卫星信道综述：引子

引用请写：Zixia Shang. Low Earth Orbit Satellite Networks for 6G: A Review of Ground-Satellite Channel Link Budget. TechRxiv. 08 September 2025.
DOI: https://doi.org/10.36227/techrxiv.175735665.55050224/v1

详细公式与绘图内容请看专栏

一、引言

随着数字时代的到来，全球通信需求呈现爆发式增长，尤其是在偏远地区和海洋环境中，传统地面基站的局限性日益凸显 [1]。与此同时，中地球轨道（MEO）和地球同步轨道（GEO）卫星存在发射成本高、传输时延大以及信号衰减严重等问题，使其难以满足大规模部署和低时延业务的需求 [2]。

相比之下，低地球轨道（LEO）卫星凭借其独特的技术优势，在较低轨道高度（约200–2000公里）即可实现更低的传播时延和更高的信号质量，已成为宽带互联网接入及多种通信业务的重要支撑。

低轨卫星网络由多颗卫星协同构成，形成高效的天地一体化通信系统，涵盖卫星、地面站、用户终端以及通信链路等组成部分。卫星通过无线信号实现与地面设施之间的双向信息传输，从而实现快速数据交换。

在此背景下，低轨卫星网络的快速发展为提升通信质量和网络覆盖提供了前所未有的机遇，成为构建6G天地空一体化网络的关键技术之一 [3]。

自1987年美国部署首个低轨卫星星座——Iridium系统以来，低轨卫星网络持续发展。2017年，Iridium NEXT系统发射，具备地球观测、导航增强和空间监测等能力 [4]。此外，Globalstar、OneWeb和Starlink等项目也已部署大量低轨卫星。其中，SpaceX提出的Starlink自2019年以来已发射超过5200颗卫星，并计划部署超过10000颗卫星，以提供低时延、高带宽的通信服务 [5]。在近期俄乌冲突中，Starlink为乌克兰提供了空间通信支持，展现了低轨卫星在国防与应急通信中的重要价值。

在中国，中国航天科技集团与航天科工集团自2015年起推进“鸿雁星座”和“鸿云工程”，并于2020年将卫星互联网纳入“新基建”信息基础设施。2021年，中国卫星网络集团有限公司成立 [6]。

无线信道作为信息传输的媒介，对通信系统性能具有重要影响。因此，对无线信道特性的研究与建模是无线通信系统部署的前提。与传统地面蜂窝系统相比，低轨卫星天地信道具有以下特点 [7][8]：

1. 复杂信道环境
   LEO卫星位于数百至数千公里高空，信号传播需穿越大气层，导致信道特性复杂。信号不仅存在路径损耗，还会受到大气吸收、降雨衰减以及电离层闪烁的影响。此外，接收端周围的植被和建筑物还会引入阴影衰落和多径效应。

2. 更高的工作频段
   为穿透电离层并缓解低频频谱资源紧张，卫星通信逐步向Q/V等高频段发展。然而，高频信号对天气更敏感，且在地面传播时穿透和绕射能力较差。

3. 更高的终端移动性
   LEO卫星运行速度超过5700 m/s，在550 km轨道高度下单次过境时间约为10分钟。同时，在某些应用场景中，地面终端也可能高速移动。这种双重高速运动导致信道呈现强非平稳特性，并引入较大的多普勒频移，影响接收端的信号检测性能。

在如此复杂的传输环境中，发射端、接收端、信道及信号处理系统之间的协同作用至关重要。

基于上述背景，本文系统研究低轨卫星网络中卫星与地面用户之间的传输信道特性，重点分析链路预算、动态时变多普勒效应以及多径信道模型，并通过仿真验证所提出模型的有效性，为未来低轨卫星网络的设计与优化提供理论依据和工程指导。本研究不仅有助于提升通信效率，也为缩小全球数字鸿沟提供新的解决思路。

---

二、研究背景

根据ITU-R P.618-2017 [9]和ITU-R P.2108-2021 [10]的描述，这些标准为天地通信系统设计中的传输衰减和阴影衰落提供了详细建议。[11]综述了5G非地面网络（NTN）标准的发展，并指出卫星通信与5G融合面临的关键技术挑战。

3GPP TR 38.811-2020和TR 38.901-2022 [12][13]进一步研究了非地面网络的新空口（NR）标准及高频信道模型，并提出不同频段的路径损耗模型。[14]（3GPP TR 38.821-2020）讨论了NR支持NTN的实现方案，为天地网络融合奠定基础。[15]（3GPP TS 38.101-5-2023）定义了卫星接入场景下用户设备（UE）的射频及性能要求。

ITU-R P.676-2022 [16]研究了大气气体衰减及其计算方法，为高频链路预算分析提供依据。[17]（YD/T 984-2020）则规范了中国卫星通信链路中气体与降雨衰减的计算方法。

在Ku、Ka及V频段传播特性研究方面，[18]介绍了降雨衰减及其补偿技术，[19]提出长期降雨衰减概率预测模型，[20]给出了适用于全球的斜路径降雨衰减统计方法。[21]基于Weibull分布构建了10 GHz以上信道模型，在降雨区域具有较高预测精度。

在机器学习方法方面，[23][24]引入LSTM网络进行降雨衰减预测，展现了深度学习在信道建模中的潜力。

在阴影衰落研究中，[27]分析了遮挡物材料与结构对信号的影响，[30][31]对26 GHz和40 GHz频段进行了测量与仿真分析。

在多普勒效应、多径传播及电离层闪烁方面，[32][33]详细分析了LEO卫星多普勒特性，[34]提出NTN多普勒估计方法，[35]利用随机几何分析多普勒分布，[36][37]结合地图估计和CNN方法提升多普勒预测精度。[38]提出适用于LEO的电离层闪烁模型，[39]则分析了UHF频段多径效应。

尽管现有研究涵盖信道建模、传播损耗、阴影效应、多普勒及多径传播等多个方面，但在模型适用性、完整性及跨领域融合方面仍存在不足。

---

表1 标准对比

标准组织	标准名称	特点	局限性
ITU	ITU-R P.618	支持大气吸收、降雨/云雾衰减、闪烁等	仅适用于城市环境，仅考虑阴影概率
	ITU-R P.2108	地形损耗计算	支持城乡环境，考虑植被与建筑遮挡
	ITU-R P.681	LMS宽带/窄带信道模型	—
3GPP	TR 38.811	包含路径损耗、雨衰、多普勒等	覆盖较全面但仍存在简化
	TR 38.821	NTN仿真参数配置	—
ETSI	DVB-S2	调制、编码、物理层设计	仅适用于低频，未考虑高移动性
	DVB-S2X	低信噪比优化	仅针对AWGN信道

从表中可以看出，现有模型普遍只考虑部分链路损耗，缺乏对天地全链路的综合建模。

---

A. 卫星频段划分

卫星通信频段通常根据频率范围划分，不同频段对应不同应用场景，如表2所示：

表2 卫星频段划分与应用

频段	频率范围	应用场景
UHF	300 MHz – 3 GHz	航空、海事、军事通信
L	1 – 2 GHz	GPS、卫星电话
S	2 – 4 GHz	雷达、气象
C	4 – 7 GHz	卫星电视
X	7 – 12 GHz	军事、科研
Ku	12 – 18 GHz	广播与通信
Ka	26.5 – 40 GHz	宽带互联网
Q	33 – 50 GHz	高速数据传输
Q/V	37.5 – 52.4 GHz	超高频卫星链路
V	50 – 75 GHz	科研及通信应用