5G 非地面網路（NTN）的射頻介面與實體層傳播挑戰與驗證規範

通訊拓撲的異次元轉移

長久以來，全球無線通訊系統的根基建立在「公共陸地行動網路」（Public Land Mobile Network）的架構之上，其核心預設為網路基礎設施（基地台）為固定且靜止的實體。然而，隨著通訊與航太兩大生態系統的快速收斂，5G 非地面網路（Non-Terrestrial Networks, NTN）帶來了根本性的典範轉移。基地台不再受限於地面，而是被整合至低軌道（LEO）、中軌道（MEO）或地球同步軌道（GEO）衛星，甚至是高空載具（HAPS）中。

這種空間拓撲的劇變，徹底顛覆了傳統射頻（RF）與實體層（PHY）的運作常理。在 2026 年的今天，當設備製造商與系統整合商試圖將 5G 協定推向太空時，他們面對的不再是城市建築物引起的多徑衰落，而是極端空間幾何關係所引發的物理屏障。

國際測試規範為何走向極端嚴苛？

針對 NTN 網路的射頻與協定驗證，3GPP 與 IEEE 等國際標準組織在近年釋出的規範中（如 3GPP TS 38.101-5 針對使用者設備，以及 TS 38.108 針對衛星存取節點），設下了極度嚴格的測試閾值。其規範之所以日趨嚴苛，主要立基於以下三個系統性風險防範：

第一，跨國界干擾控制（Regional Requirements）。

衛星訊號的覆蓋範圍（Beam Footprint）動輒涵蓋數百至數千公里，其波束極容易跨越國界，覆蓋到未授權使用 NTN 頻段的地區。為了防止衛星訊號對地面既有 5G 頻段或軍用雷達頻段造成毀滅性干擾，標準規範嚴格限制了頻段外的不必要發射（Unwanted Emissions），並強制要求相鄰通道洩漏比（ACLR）與頻譜發射遮罩（SEM）必須達到極高的衰減標準。

第二，頻譜資源的珍缺與雙工模式變革。

NTN 主要運作於 FR1 頻段（如 S-band 與 L-band），以及逐漸擴展至 FR2 的毫米波（如 Ka-band）。由於太空中訊號傳遞的極長延遲，傳統分時雙工（TDD）系統若要切換收發狀態，必須設定極長且毫無傳輸效益的保護區間（Guard Period）。因此，3GPP 破天荒地在 FR2 的 NTN 規格中，強制採用分頻雙工（FDD）模式。這要求硬體架構必須具備極高的收發隔離度（Isolation），測試規範也針對接收機的互調失真（Intermodulation）與阻塞（Blocking）抗性提出了前所未有的考驗。

第三，極端微弱訊號的解調門檻。

在傳導測試型（1-H）與輻射測試型（1-O）的衛星設備驗證中，標準要求接收端在特定的固定參考通道（FRC）下，必須在極低的參考靈敏度（REFSENS，通常低於負 99 dBm 甚至負 110 dBm）環境中，維持百分之九十五以上的最大系統吞吐量。這意味著任何測試環節中的儀器本底雜訊（Noise Floor），都可能直接導致測試失敗，對測試系統的動態範圍要求達到了物理極限。

工程實務上的「三大技術難題」

在執行 NTN 射頻與實體層設計時，研發工程師面臨的是由極端空間運動學與大氣物理學所引發的三大挑戰：

難題一：極端空間運動學引發的巨幅都卜勒頻移與變化率 （Extreme Doppler Shift and Doppler Rate）

在地面網路中，都卜勒頻移通常僅由車輛或高鐵使用者的移動所引起，數值相對微小。但在 NTN 架構中，低軌衛星（LEO）以極高的軌道速度（例如海拔 600 公里處）運行，使得衛星與地面終端設備間產生了巨大的相對速度。這種運動不僅產生了巨大的載波頻率偏移（Carrier Frequency Offset），更致命的是，隨著衛星從地平線升起（Ingress）、達到天頂（Nadir）再到落下（Egress），這個頻率偏移並非定值，而是一個隨時間劇烈變化的斜率，我們稱之為「都卜勒變化率」。

如果用敘述的方式來理解物理學現象：都卜勒頻移的量值，與載波頻率及衛星相對速度成正比，並受到衛星仰角的餘弦函數影響。在 30 GHz 的載波頻率下，都卜勒頻移可能高達正負 720 kHz，而其變化率可能達到每秒 8.1 kHz。這種極端的頻率漂移會直接破壞正交頻分多工（OFDM）系統中子載波的絕對正交性，導致嚴重的載波間干擾（Inter-Carrier Interference）。在實務上，工程師必須在使用者設備端強制整合全球導航衛星系統（GNSS）的定位資料與衛星星曆（Ephemeris），在發射前預先補償頻率。測試這項機制的難題在於，測試儀器必須能夠在極寬的頻寬內，模擬極度精準且連續變化的非線性頻率漂移，這對傳統訊號產生器的基頻處理器是極大的負荷。

難題二：龐大傳播延遲對協定層計時器的全面崩潰 （Extended RTT and MAC Layer Stalling）

電磁波在太空真空中傳遞雖然以光速進行，但面對動輒數百至數萬公里的軌道距離，來回傳播時間（Round-Trip Time, RTT）變得極為驚人。以地球同步軌道（GEO）為例，單向延遲可達 270 毫秒，來回則超過半秒。更嚴重的是「差分延遲」（Differential Delay）：在同一個衛星波束覆蓋範圍內，位於波束中心（天頂角）的設備與位於波束邊緣的設備，其物理距離差距極大，導致同一個波束內的各個設備訊號到達衛星的時間完全不一致。

這種延遲特性會直接讓 5G 實體層與媒體存取控制（MAC）層的運作崩潰。首當其衝的是混合自動重傳請求（HARQ）機制。HARQ 本質上是一種「停等」（Stop-and-Wait）的確認機制。在傳統 5G 網路中，最多 16 個 HARQ 進程已足夠掩蓋處理延遲；但在 NTN 中，由於等待確認信號（ACK/NACK）的時間過長，傳送端會陷入無數據可傳的「停滯」（Stall）狀態。標準被迫允許將 HARQ 進程擴展至 32 個，甚至允許直接「關閉 HARQ 回饋」並依賴盲目重傳或較高層的無線電鏈路控制（RLC）層來確保可靠性。此外，隨機存取（RACH）程序中的前導碼（Preamble）接收時間窗也必須大幅延長，否則會出現時間窗漂移的嚴重非同步問題。工程師在實驗室中，極難建立一個能夠同時模擬多個設備、具備不同且動態變化的差分延遲，同時還要監控 MAC 層緩衝區溢位狀態的綜合測試環境。

難題三：鏈路預算極限與電離層法拉第旋轉 （Link Budget Exhaustion and Faraday Rotation）

要克服數百公里自由空間的路徑損耗（FSPL），NTN 系統的鏈路預算（Link Budget）處於極度緊繃的狀態。在 LEO 軌道下，路徑損耗往往超過 160 dB，GEO 軌道更逼近 190 dB。這迫使衛星與地面終端高度仰賴大型陣列天線進行波束賦形（Beamforming），並追求極致的接收系統「天線增益與雜訊溫度比」（G/T Ratio）。

然而，當高指向性的射頻波束穿透地球大氣層上方的「電離層」時，電磁波會與地球磁場及自由電子產生交互作用。這種物理現象會使得電磁波的極化平面（Polarization Plane）發生旋轉，學界稱之為「法拉第旋轉」（Faraday Rotation）。法拉第旋轉的旋轉角度與載波頻率的平方成反比。對於依賴線性極化（垂直或水平極化）的傳統天線而言，這種無法預測的旋轉會導致發射端與接收端天線產生極化失配（Polarization Mismatch），在最糟的情況下可能造成接收功率瞬間衰減超過 3 dB，直接導致連線中斷。

為了解決這個痛點，NTN 系統多半被迫改用「圓極化」（Circular Polarization，包含左旋 LHCP 與右旋 RHCP）。但是，開發具備圓極化追蹤與補償能力的主動式相位陣列天線，其硬體設計難度極高。在實務驗證中，工程師必須在無響室（OTA Chamber）內，精準量測天線的交叉極化率（Cross-Polarization Ratio），且測量用的儀器本底雜訊必須遠低於 DUT（待測物）所能接收到的微弱微波訊號，這對測試設備的接收機架構與降噪技術提出了幾近嚴苛的物理挑戰。

面對上述 5G NTN 發展過程中最嚴苛的動態都卜勒頻移、超長且變動的差分延遲，以及微弱訊號極化失配等物理層與協定層難題，Rohde & Schwarz (R&S) 推出了一系列專為航太通訊與頂級射頻研發量身打造的測試解決方案，協助工程師突破空間距離的限制。

R&S®CMX500 無線通訊測試儀 (Radio Communication Tester)

R&S®CMX500 是一款全方位的 5G NR 網路模擬與信令測試平台，是驗證 NTN 複雜協定層機制的首選核心設備。針對衛星通訊的特殊挑戰，具備以下關鍵能力：

• 動態時空通道模擬： 內建強大的處理器架構，能夠即時模擬 LEO/MEO 衛星軌道運行帶來的巨大且連續變化的都卜勒頻移與超長來回時間延遲（RTT），完美驗證 UE 端是否能正確讀取星曆資料並執行頻率與時間預補償。

• 全面覆蓋 3GPP 協定驗證： 原生支援 3GPP TS 38.523-1 規範中的協定一致性測試，並可深度測試 MAC 層的 HARQ 擴展機制（如 32 個 HARQ 進程或 HARQ Disable 情境）以及各類長延遲下的計時器運作狀態。

• 端對端（E2E）效能評估： 支援高達 20 Gbps 的 IP 數據吞吐量測試，工程師可在 R&S®CMsquares 統一的網頁介面中，直接觀察在 NTN 惡劣通道環境下，封包遺失率與系統吞吐量的真實表現。

R&S®FSWX 訊號與頻譜分析儀 (Signal and Spectrum Analyzer)

在分析衛星酬載、功率放大器或高指向性相位陣列天線的射頻特性時，面臨最大的問題在於如何量測被深埋在雜訊中的微弱失真訊號。R&S®FSWX 為此提供了革命性的突破：

• 雙路徑硬體互相關技術 (Cross-Correlation)： 獨特的雙路徑架構透過互相關演算法，能將儀器自身的內部熱雜訊徹底消除。在測試微弱的衛星下行訊號時，可將底噪逼近物理熱極限的 -174 dBm/Hz，讓傳統頻譜分析儀無法看見的極微小混疊（Spur）無所遁形。

• 極致的 EVM 分析能力： 對於寬頻調變訊號，FSWX 展現了業界頂級的殘餘錯誤向量幅度 (EVM)。以 28 GHz 的 5G NR 100 MHz 訊號為例，其殘餘 EVM 可低至 -49 dB。這使其成為驗證 NTN 設備是否符合嚴格 3GPP 發射器標準的終極武器。

R&S®SMW200A 向量訊號產生器 (Vector Signal Generator)

要在實驗室內重現跨越電離層的複雜衰落與法拉第旋轉效應，需要一台性能強悍的訊號源，R&S®SMW200A 是應對此需求的頂級選擇：

• 內建複雜衰落模擬： 可直接於儀器內部產生 5G NR 訊號，並疊加即時的動態衰落（Fading）模型，完美模擬訊號穿透大氣層與電離層時遭遇的振幅與相位變異。

• 極高頻寬與純淨的相位雜訊： 提供無與倫比的訊號純淨度（超低相位雜訊選配），確保產生的測試訊號不會因儀器本身的抖動而影響接收機參考靈敏度（REFSENS）的測試準確性。單一設備即可覆蓋傳統 FR1 及未來 NTN 發展所需的微波頻段。