星链Starlink频谱信号捕获与分析-20230514

IoT 1年前 (2023) admin
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星链Starlink频谱信号捕获与分析-20230514

一。概述
低轨卫星LEO通信系统属于非地面网络(NTN),由卫星系统、高空平台、无人机系统构建的非地面的一张网络,低轨卫星通信系统是NTN中发展最快、研究最热的。低轨卫星系统轨道高度300-2000KM,系统组成包括空间段、应用段、地面段组成,应用场景包括宽带通信、互联网接入、IoT、遥测遥感等。相比其它卫星系统,低轨卫星系统的优势有传输时延小、空间损耗少,卫星数量多、全球可覆盖,网络容量大、频率复用效率高。

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常见的低轨卫星系统包括星链(Starlink)、AST SpaceMobile、3GPP NR NTN等,低轨卫星系统/标准一般采用FDD体制。窦圣跃介绍称,3GPP基于低轨卫星FDD体制的标准化工作早在2017年就开始了,2017年R15标准的TR38.11(RAN/RAN1)里定义了NTN的信道模型,识别关键问题,在TR22.822(SA2)里定义12种卫星通信潜在用例;在2018年R16中TR38.821(RAN1-3)中研究NTN的网络架构和解决方案,在TR23.737(SA2)中分析2种卫星通信用例;2019年R17中在NR-NTN(RAN1-4)形成第一版融合技术规范,在SA2中形成关键问题的技术规范;在R18中进行进一步的增强,形成第二版融合技术规范,研究非连续覆盖、UPF上星研究立项已启动。
NR-NTN标准演进方面,R17 NTN标准关键技术做了同步增强、时序增强、HARQ增强、移动性增强;R18 NTN标准增强技术包括覆盖增强、UE位置验证、减少切换开销、RAN4频段定义;未来R19 NTN标准潜在增强方向可能有再生星、无GNSS UE接入。
“NTN未来演进来看,未来一定是天地一体网络融合,包括标准融合、产业融合、用户融合,天地一体有助于地面蜂窝与卫星通信系统共同发展。”窦圣跃认为,天地一体融合路径下低轨卫星制式需再思考,未来天地一体网络,若地面蜂窝新频谱标识为TDD,在此假设下如何天地一体融合需要好好思考。FDD体制优势有同步系统设计简单、传输效率高,业界主流、研究充分;TDD体制优势包括频谱易协调、终端成本低、复用地面产业链,但TDD业界较少、研究不足、效率低。
如果低轨卫星系统采用TDD体制,研究与应用仍然面临巨大挑战:
挑战1:卫星覆盖范围广/时延大,沿用NR TDD帧结构,需大保护间隔。
挑战2:卫星间传输时延导致TDD帧不同步,卫星间产生上下行同频干扰。
挑战3:天地一体化,TDD体制融合,需克服星地系统接入与同频干扰问题。
“天地一体网络融合决定了天、地通信产业链必须要深度融合,低频卫星采用TDD模式需要进一步的技术研究。”窦圣跃表示,下一步未来天地一体网络融合推进,需要在频谱分配、规划及共存方面进行顶层设计,研究统一标准、频谱、制式、终端的天地一体深度融合方案,逐渐催熟技术、生态和端到端产业。

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SpaceX 每个航天器的预计平均容量为 20 Gbps,总系统容量为 88.5 Tbps(全系统部署)。SpaceX 宣传 Starlink 可以使用空间终端相控阵、用户终端相控阵、波束成形、光交联和智能数字处理技术为最终用户提供高达 1 Gbps 的速度。表 18 和 19 中可以找到波束和信道特性。使用空间终端相控阵可以实现电子控制点波束和使用波束成形的能力。

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图 1. 用户终端的相控阵天线跟踪连续卫星经过的简化图示。

图 1 显示了卫星之间跟踪和切换以确保持续连接的简化图示(我们注意到这仅用于说明目的,可能无法准确反映 Starlink 系统的实际运行情况)。要进行连接,视场 (FOV) 内至少应有一颗卫星,并且不间断的连接需要无缝且及时地切换到下一颗经过地平线的卫星。相控阵天线使用电子控制(多个)波束来跟踪卫星并执行切换。

使用用户终端相控阵可以实现精确的航天器跟踪并放宽回转所需的机械要求。 

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为了提供宽带固定卫星服务 (FSS),Starlink 卫星使用左手或右手圆极化(LHCP 或 RHCP)与 X/Ku 波段的用户终端和 Ka 波段的网关保持双向链接。图 2 显示了他们的频率规划 [11],注意到本文实验分析的用户下行链路信号覆盖 10.7 – 12.7 GHz 频段,这也是部署在地球静止赤道轨道上的 DVB-S 卫星的分配频段 (地理)。用户下行链路频带被划分为 250 MHz 信道,Starlink 卫星利用其机载相控阵天线 [11] 实现具有同步可控点波束的六边形小区部署。为了避免点波束之间的干扰,不同的频道被分配给相邻的小区。

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我们开发了一种在 10.7 至 12.7 GHz 频段内对 Starlink 下行链路信号进行盲信号识别的技术,并提供了信号结构的详细图片。重要的是,此处提供的信号表征包括嵌入信号中的同步序列的精确值,可用于产生伪距测量。对信号的这种理解对于寻求将 Starlink 信号用于定位、导航和授时的双重用途的新兴努力至关重要,尽管它们专为宽带互联网提供而设计。
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SpaceX 的 Starlink 星座已经有超过 3000 颗卫星在轨,是 LEO 宽带提供商中部署最成熟的。最近使用 Starlink 信号进行基于机会多普勒定位的演示 [6]-[8] 开辟了令人兴奋的可能性。但是,Starlink 信号是否更普遍地适用于机会主义 PNT——而不仅仅是通过多普勒定位——以及它们是否可以像 [5] 中提出的那样成为功能齐全的 GNSS 的基础,仍然是一个悬而未决的问题,其答案取决于 广播信号,包括调制、定时和频谱特性。然而,尽管 Starlink 卫星的轨道、频率、极化和波束模式是通过美国联邦通信委员会 [9] 的许可数据库公开记录的问题,但信号波形本身的详细信息以及产生它的硬件的定时能力 不公开。
我们提供两项贡献来解决这一知识差距。首先,我们开发了一种在 10.7 至 12.7 GHz 频段内对 Starlink 下行链路信号进行盲信号识别的技术。该技术是现有盲正交频分复用 (OFDM) 信号识别方法(参见 [10]–[12] 及其中的参考文献)的重要扩展,这些方法仅成功应用于模拟信号。就我们所知,操作 OFDM 信号的盲识别,包括同步序列的精确确定,以前尚未实现。该技术不仅适用于 Starlink Ku 波段下行链路,而且通常适用于所有 OFDM 信号,除了估计 Starlink 可能独有的同步结构所需的某些步骤之外。
其次,我们详细描述了 10.7 至 12.7 GHz 频段内的 Starlink 下行链路信号结构。这适用于当前传输的 Starlink 卫星(版本 0.9、1.0 和 1.5),但考虑到需要为现有用户群保持向后兼容性,也可能适用于 2.0 版和可能的后几代卫星。我们的信号表征包括嵌入信号中的同步序列的精确值,可用于产生伪距测量。结合多个伪距测量以实现多方位 PNT,这是传统 GNSS 中的标准,与 [6]-[8]、[13] 中探讨的基于多普勒的定位相比,可以实现更快、更准确的机会位置效果。并且可以额外提供纳秒级精确计时,而即使在 [13] 中设想的乐观情景下,从基于多普勒的 LEO 信号处理中提取计时也会产生大约 0.1 到 1 毫秒的误差。

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二。信号捕捉

为了便于复制我们的工作,并作为我们介绍信号模型的前奏,我们首先详细描述我们的信号捕获系统。
人们可能有理由怀疑是否可以修改标准消费者 Starlink 用户终端 (UT) 以捕获宽带(数百 MHz)原始信号样本以用于 Starlink 信号识别。不容易:将 UT 作为开发硬件运行,允许捕获原始信号样本,需要破坏专门为防止这种情况而设计的安全控制。此外,驱动 UT 的缩混和采样操作的时钟质量未知,因此会污染接收信号的任何时序分析。
我们选择开发自己的 Starlink 信号捕获系统。该系统由现成的硬件和定制软件组成,能够一次从一颗 Starlink 卫星捕获信号,并参考高度稳定的 GPS 纪律振荡器进行缩混和采样。

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三、 信号识别初步

在这里,我们总结并扩充了之前引入的术语和符号,以便清楚地说明要解决的识别问题。然后,为了培养对下一节中介绍的求解过程的直觉,我们解释了如何利用信号循环平稳性来估计关键信号参数。

A. 感兴趣的术语和参数

我们假设分配给多频带 OFDM 信号的频谱被划分为功率谱密度近似均匀的 OFDM 信道。相邻通道由保护带分隔。每个信道由N个频谱重叠的正交子载波组成。频域 OFDM 符号是 N 个复值系数的向量,其第 k 个元素调制第 k 个子载波。频域 OFDM 符号的 IFFT,在前面加上保护间隔(循环前缀)时,变成时域 OFDM 符号。这些符号的子序列被打包成帧,其中一个或多个 OFDM 符号携带可预测的元素,称为同步序列,使接收器时间和频率同步。传输时,OFDM 信号的载波相位在每个帧内保持稳定。帧之间至少间隔帧保护间隔。可能还有更多的逻辑子帧结构(例如,时隙、报头段),但这些在本文的信号识别过程中没有涉及。请注意,三个不同的结构共享术语“保护”:信道之间的空频谱(保护频带)、帧之间的时间(帧保护间隔)和时域 OFDM 符号中的(循环)preffx(OFDM 符号保护间隔 ). 表 I 总结了本文信号识别问题中感兴趣的 OFDM 参数。

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使用USRP进行射频相位跟踪结果

USRP 被设置为在 800 秒的时间内记录 Ku 信号。在此期间,共有 6 台 Starlink SV 以 11.325 GHz 的频率发射通过接收器,一次一个。第 III 节中讨论的框架用于获取和跟踪来自这些卫星的信号

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信标实际上是 11.075、11.325 和 11.575 GHz 的 250 MHz 信道中的卫星到用户下行链路流量。其他信道可能尚未使用。

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WNLS 估计接收器位置, 接收器位置初始化为所有 SV 位置的质心,投影到地球表面,产生 179 公里的初始位置误差。时钟偏差和漂移被初始化为零。最终的 3-D 位置误差被发现为 33.5 m,而 2-D 位置误差为 25.9 m。在为接收器配备高度计(以了解其高度)后,二维位置误差降至 7.7 m。Starlink SV 的天空图、环境布局和定位结果如图 3 所示。

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  Starlink的接收器可以接收100°范围内的Starlink信号,要保证信号的尺寸稳定,它要保证实时对准其上空的Starlink卫星,这也意味着每隔4min,它就要切换到下一颗Starlink的卫星,这对控制的要求非常高。

图片的说明部分

    传统的电视卫星接收器,只能被动接收电视卫星的信号。而Starlink的接收器仅能接收卫星的数据,也能上传数据到Starlink的卫星
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Starlink的通讯机制允许它和卫星之间可以双向通讯

    要保证接收器在有限的时间里,无延时的、大速率的与卫星进行通讯,那接收器要有足够密集的、大功率的通讯光束。
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    要保证Starlink能够覆盖全世界所有的范围,那么就至少需要10000颗卫星同时工作才能实现。
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我们从三个方面一起来看看,Starlink是如何实现颠覆性的通讯方式的。   
    1)  Starlink 地面接收器的内部结构
    2)地面接收器怎样确保通讯光束能对准卫星
    3)地面接收器和卫星之间怎么通讯的

Starlink的内部结构,Starlink地面接收器简约的外形下面,蕴含了尖端且复杂的设计,让我们一起来看一下。

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接收器底部有两个以太网连接的电机,用来调整接收器的初始位置

    主电路板上,集成了640个小的微控制器和20个大的卫星控制器。这些控制器是为了控制电路上的卫星天线
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小控制器用于控制天线,大的控制器用于形成波束赋形

    PCB板之后集成蝶形铜环、蜂窝状的覆盖件,这些配合PCB上的电路,总计形成了1280个微型的天线。而这些卫星天线又通过20个控制器,得以形成通讯的集束。
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接收器底部有两个以太网连接的电机,用来调整接收器的初始位置

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Starlink 接收器控制通讯光束

    在微型控制器的控制下,每个天线以12Ghz的频率进行通讯。

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上图是接收器天线的简化模型

    简化模型只是为了说明工作原理,实际天线的结构相当复杂,每个模块都有各自的作用。

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实际天线的结构相当复杂

    宇宙中的辐射特别多,包括太阳、信号塔、其他的卫星。为了能屏蔽其他信号,接收指定频率段的信号,每一个卫星天线的尺寸都进行了精心设计。

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天线贴片的尺寸进行了精心设计

    PCB主板上,黄色的GPS模块,用来获取接收器指向范围内轨道卫星的实时位置,以确保通讯集束的指向。20个集束控制器,通过控制每个天线的电磁波强度和相位角,保证1280个天线形成波束赋形,将通讯集束始终指向目标卫星,然后4分钟后转到下一个卫星

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控制器协调天线辐射的电磁波

Starlink接收器和卫星之间的通讯机制

    每秒中的时间里面,有74ms是用来上传数据,剩余时间用来下载数据,上传和下载平均分布以减少等待的时间。

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虽然能够上传数据,接收器大部分的时间里是在下载数据

    每个Starlink卫星上有4个相控矩阵天线,两个用来和地面接收器通讯,两个与地面通信站通讯以实现流量控制等网络管理。

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  Starlink的数据传输以6位二进制数据为最小单位,通讯机制使用64QAM-Quadrature Amplitude Modulation。

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64-QAM的通讯机制,保证了足够的通讯速率

    以上就是Starlink的更多秘密,希望这些能让你对Starlink有更多的了解。
后续继续更新!

原文始发于微信公众号(太空安全):星链Starlink频谱信号捕获与分析-20230514

版权声明:admin 发表于 2023年5月14日 下午12:55。
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