🛰️ 5G NR NTN 信道建模仿真平台

面向 LEO/GEO 卫星通信的完整时变信道仿真解决方案  

📌 为什么选择本仿真平台？

🎯 核心价值

⚡ 技术亮点

🌊 NTN 信道建模技术栈

┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                         NTN 信道仿真信号流                              │
├────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                        │
│  卫星轨道 ──► [几何计算] ──► [大尺度衰落] ──► [小尺度衰落] ──► [MIMO]   │
│   LEO/GEO    仰角/斜距/多普勒   FSPL+大气     LMS/TDL       信道矩阵    │
│                  │                │               │                    │
│                  ▼                ▼               ▼                    │
│            时变参数链        路径损耗 L(t)    衰落系数 h(t)             │
│                                                                        │
│  核心模块:                                                             │
│    轨道动力学 | P.676 气体 | P.681 LMS | TR 38.811 NTN-TDL | MIMO Gen  │
└────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

📊 支持场景 (仿真实测)

💡 核心优势：完整覆盖 LEO/GEO 轨道 + S/Ka 频段，一套代码模拟所有 NTN 场景！

🖥️ 运行环境

最低要求

🧠 核心算法

从轨道到信道：完整建模链路

模块化架构：每个物理效应独立建模，可单独验证。

graph TD
    A[卫星轨道] --> B[几何计算]
    B --> C[仰角 θ]
    B --> D[斜距 d]
    B --> E[多普勒 f_d]
    C --> F[大尺度衰落]
    D --> F
    E --> G[小尺度衰落]
    F --> H[FSPL]
    F --> I[气体吸收 P.676]
    F --> J[雨衰 P.618]
    F --> K[阴影衰落]
    G --> L[LMS P.681]
    G --> M[NTN-TDL]
    H & I & J & K --> N[总路径损耗]
    L & M --> O[衰落系数]
    N & O --> P[MIMO 信道矩阵 H]

核心公式速览

自由空间路径损耗 (FSPL)：

$$ L {\text{FSPL}} = 32.45 + 20\log{10}(d {\text{km}}) + 20\log{10}(f_{\text{GHz}}) \quad [\text{dB}] $$

ITU-R P.676 气体吸收 (22.235 GHz 水蒸气峰)：

$$ \gamma = \gamma o + \gammaw \quad [\text{dB/km}] $$

Loo 分布 (LMS 信道)：

$$ r(t) = 10^{m(t)/20} \cdot e^{j\phi} + w(t), \quad m(t) \sim \mathcal{N}(\mu, \sigma^2) $$

多普勒频移：

$$ f d = \frac{fc}{c} \cdot \mathbf{v}_{\text{rel}} \cdot \hat{\mathbf{d}} $$

📁 项目结构

NTN_Channel_Modeling/
├── 📂 config/                      # 配置模块
│   ├── satellite_params.m          #   🛰️ 卫星轨道参数 (LEO-600/1200, GEO)
│   ├── channel_params.m            #   📡 信道模型参数 (S/Ka-band)
│   ├── simulation_params.m         #   ⚙️ 仿真控制参数
│   ├── itu_p681_params.m           #   📘 ITU-R P.681-11 LMS 参数
│   └── tr38811_tdl_params.m        #   📗 3GPP TR 38.811 NTN-TDL 参数
│
├── 📂 core/                        # 核心算法库
│   ├── 📂 geometry/                #   几何计算模块
│   │   ├── SatelliteOrbit.m        #     🌍 卫星轨道动力学 (Toolbox 封装)
│   │   ├── AnalyticalGeometry.m    #     📐 解析几何 (无依赖备选)
│   │   ├── GeometryCalculator.m    #     📊 几何参数计算器
│   │   ├── CoordinateTransform.m   #     🔄 坐标变换 (ECEF/LLA)
│   │   └── TraceGenerator.m        #     📈 轨迹生成器
│   │
│   ├── 📂 large_scale/             #   大尺度衰落模块
│   │   ├── PathLossModel.m         #     📉 路径损耗 (FSPL + P.676 + 雨衰)
│   │   ├── ShadowingModel.m        #     🌫️ 阴影衰落
│   │   └── ScintillationModel.m    #     ✨ 闪烁效应
│   │
│   ├── 📂 small_scale/             #   小尺度衰落模块
│   │   ├── LMSChannel.m            #     🔀 LMS 信道 (P.681-11 两/三状态)
│   │   ├── NTN_TDL.m               #     📶 NTN-TDL 信道 (TR 38.811)
│   │   └── MIMOChannelGen.m        #     🎯 MIMO 信道矩阵生成
│   │
│   └── NTNChannelSimulator.m       #   🚀 主仿真器
│
├── 📂 gui/                         # 图形界面
│   └── NTNChannelGUI.m             #   🖥️ 交互式仿真 GUI
│
├── 📂 tests/                       # 单元测试 (18/18 通过 ✓)
│   ├── test_geometry.m             #   几何模块测试
│   ├── test_large_scale.m          #   大尺度衰落测试
│   ├── test_small_scale.m          #   小尺度衰落测试
│   └── run_all_tests.m             #   一键运行所有测试
│
├── 📂 docs/                        # 文档
│   ├── 算法文档.md                  #   📘 数学原理详述 (含完整推导)
│   └── 项目文档.md                  #   📗 本文档
│
├── demo_ntn_channel.m              #   ✨ 演示脚本
├── demo_doppler_scurve.m           #   📈 多普勒 S 曲线可视化
└── README.md                       #   项目说明

代码统计：

• 📝 100% 中文详细注释，专门针对代码售卖优化
• 🔧 模块化设计：每个模块独立，互不依赖
• 🧪 18/18 测试通过： run_all_tests 一键验证
• 🖥️ GUI 可视化：交互式参数配置与仿真

🎬 仿真演示

1. 一键仿真 ( demo_ntn_channel.m)

>> demo_ntn_channel

输出: LEO 卫星过顶期间的完整信道特性曲线。

2. 多普勒 S 曲线 ( demo_doppler_scurve.m)

>> demo_doppler_scurve

看点: 直观展示 LEO 卫星接近→过顶→远离的多普勒频移变化。

3. GUI 交互仿真

>> NTNChannelGUI.launch()

功能:

• 🛰️ 选择轨道类型 (LEO-600/1200, GEO)
• 📡 配置频段 (S-band, Ka-band)
• 🌆 设置环境 (Urban, Suburban, Rural)
• 📊 实时查看仿真结果

🔬 深入对比：LMS vs NTN-TDL

🏆 建议：窄带系统用 LMS，5G NR 宽带系统用 NTN-TDL！

✅ 标准合规性

🛒 获取方式

本文代码仅为核心片段，完整版工程已整理好。 关注公众号 【 3GPP仿真实验室】进行获取。

包含：

• ✅ 完整源代码 (100% 可运行)
• ✅ 详尽的中文注释
• ✅ 算法原理文档 (含数学推导)
• ✅ 18/18 单元测试
• ✅ GUI 可视化工具
• ✅ 技术支持

📚 参考文献

核心标准

1. 3GPP TR 38.811 V15.4.0 (2020): "Study on NR to support non-terrestrial networks."
2. ITU-R P.676-13 (2022): "Attenuation by atmospheric gases."
3. ITU-R P.681-11 (2023): "Propagation data for LMSS design."
4. ITU-R P.618-14 (2023): "Propagation data for Earth-space systems."

学术论文

1. Loo, C. (1985): "A statistical model for a land mobile satellite link." IEEE TVT.
2. Fontan, F. P., et al. (2001): "Statistical modeling of the LMS channel." IEEE TVT.
3. Pérez-Fontán, F. (2008): Modeling the Wireless Propagation Channel. Wiley.