连接密度（CDS）： \[CDS = \frac{CRI \cdot RP}{A}\] 其中，RP是连接请求的周期（以秒为单位），小区面积A的计算公式为： \[A = \frac{ISD^2 \cdot \sqrt{3}}{6}\] 在评估每窄带和每平方公里的连接密度时，使用上述公式结合图中的CRI值、两小时的连接请求周期以及对应6个物理资源块（PRB）窄带的缩放因子6。 从结果来看，在500米ISD场景下，单个窄带在10秒延迟限制内最多可支持568万台设备；而在1732米ISD和（UMA B）场景下，由于小区尺寸大12倍，LTE - M载波仅能支持44.5万台设备，连接密度是500米ISD场景的十二分之一。为进一步提高连接密度，可使用3GPP Rel - 15中引入的上行子PRB资源分配。 总体而言，LTE - M在一定条件下能实现5G mMTC的五个目标，但性能的实现依赖于系统配置和部署的特定条件，如信道传输的重复次数、基站使用的天线数量和基站密度等。3GPP Rel - 15还提供了在LTE - M设备服务的载波中引入5G NR的可能性，且不影响大规模物联网应用的服务质量，这表明LTE - M是5G系统中用于大规模物联网的有前景的技术。 #### S波段低地球轨道（LEO）立方体卫星链路预算的通信优化方法 立方体卫星（CubeSats）自1999年首次出现以来有了很大发展，已在一些原本专属大型卫星的领域崭露头角。然而，小型化在尺寸和能量方面存在代价，这对高数据速率通信系统至关重要，因此需要优化通信链路参数以提高能源效率。 1. **背景与挑战** 以往的链路预算分析基于最坏情况调整调制和编码方案，虽能保证卫星与地面站之间的可靠通信链路，但会降低数据速率。本文提出先建立S波段收发器的经典链路预算，再使用可变编码和调制（VCM）方法研究通信条件改善对数据速率的影响。 2. **方法步骤** - **建立数学模型**：为研究复杂通信系统，需构建收发器、天线和无线电波传播的数学模型，并在AGI STK软件中进行无线电链路模拟。 - **计算关键参数** - **斜距计算**：通过余弦定律计算立方体卫星与地面站之间的斜距s，公式为： \[s = R_E \cdot \left[\sqrt{\left(\frac{R_E + h}{R_E}\right)^2 - \cos(El)^2} - \sin(El)\right]\] 其中，$R_E$是地球半径，h是立方体卫星的高度，El是地面天线仰角。 - **多普勒频移计算**：由于低地球轨道卫星的高速度，会产生显著的多普勒频移$\Delta f$，计算公式为： \[\Delta f = f - f_0 = \frac{v_r}{c} \cdot f_0\] 其中，$v_r$是立方体卫星发射机相对于地面接收机的速度，c是光速。$v_r$可通过以下公式计算： \[v_r = v \cdot \cos(\beta) = \sqrt{\frac{\mu_E}{R_E + h}} \cdot \fra