我國Ka頻段衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)系統(tǒng)間干擾特性分析研究

韓銳 石會(huì)鵬 李偉 劉珊杉 梁驍

(1. 國家無線電監(jiān)測中心,北京 100037;2. 國家無線電監(jiān)測中心哈爾濱監(jiān)測站,哈爾濱 150010)

引 言

近年來,隨著衛(wèi)星通信事業(yè)的迅速發(fā)展,傳統(tǒng)的對地靜止衛(wèi)星軌道(Geostationary Satellite Orbit, GSO)系統(tǒng)由于軌道高、傳輸路徑長、信號時(shí)延和衰減都非常大等缺點(diǎn), 已不能滿足市場對高速率數(shù)據(jù)應(yīng)用的需求.中低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)成為未來衛(wèi)星通信發(fā)展的主要方向,利用非對地靜止衛(wèi)星軌道(Non-Geostationary Satellite Orbit, NGSO)衛(wèi)星組網(wǎng)完成新的通信功能[1],如衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)和大容量通信.

2015年,在谷歌(Google)等互聯(lián)網(wǎng)巨頭的推動(dòng)和支持下,一網(wǎng)公司(OneWeb)、太空探索公司(SpaceX)、三星(Samsung)、低軌衛(wèi)星公司(Leosat)等多家企業(yè)提出打造由低軌衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座,為全球提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù),在短期內(nèi)迅速聚集人氣,引發(fā)全球強(qiáng)烈關(guān)注.由于Ka頻段具有可用頻率資源豐富、受電離層干擾小、易于實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用、用戶終端小等特點(diǎn),上述低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)幾乎都選擇Ka頻段作為業(yè)務(wù)頻段[2].

與GSO系統(tǒng)不同,NGSO系統(tǒng),尤其是低軌衛(wèi)星系統(tǒng),由于其時(shí)變特性,衛(wèi)星在空間的實(shí)時(shí)位置與運(yùn)行的軌道、任務(wù)要求以及初始狀態(tài)密切相關(guān),并且動(dòng)態(tài)變化[3],因此與共享Ka頻段的GSO系統(tǒng)的干擾關(guān)系也隨時(shí)間而變化,主要是隨干擾源及被干擾對象相對位置的變化而變化,這就需要從時(shí)間統(tǒng)計(jì)和功率水平兩個(gè)維度來定義干擾標(biāo)準(zhǔn),衡量干擾程度.這些特點(diǎn)決定了NGSO系統(tǒng)與GSO系統(tǒng)在頻率兼容性評估方法上的復(fù)雜性,需要通過計(jì)算機(jī)仿真等方法進(jìn)行分析[4].

Ka頻段衛(wèi)星通信已成為衛(wèi)星通信發(fā)展的主要目標(biāo)之一,特別是面臨全球信息高速公路的進(jìn)一步發(fā)展,Ka頻段在大容量傳輸方面更有優(yōu)勢[5].為了高效合理地利用Ka頻段資源,滿足我國寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展需要,本文從我國申報(bào)的Ka頻段衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料入手,首次針對我國Ka頻段衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)NGSO系統(tǒng)與GSO系統(tǒng)的干擾問題開展研究,重點(diǎn)關(guān)注饋線鏈路與用戶鏈路的干擾場景,通過理論分析與計(jì)算機(jī)仿真等手段,評估干擾水平,為兩系統(tǒng)間在Ka頻段的系統(tǒng)級兼容性分析提供理論依據(jù).

1 Ka頻段衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)頻率劃分及 操作限值

1.1 頻率劃分

根據(jù)國際電聯(lián)《無線電規(guī)則》[6]第五條頻率劃分中的規(guī)定,對17.3～31 GHz的Ka頻段進(jìn)行了使用劃分,根據(jù)使用條件可以將上述頻段大致分為5類:

1)可用于衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)的高密度應(yīng)用的頻段:根據(jù)《無線電規(guī)則》5.516B腳注,在Ka頻段為全球劃分了29.46～30 GHz/19.7～20.2 GHz上下行各約500 MHz帶寬,用于支持衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)的高密度應(yīng)用.

2)同時(shí)劃分給固定業(yè)務(wù)的頻段:在Ka頻段,大多數(shù)衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)都與固定業(yè)務(wù)有同等地位,尤其是27.5～28.6 GHz/17.7～18.8 GHz頻段,許多國家在此頻段提供本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)(Local Multipoint Distribution Services, LMDS).

3)GSO系統(tǒng)與NGSO系統(tǒng)具有同等地位的頻段:在1997年召開的世界無線電通信大會(huì)(WRC-97)上,對《無線電規(guī)則》進(jìn)行了修訂,引入了22.2條款,即NGSO系統(tǒng)使用衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)、衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)劃分的頻段時(shí)不得對使用GSO系統(tǒng)的衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)、衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)系統(tǒng)造成不可接受的干擾,亦不得尋求GSO對NGSO的保護(hù).但是在18.8～19.3 GHz/28.6～29.1 GHz頻段,以及允許衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)的NGSO系統(tǒng)的饋線鏈路頻段19.3～19.7 GHz/29.1～29.5 GHz,對1995年11月18日之后投入使用的GSO系統(tǒng)不再提供保護(hù),而是按《無線電規(guī)則》第9.11A條款進(jìn)行協(xié)調(diào)(即先登先占),即22.2條款不再適用.

4)具有等效功率通量密度(equivalent power flux-density, epfd)限值的頻段:epfd限值最初由SkyBridge在WRC-97上引入,目的是為了與GSO系統(tǒng)更好地共用Ku頻段,但是在2000年召開的世界無線電通信大會(huì)(WRC-2000)之后,《無線電規(guī)則》同時(shí)對部分C、Ku以及Ka頻段提出了保護(hù)GSO系統(tǒng)的epfd限值.

5)軍用頻段:盡管在《無線電規(guī)則》中并沒有定義與劃分軍用頻段,但軍事通信衛(wèi)星一般使用Ka頻段中的20.2～21.2 GHz/30～31 GHz.

1.2 操作限值

《無線電規(guī)則》雖然為衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)劃分了上下行各3.5 GHz的頻率資源,但是NGSO系統(tǒng)使用這些頻率資源卻有諸多限制.在Ka頻段劃分給衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)的頻率資源中,除18.8～19.3 GHz/28.6～29.1 GHz頻段和允許衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)的NGSO系統(tǒng)將19.3～19.7 GHz/29.1～29.5 GHz作為饋線鏈路使用的頻段,其余頻段NGSO系統(tǒng)的地位始終低于GSO系統(tǒng),無論申報(bào)資料時(shí)間早晚,包括未來不斷申報(bào)的GSO衛(wèi)星系統(tǒng).

對于衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)中的NGSO系統(tǒng),《無線電規(guī)則》第22條規(guī)定了其上下行的epfd限值,其中與Ka頻段相關(guān)的限值要求與相應(yīng)時(shí)間百分比如圖1所示.

圖1 19.7～20.2 GHz NGSO系統(tǒng)下行epfd限值

2 系統(tǒng)模型研究

2.1 干擾場景研究

本文關(guān)注我國NGSO系統(tǒng)對GSO系統(tǒng)在同頻使用Ka頻段衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)時(shí)的干擾情況.針對GSO系統(tǒng),通過國際電聯(lián)在線數(shù)據(jù)庫[7],選擇定位于110.5°E,啟用SINOSAT-5衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料的衛(wèi)星作為研究對象,這將是我國第一顆Ka頻段寬帶通信衛(wèi)星;針對NGSO系統(tǒng),由于我國還未有以Ka頻段作為業(yè)務(wù)頻段的衛(wèi)星星座,因此衛(wèi)星星座參數(shù)參考我國FORTRAN衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料.

NGSO星座系統(tǒng)對GSO系統(tǒng)的干擾場景可以分為用戶鏈路干擾場景與饋線鏈路干擾場景,分別如圖2與圖3所示.

圖2 NGSO星座系統(tǒng)對GSO系統(tǒng)用戶鏈路干擾場景

在用戶鏈路干擾場景中,NGSO系統(tǒng)衛(wèi)星與NGSO用戶通過上下行用戶鏈路進(jìn)行通信.當(dāng)GSO系統(tǒng)使用同頻的上下行用戶鏈路與GSO用戶進(jìn)行通信時(shí),GSO系統(tǒng)用戶上行鏈路中的GSO衛(wèi)星接收會(huì)受到來自NGSO用戶的上行干擾.同樣地,GSO系統(tǒng)用戶下行鏈路中的GSO用戶接收會(huì)受到來自NGSO衛(wèi)星的下行干擾.

圖3 NGSO星座系統(tǒng)對GSO系統(tǒng)饋線鏈路干擾場景

在饋線鏈路干擾場景中,NGSO系統(tǒng)衛(wèi)星與NGSO信關(guān)站通過上下行饋線鏈路進(jìn)行通信.當(dāng)GSO系統(tǒng)使用同頻的上下行饋線鏈路與GSO用戶進(jìn)行通信時(shí),GSO系統(tǒng)饋線上行鏈路中的GSO衛(wèi)星接收會(huì)受到來自NGSO信關(guān)站的上行干擾.同樣地,GSO系統(tǒng)饋線下行鏈路中的GSO信關(guān)站接收會(huì)受到來自NGSO衛(wèi)星的下行干擾.

2.2 傳播模型分析

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)間的干擾分析過程中,對通信信號傳播損耗的模擬與計(jì)算是干擾分析的重要基礎(chǔ),因此針對不同仿真場景選擇合適的傳播模型對仿真結(jié)果的合理性顯得尤為重要.國際電聯(lián)無線電通信部門(ITU-R)第三工作組(WG3)主要負(fù)責(zé)無線電通信傳播模型的研究,包括空對空、空對地、地對空、地對地通信的傳播鏈路.

結(jié)合2.1節(jié)的干擾場景研究,本文所有通信鏈路均為同向傳輸條件下的干擾場景,分為空對地、地對空兩種傳播方向,信號傳播路徑接近自由空間場景,考慮大氣衰減與雨衰的影響,因此選取ITU-R建議書P.525傳播模型[8]模擬仿真分析中的自由空間損耗,選取ITU-R建議書P.676[9]與P.618[10]分別模擬大氣與雨衰對通信鏈路的影響.假設(shè)自由空間傳輸損耗為L,則自由空間傳輸損耗可由式(1)計(jì)算:

(1)

式中:d為距離;λ為波長,并且d與λ使用相同的單位表達(dá).式(1)也可用頻率代替波長表達(dá),則式(1)轉(zhuǎn)換為

L=3.24+20lgf+20lgd.

(2)

式中:d為距離,km;f為頻率,MHz.

大氣損耗A可以表示為

A=γoho+γwhw.

(3)

式中:γo為路徑長度;ho為等效高度;γw為水汽衰減因子;hw表征水汽影響下的等效高度.

預(yù)計(jì)雨衰超過年均0.01%的時(shí)間表征為A0.01,則雨衰表達(dá)為

A0.01=γRLE

(4)

式中:γR是與頻率相關(guān)的特定衰減;LE為考慮降雨情況下的信號有效路徑長度.

2.3 保護(hù)限值計(jì)算方法

在對衛(wèi)星系統(tǒng)間進(jìn)行干擾評估時(shí),首先需要設(shè)立干擾保護(hù)準(zhǔn)則,用以判斷干擾系統(tǒng)對被干擾系統(tǒng)的影響是否超出了受擾系統(tǒng)能夠承受的門限值.在衛(wèi)星系統(tǒng)的保護(hù)限值計(jì)算中,通常使用的參數(shù)有衛(wèi)星或地球站發(fā)射功率P、天線增益G、噪聲溫度T、路徑損耗L等,以及由此計(jì)算出的載波干擾比C/I、干擾噪聲比I/N、等效功率通量密度epfd等.

對于衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)中的單入干擾,ITU-R建議書 S.741[9]給出了相關(guān)干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn),在被保護(hù)系統(tǒng)C/N的基礎(chǔ)上加上12.2 dB作為被保護(hù)系統(tǒng)的C/I限值.

為了評估NGSO星座系統(tǒng)對GSO系統(tǒng)的影響,引入epfd對這種影響進(jìn)行評估,其計(jì)算方式為

(5)

式中:Na為NGSO星座系統(tǒng)被GSO系統(tǒng)接收端可見的發(fā)射電臺個(gè)數(shù);i表示NGSO系統(tǒng)第i個(gè)發(fā)射電臺;Pi為NGSO系統(tǒng)第i個(gè)發(fā)射電臺的發(fā)射功率;Gt(θi)是NGSO系統(tǒng)第i個(gè)發(fā)射電臺朝向GSO系統(tǒng)接收電臺的天線增益,其中θi為發(fā)射電臺與接收電臺的離軸角;di代表NGSO系統(tǒng)第i個(gè)發(fā)射電臺與GSO系統(tǒng)接收電臺之間的距離;Gr(ψi)為GSO系統(tǒng)接收電臺朝向NGSO系統(tǒng)第i個(gè)發(fā)射電臺的天線增益,其中ψi為接收電臺與發(fā)射電臺的離軸角;Grimax是GSO系統(tǒng)接收電臺的最大天線增益.

3 干擾仿真及分析

在系統(tǒng)建模與仿真分析的軟件實(shí)現(xiàn)方面,主要

使用由英國TSL(Transfinite Systems CO. Ltd,TSL)公司開發(fā)的Visualyse Professional軟件[11].該軟件是國際電聯(lián)唯一指定的用于國際電聯(lián)通信標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證的商業(yè)軟件,其主研人員為國際電聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)制定小組的專家成員.軟件基于ITU-R系列標(biāo)準(zhǔn)及建議書,提供GSO系統(tǒng)的衛(wèi)星軌道建模以及NGSO系統(tǒng)的星座建模,擁有國際電聯(lián)推薦的傳播模型庫,并可模擬任意系統(tǒng)(點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)、復(fù)雜通信系統(tǒng))間在頻帶內(nèi)或頻帶外、極化、帶寬等因素引起的干擾,是對ITU-R所關(guān)注的干擾進(jìn)行分析的主流工具.

本研究考慮NGSO系統(tǒng)對GSO系統(tǒng)饋線鏈路與用戶鏈路上下行通信的干擾分析,具體仿真模塊化流程如圖4所示.

圖4 仿真模塊化流程

3.1 仿真參數(shù)選取

干擾分析過程中使用的SINOSAT-5與FORTRAN參數(shù)從國際電聯(lián)第2834期頻率信息通報(bào)(IFIC 2834)中獲取,其中SINOSAT-5定位于110.5°E,FORTRAN星座軌道高度1 040 km,衛(wèi)星總數(shù)156顆,軌道面數(shù)13,面間經(jīng)度差為15.384 6°,其余鏈路參數(shù)取值具體如表1.

表1 Ka頻段衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)

3.2 饋線與用戶鏈路場景建模

饋線鏈路上下行場景建模如圖5所示,其中,與SINOSAT-5通信的信關(guān)站有三個(gè),分別位于北京、都江堰與喀什,仿真假設(shè)在此三個(gè)信關(guān)站周圍都有NGSO星座系統(tǒng)的信關(guān)站與其衛(wèi)星星座通信,并分別距離北京、都江堰、喀什信關(guān)站1 、10、100 km.在SINOSAT-5衛(wèi)星與信關(guān)站進(jìn)行雙向通信時(shí),上行通信SINOSAT-5衛(wèi)星受到NGSO星座系統(tǒng)信關(guān)站的干擾,下行通信SINOSAT-5信關(guān)站受到NGSO星座系統(tǒng)衛(wèi)星的干擾.

圖5 FORTRAN對SINOSAT-5饋線鏈路干擾場景

用戶鏈路上下行場景建模如圖6所示,其中,假設(shè)與SINOSAT-5通信的GSO用戶站點(diǎn)有三個(gè),分別位于北京、都江堰與喀什,每個(gè)GSO用戶周圍都部署有NGSO星座系統(tǒng)用戶熱點(diǎn),考慮NGSO星座系統(tǒng)用戶波束有54個(gè),采用6色頻率復(fù)用方式,每段頻率最多支持9個(gè)用戶熱點(diǎn),因此以最大接入用戶熱點(diǎn)為建模場景,每個(gè)GSO用戶站點(diǎn)周圍部署9

個(gè)NGSO星座系統(tǒng)用戶熱點(diǎn),采用蒙特卡洛仿真方法,分別在半徑1 km,10 km,100 km的圓形區(qū)域隨機(jī)撒點(diǎn),研究波束內(nèi)同一段頻率對SINOSAT-5的同頻干擾.在SINOSAT-5衛(wèi)星與用戶進(jìn)行雙向通信時(shí),上行通信SINOSAT-5衛(wèi)星受到NGSO星座系統(tǒng)用戶的干擾,下行通信SINOSAT-5用戶受到NGSO星座系統(tǒng)衛(wèi)星的干擾.

圖6 FORTRAN對SINOSAT-5用戶鏈路干擾場景

3.3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)SINOSAT-5衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料,結(jié)合ITU-R建議書ITU-R S.741[12],SINOSAT-5的信干噪比門限值取C/I為27.2 dB,epfd門限值選取-162.0 dBW·m-2/4 kHz,采用《無線電規(guī)則》第22條中,100%情況下不受干擾的取值,仿真時(shí)長設(shè)定3個(gè)月,仿真間隔為10 s.

GSO系統(tǒng)三個(gè)不同站點(diǎn)在饋線鏈路和用戶鏈路上下行的仿真結(jié)果如表2所示.

表2 各鏈路上下行仿真結(jié)果

從以上結(jié)果可以看出,由于在饋線鏈路下行頻段,SINOSAT-5使用18.13 GHz頻段,NGSO星座系統(tǒng)使用20.7 GHz頻段,雙方衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不存在頻率重疊,因此SINOSAT-5饋線鏈路下行不會(huì)受到NGSO星座系統(tǒng)衛(wèi)星的干擾.對于饋線鏈路上行,在同頻使用情況下,NGSO星座系統(tǒng)沒有超出epfd限值,但是信干噪比在所有仿真時(shí)長內(nèi)都超出了限值范圍,最差情況來自緯度較低的都江堰信關(guān)站,與限值相比有將近46 dB的差異,SINOSAT-5饋線鏈路上行會(huì)受到NGSO星座系統(tǒng)信關(guān)站的嚴(yán)重干擾.對于用戶鏈路上下行,NGSO星座系統(tǒng)用戶在三個(gè)仿真地點(diǎn)對SINOSAT-5衛(wèi)星的信干噪比都維持在-59 dB左右,在所有的仿真時(shí)長內(nèi)遠(yuǎn)超門限值,因此SINOSAT-5衛(wèi)星用戶鏈路上下行受到NGSO星座系統(tǒng)的嚴(yán)重干擾.

綜合以上饋線與用戶上下行鏈路仿真結(jié)果,SINOSAT-5衛(wèi)星系統(tǒng)除饋線鏈路下行因頻率隔離不受NGSO星座系統(tǒng)影響外,其余通信鏈路都會(huì)受到來自NGSO星座系統(tǒng)的嚴(yán)重干擾.

3.4 干擾規(guī)避初探

鑒于低軌衛(wèi)星星座的多軌道面的特點(diǎn),對GSO系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾具有多干擾源特性,為降低乃至避免NGSO星座系統(tǒng)對GSO系統(tǒng)在Ka頻段的干擾,建議使用高效的調(diào)制編碼技術(shù)用以提高頻率利用率,在有限的帶寬內(nèi)傳輸更高的數(shù)據(jù)速率,進(jìn)而為NGSO與GSO系統(tǒng)分頻使用Ka頻段資源提供可能性;在條件允許的情況下,盡可能使用低旁瓣、高增益的天線,降低系統(tǒng)間波束相重疊的概率,減小干擾的發(fā)生.

更進(jìn)一步地,在NGSO星座系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段將軌道因素考慮在內(nèi),利用高低軌道差與自身星座系統(tǒng)特性,研究在GSO系統(tǒng)信關(guān)站與用戶周圍設(shè)立仰角禁區(qū)的可能性.在仰角禁區(qū)內(nèi)將NGSO系統(tǒng)的主瓣服務(wù)波束切換為系統(tǒng)內(nèi)臨近低軌衛(wèi)星的旁瓣波束,從而改變低軌衛(wèi)星信號發(fā)射的方向和電平值,有效消除對同步軌道衛(wèi)星的干擾[13].

4 結(jié) 論

本文從Ka頻段衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)頻段劃分及操作限值入手,系統(tǒng)梳理分析了我國NGSO星座系統(tǒng)對GSO系統(tǒng)在Ka頻段衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)的干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及保護(hù)限制計(jì)算方法,并對干擾場景與傳播模型進(jìn)行分析研究.在此基礎(chǔ)上,針對我國NGSO星座系統(tǒng)對GSO系統(tǒng)在饋線鏈路與用戶鏈路兩種通信場景下的干擾情況進(jìn)行仿真分析.仿真結(jié)果表明,在雙方系統(tǒng)的重疊頻段,即使epfd滿足《無線電規(guī)則》相關(guān)限值要求,通過信干噪比的仿真計(jì)算,在所有的仿真時(shí)長內(nèi),NGSO星座系統(tǒng)都會(huì)對GSO系統(tǒng)的上下行通信造成嚴(yán)重干擾.

下一步工作將針對NGSO星座特點(diǎn),推導(dǎo)低軌衛(wèi)星仰角禁區(qū)與NGSO軌道特性的關(guān)系,從而得出特定星座構(gòu)型特性下的干擾抑制方案.

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