相鄰衛(wèi)星間干擾計算及協(xié)調(diào)方法

賈玉仙

（中國衛(wèi)通集團有限公司，北京 100094）

1 引言

當(dāng)兩個頻率相同、覆蓋區(qū)重疊的衛(wèi)星軌道間隔較近時，兩個衛(wèi)星上工作的網(wǎng)絡(luò)之間將會產(chǎn)生相互干擾，簡稱鄰星干擾。雙方網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星運營商（操作者）需要根據(jù)無線電規(guī)則的相關(guān)條款及建議進行干擾計算，并進行協(xié)調(diào)談判。協(xié)調(diào)談判的策略制定，跟雙方之間的地位優(yōu)先權(quán)有很大關(guān)系。通常而言，較早到國際電聯(lián)登記的網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)先地位，可要求地位落后的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)采取有效措施消除干擾后再行使用。協(xié)調(diào)地位的判定比較復(fù)雜，需要對兩個網(wǎng)絡(luò)登記的每個參數(shù)進行分析，包括轉(zhuǎn)發(fā)器頻率計劃、業(yè)務(wù)性質(zhì)、覆蓋區(qū)域、地面天線大小等。在協(xié)調(diào)過程中，干擾的計算分析是協(xié)調(diào)談判的基礎(chǔ)技術(shù)依據(jù)。

頻率協(xié)調(diào)是衛(wèi)星運營商的日常重要工作之一，通常都配備專業(yè)的頻率協(xié)調(diào)團隊，與周邊有潛在干擾的相鄰衛(wèi)星操作者進行長期艱苦的干擾分析與協(xié)調(diào)談判工作。然而，不僅頻率協(xié)調(diào)人員應(yīng)該具有熟練的干擾計算與分析能力，作為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)管理人員、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計人員，也應(yīng)掌握一定的鄰星干擾的機理以及計算分析方法，以能夠與網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、鏈路計算、業(yè)務(wù)管理融會貫通，起到有效的相互參考與指導(dǎo)作用。本文將介紹鄰星干擾的計算與協(xié)調(diào)方法。

2 干擾計算方法及分析

鄰星干擾示意圖如圖1所示。圖中，本衛(wèi)星用A表示，相鄰衛(wèi)星用B表示，實線部分為本星與鄰星系統(tǒng)自身的通信鏈路，虛線部分為鄰星系統(tǒng)對本星系統(tǒng)的干擾鏈路。鄰星干擾分上行干擾和下行干擾，上行干擾是鄰星系統(tǒng)中地球站發(fā)射的信號通過天線旁瓣泄露到本衛(wèi)星形成的干擾，下行干擾是相鄰衛(wèi)星發(fā)射的信號通過本星系統(tǒng)中接收天線的旁瓣形成的干擾。

圖1 鄰星干擾示意圖

根據(jù)無線電規(guī)則附錄8，當(dāng)鄰星干擾信號對本星接收系統(tǒng)引起的衛(wèi)星鏈路等效噪聲溫度視在增量超過6%時，則需要進行協(xié)調(diào)，反之被視為無有害干擾而無需協(xié)調(diào)。因而6%的門限通常被作為完成協(xié)調(diào)的初始目標(biāo)，也作為兩個網(wǎng)絡(luò)是否存在干擾的判定標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)用i表示干擾信號對本衛(wèi)星系統(tǒng)引起的衛(wèi)星鏈路等效噪聲溫度（真值），n表示本衛(wèi)星鏈路自身的等效噪聲溫度（真值）時，上述協(xié)調(diào)要求則表達為：

當(dāng)以分貝形式（用大寫字母表示）表達時，則為：

在頻率協(xié)調(diào)與鏈路計算中，通常用載波功率與干擾功率之比（簡稱載干比）來表示干擾信號對工作信號的影響程度。對載干比的要求則與鏈路自身的載噪比（載波功率與等效噪聲溫度之比）門限相關(guān)，則式（2）可轉(zhuǎn)換為式（3）：

式（3）中的要求是針對鏈路總系統(tǒng)，其參考點是在一條衛(wèi)星鏈路中接收地球站。當(dāng)兩個衛(wèi)星的上行頻率和下行頻率都重疊時，通常對上、下行鏈路的干擾分別計算。為了滿足總鏈路的上述要求，通常采用上、下行鏈路載干比門限比系統(tǒng)要求分別增加3 dB的方法，則為：

式中，C/Iup.th為上行鏈路載干比門限（dB）；C/Idn.th為下行鏈路載干比門限（dB）；C/Nth為系統(tǒng)鏈路載噪比門限（dB）。系統(tǒng)C/Nth取決于載波帶寬、傳輸體制和接收設(shè)備性能，由式（6）得出。

式中，Eb/N0為設(shè)備解調(diào)門限，為每比特信號能量與每赫茲噪聲功率之比（dB）；Rs為載波信息速率（dBHz）；BWo為載波占用帶寬（dBHz）；M為系統(tǒng)要求余量（dB）。

在一個衛(wèi)星上，通常會有很多種類的載波，當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)在國際電聯(lián)登記時，為了確保網(wǎng)絡(luò)使用的靈活性，會申報各種不同類型的載波。但在實際頻率協(xié)調(diào)中，通常會選其中幾個典型載波類型進行干擾計算。當(dāng)載波類型選定后，C/Nth的值則可確定，載干比門限相應(yīng)確定。

以下依據(jù)該載干比門限要求分別對上行鏈路和下行鏈路的干擾進行分析。

2.1 上行鏈路干擾計算及協(xié)調(diào)方法

上行鏈路的干擾計算通常采用如下流程。當(dāng)本衛(wèi)星系統(tǒng)的某上行站發(fā)射一個載波時，在衛(wèi)星接收天線輸出端產(chǎn)生的載波功率與等效噪聲溫度之比（C/Tup）為：

式中，Pet為地球站功放發(fā)射功率（含饋線損耗，dBW）；Get為天線發(fā)射增益（dBi）；Lu為上行路徑損耗（dB）；G/Ts為衛(wèi)星接收品質(zhì)因數(shù)（dB/K）。

當(dāng)相鄰衛(wèi)星系統(tǒng)頻率相同的某上行站對其衛(wèi)星發(fā)射一載波時，由于發(fā)射天線的旁瓣泄漏，到達本衛(wèi)星接收天線輸出端產(chǎn)生的干擾載波功率與等效噪聲溫度之比（I/Tup）為：

式中，Pet'為干擾地球站功放發(fā)射功率（含饋線損耗，dBW）；Gфt'為干擾地球站天線在本衛(wèi)星方向的偏軸發(fā)射增益（dBi）；Lu'為干擾地球站到本衛(wèi)星的上行路徑損耗（dB）；G/Ts'為本衛(wèi)星在干擾地球站方向的接收品質(zhì)因數(shù)（dB/K）。

上行鏈路載干比C/Iup則為C/Tup與I/Tup之差，結(jié)果為：

式（9）中假定本星系統(tǒng)地球站與鄰星系統(tǒng)的地球站到達本星的距離以及路徑損耗相當(dāng)。

在實際業(yè)務(wù)中，兩個衛(wèi)星的載波帶寬通常都不同，當(dāng)干擾載波帶寬大于工作載波時，干擾載波的功率只會有部分能量對本星載波造成干擾，此時，上行載干比則需在式（9）的基礎(chǔ)上相應(yīng)減少兩個載波的帶寬比例，該比例被稱為帶寬因子，如式（10）所示。當(dāng)干擾載波帶寬小于工作載波時，則有可能會有其他的載波頻率落到本星工作載波頻率內(nèi)，而干擾到本星工作載波，假定其他載波的功率譜密度與已有干擾載波的功率譜密度相等而且頻率占滿時，最終載干比則需要在式（9）的基礎(chǔ)上增加兩個已知載波的比例，即為帶寬因子。同樣用式（10）可滿足此計算要求：

式中，BWo為工作載波帶寬（Hz）；BWo'為干擾載波帶寬（Hz）。

在實際轉(zhuǎn)發(fā)器業(yè)務(wù)頻率安排中，通常會有各種不同帶寬的載波分布在部分或全部轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)，同時由于兩個衛(wèi)星的載波頻率錯位，使得相互間的干擾變得比較復(fù)雜。在頻率協(xié)調(diào)中，通常會基于最壞情況，也是相對比較簡單的計算條件，假定兩個衛(wèi)星都分別以某一特定的功率譜密度布滿不同帶寬的載波，此時，兩個衛(wèi)星間的干擾則可以不用考慮載波實際帶寬與帶寬因子，而是以功率譜密度的概念進行計算，式（10）則轉(zhuǎn)換為式（11）：

式中，PDet為本星系統(tǒng)地球站功放發(fā)射的功率譜密度（含饋線損耗；dB(W/Hz)）；PDet'為鄰星系統(tǒng)地球站發(fā)射的功率譜密度（含饋線損耗，dB(W/Hz)）；EIRPDet為本星系統(tǒng)地球站發(fā)射的EIRP譜密度（dB(W/Hz)）；EIRPDфt'為鄰星系統(tǒng)地球站在本星方向發(fā)射的偏軸EIRP譜密度（dB(W/Hz)）。

該C/Iup的結(jié)果根據(jù)式（4）進行判定后，得出干擾余量Mup：

當(dāng)Mup≥0時，則被視為無有害干擾；當(dāng)Mup<0時，則認為會存在有害干擾。此時，通常的措施是要求EIRPDфt'加上Mup后得出對相鄰衛(wèi)星系統(tǒng)干擾地球站的限制值?？紤]到該EIRPDфt'的限制大小跟干擾地球站的地理位置有關(guān)（因為跟G/Ts'有關(guān)），所以限制條件通常表現(xiàn)為如下形式：

位于本星接收天線等值線圖-XdB圈上的干擾地球站在本星方向的偏軸EIRP譜密度不超過（EIRPDфt'+Mup）+X（dB(W/Hz)）

上述表達方式是頻率協(xié)調(diào)中常用的限制條件表達形式。相鄰衛(wèi)星的操作者實際應(yīng)用時需要應(yīng)用該限制條件反推干擾地球站的發(fā)射功率，此時需要計算干擾地球站天線的偏軸發(fā)射增益，該偏軸發(fā)射增益的計算需要依據(jù)無線電規(guī)則附錄8，或者建議580。這些規(guī)則和建議中，主瓣、第一旁瓣和遠旁瓣的偏軸增益計算公式都不同，需要根據(jù)天線尺寸、工作頻率、軌道間隔做具體計算。

從上述分析可以得出如下幾種消除上行干擾的措施：

⊙ 鄰星系統(tǒng)的發(fā)射地球站采取較大天線，此時其功放發(fā)射功率較小，從而EIRPDфt'較小。該措施只能在雙方友好協(xié)商的前提下，通過個別轉(zhuǎn)發(fā)器的業(yè)務(wù)安排來實現(xiàn)。例如，要求某轉(zhuǎn)發(fā)器傳輸電視載波，此時上行地球站天線會較大，從而避免對其他衛(wèi)星的干擾。

⊙ 鄰星系統(tǒng)中小口徑天線發(fā)射地球站位置設(shè)在本星接收天線某G/Ts等值線圈外，此時，干擾地球站的EIRPDфt'要求則可相應(yīng)放寬，扣除天線旁瓣增益后，功率譜密度與指向其自身系統(tǒng)衛(wèi)星的EIRP譜密度都相應(yīng)增加，則可保證其自身鏈路的正常通信。

⊙ 兩個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在覆蓋區(qū)重疊的區(qū)域工作的地球站最小天線口徑提出限制要求，選用大天線。

⊙ 在鄰星系統(tǒng)傳輸VSAT業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)器頻率上，本星安排飽和轉(zhuǎn)發(fā)器業(yè)務(wù)（如電視業(yè)務(wù)）。此時，即使鄰星系統(tǒng)中小口徑天線的發(fā)射站對本星造成上行干擾，但由于其帶寬較窄，同時位于覆蓋重疊區(qū)的小口徑干擾站的數(shù)量有限，對本星飽和轉(zhuǎn)發(fā)器業(yè)務(wù)的干擾則由于實際產(chǎn)生的干擾少而最終不會造成有害干擾。

2.2 下行鏈路干擾計算及協(xié)調(diào)方法

下行鏈路的干擾計算思路與上行鏈路類似。當(dāng)本星轉(zhuǎn)發(fā)器傳輸一個載波時，在接收地球站天線輸出端產(chǎn)生的載波功率Cdn為：

式中，EIRPs為載波衛(wèi)星EIRP（dBW）；Ld為下行路徑損耗（dB）；Ger為地球站接收增益（dB/K）。

當(dāng)鄰星轉(zhuǎn)發(fā)器傳輸一個與本星載波頻率相同的載波時，到達本衛(wèi)星系統(tǒng)地球站接收天線輸出端產(chǎn)生的干擾功率Idn為：

式中，EIRPS'為相鄰衛(wèi)星在本衛(wèi)星工作地球站方向的EIRP（dBW）；Gфr為本衛(wèi)星工作地球站天線在相鄰衛(wèi)星方向的偏軸接收增益（dBi）；Ld'為相鄰衛(wèi)星到本衛(wèi)星工作地球站的下行路徑損耗（dB），視為與Ld近似相等。

下行鏈路載干比C/Idn則為Cdn與Idn之差：

與上行鏈路的干擾計算類似，計算下行鏈路的干擾時，考慮到兩個衛(wèi)星上工作的載波帶寬的差異和不確定性，為簡化計算，通常也基于最壞情況，也是相對比較簡單的計算方法，即假定兩個衛(wèi)星上的載波都分別以某一功率譜密度布滿整個轉(zhuǎn)發(fā)器，此時，兩個衛(wèi)星間的下行干擾則可以用功率譜密度的概念進行計算，式（15）則變化為：

式中，EIRPDs為本衛(wèi)星在工作地球站方向的EIRP譜密度（dB(W/Hz)）；Ger為地球站主軸接收增益（dBi）；Gфr為本衛(wèi)星系統(tǒng)接收地球站天線在相鄰衛(wèi)星方向的偏軸接收增益（dBi）；EIRPDs為相鄰衛(wèi)星在本衛(wèi)星系統(tǒng)接收地球站方向的EIRP譜密度（dB(W/Hz)）。

該項C/Idn的結(jié)果根據(jù)式（5）進行判定后，得出干擾余量Mdn：

當(dāng)Mdn≥0時，則被視為無有害干擾；當(dāng)Mdn<0時，則認為會存在有害干擾需要協(xié)調(diào)。此時，通常的措施是要求干擾EIRPDs'的值加上Mdn后得出對相鄰衛(wèi)星的限制值。考慮到該EIRPDs'的大小跟本衛(wèi)星系統(tǒng)工作地球站的地理位置有關(guān)，所以限制條件通常表現(xiàn)為如下兩種形式：一種是相鄰衛(wèi)星在本衛(wèi)星系統(tǒng)工作區(qū)域的任何地方的EIRP譜密度都不超過（EIRPDs'+Mdn）dB或其他值；另一種是減去相鄰衛(wèi)星的天線方向圖后，相鄰衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率譜密度不超過相應(yīng)值。

從式（16）可以看出，對相鄰衛(wèi)星EIRPDs'的限制值與本衛(wèi)星工作地球站的天線尺寸有關(guān)（因為與Ger，Gфr有關(guān)），所以選擇接收站天線口徑成為是否可以達成協(xié)調(diào)的重要條件之一。在目前VSAT業(yè)務(wù)與廣播業(yè)務(wù)較多的狀況下，由于大量接收天線都是小口徑天線，所以頻率協(xié)調(diào)中通常會在規(guī)則許可范圍內(nèi)選擇較易受到干擾的小口徑天線類型進行協(xié)調(diào)，以保護其他口徑天線的業(yè)務(wù)。

從上述分析可以得出如下幾種消除下行干擾的措施：

⊙ 在兩衛(wèi)星覆蓋重疊區(qū)使用較大口徑的接收天線。

⊙ 在本衛(wèi)星傳輸飽和轉(zhuǎn)發(fā)器業(yè)務(wù)的頻率上，鄰星系統(tǒng)安排非飽和轉(zhuǎn)發(fā)器業(yè)務(wù)。此時本星轉(zhuǎn)發(fā)器飽和工作，下行EIRP較大，鄰星系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)器由于工作在多載波狀態(tài)而需要有一定功率回退而工作在線性區(qū)，此時轉(zhuǎn)發(fā)器整體下行EIRP減少，同時減小了對本星接收站的干擾。

從上述分析過程可以看出，頻率協(xié)調(diào)基于最壞情況也是簡單的分析方法，即轉(zhuǎn)發(fā)器上的功率均勻分布，在此基礎(chǔ)上雙方探討解決干擾的措施并最終達成協(xié)調(diào)。這就給實際業(yè)務(wù)的運行管理提出了要求，即轉(zhuǎn)發(fā)器業(yè)務(wù)運行管理時，也應(yīng)要求各載波在衛(wèi)星上占用的功率在總體功帶平衡的基礎(chǔ)上，功率譜密度也不應(yīng)超過平均值。否則當(dāng)某一個或多個載波功率譜密度過高時，將會打破與相鄰衛(wèi)星之間的協(xié)調(diào)結(jié)果，從而形成干擾。衛(wèi)星運營商通常會把該超量限制在3dB以內(nèi)。

2.3 其他

上述對上行鏈路和下行鏈路干擾的分析中，都基于國際電聯(lián)12.2 dB的保護要求。在實際頻率協(xié)調(diào)中，隨著衛(wèi)星的增多與軌位間隔的減小，協(xié)調(diào)難度越來越大，衛(wèi)星操作者通常會本著友好協(xié)商的態(tài)度根據(jù)實際情況適當(dāng)放松該條件，比如將6%的保護要求最多放松到20%，此時12.2 dB的要求則減小為7 dB。這樣使雙方能保證網(wǎng)絡(luò)基本兼容的前提下達成協(xié)調(diào)的可能性大大增加。

上述計算基于兩個網(wǎng)絡(luò)上行鏈路和下行鏈路頻率都重疊的情況，當(dāng)其中只有一個鏈路方向頻率重疊時，被干擾的單向鏈路中12.2 dB（或7 dB）的保護比則無需另外增加3 dB。

上述計算針對頻率完全相重疊的轉(zhuǎn)發(fā)器業(yè)務(wù)之間的干擾，對于純粹兩個載波間干擾的特殊情況，如一個遙測信號由于頻率重疊造成對一個工作載波的干擾，C/Idn的計算則完全使用式（15）進行計算，而無須考慮帶寬因子。畢竟C/I本質(zhì)上還是最終載波功率與干擾功率的比較。

3 計算示例

以下給出一個鄰星干擾計算及協(xié)調(diào)的示例。

假定兩個衛(wèi)星標(biāo)稱軌道間隔2.5°，軌位保持精度都為0.05°，上、下行頻率相同，覆蓋區(qū)大部分重疊，標(biāo)準(zhǔn)C頻段，上行頻率6 GHz，下行頻率4 GHz，兩個衛(wèi)星覆蓋區(qū)部分重疊。兩個衛(wèi)星都是VSAT業(yè)務(wù)，SCPC載波，C/Nth=8.47 dB。兩個系統(tǒng)中發(fā)射站與接收站天線口徑都為2.4米（基本為最壞情況）。

3.1 頂心角（ф）計算

頂心角指地球站到本星的連線和地球站到鄰星的連線之間的夾角，該角度用于計算干擾站的偏軸發(fā)射增益和工作地球站的偏軸接收增益。

考慮最壞情況時，假定兩個衛(wèi)星都位于軌道保持精度內(nèi)距離最近的位置，此時軌位最小間隔為2.4°。根據(jù)粗略的計算經(jīng)驗，頂心角ф大約為軌位間隔的1.1倍，即2.64°（精確計算時，頂心角則與地球站的位置有關(guān)系，詳見無限的規(guī)則附錄8）。

3.2 上行干擾計算

已知：

根據(jù)式（11）：

Mup<0，說明存在潛在有害干擾。

為了消除該干擾，可對鄰星上行發(fā)射提出如下限制要求：位于本星接收天線等值線圖-X dB圈上的干擾地球站在本星方向的偏軸EIRP譜密度不超過（EIRPDфt' +Mup）+X=-35.58+X（dB(W/Hz)）。

3.3 下行干擾計算

已知：

根據(jù)式（16）：

Mdn<0，說明存在潛在有害干擾。

為了消除該干擾，可對鄰星下行發(fā)射提出如下限制要求：相鄰衛(wèi)星在本衛(wèi)星系統(tǒng)工作區(qū)域的任何地方的EIRP譜密度都不超過（EIRPDs'+Mdn）=（-38.6-5.97）dB(W/Hz)。

從實際運行角度來看，讓任何一家操作者的衛(wèi)星功率不充分利用是不大現(xiàn)實的，需要雙方友好妥協(xié)。對于本例而言，如果雙方能夠?qū)⒈Ｗo門限由12.2 dB放寬到7 dB，余量則接近于0 dB，說明實際運行中基本不會產(chǎn)生下行有害干擾，雙方網(wǎng)絡(luò)基本可以共存。

4 結(jié)束語

頻率協(xié)調(diào)是一項長期艱苦的任務(wù)，不僅代表衛(wèi)星操作者的利益，也關(guān)乎國家之間的空間軌位權(quán)益。頻率協(xié)調(diào)與業(yè)務(wù)運行管理之間是相輔相成的關(guān)系。頻率協(xié)調(diào)的成敗不僅在于準(zhǔn)確的計算，更取決于制定正確的協(xié)調(diào)策略。而正確的協(xié)調(diào)策略制定，需要精通無線電規(guī)則以及準(zhǔn)確的干擾計算外，還需要充分了解實際業(yè)務(wù)及運行管理，并跟蹤衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展。而對于用戶業(yè)務(wù)管理而言，只有在了解頻率協(xié)調(diào)的內(nèi)涵和策略后，才能夠有效指導(dǎo)用戶網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和管理，使得衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的管理不拘泥于頻率協(xié)調(diào)即抽象又嚴(yán)格的協(xié)調(diào)結(jié)果，適度突破、靈活遵守，使得衛(wèi)星頻率資源真正能夠充分有效地利用。

頻率協(xié)調(diào)的目的不是協(xié)調(diào)本身，終極目的還是使頻率資源能夠充分、合理、盡早地利用起來。讓從事業(yè)務(wù)運行管理與網(wǎng)路設(shè)計的人員了解一些頻率協(xié)調(diào)與干擾計算的方法，這是本文的目的所在。