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    基于跳波束的手機(jī)直連與FSS 系統(tǒng)的同頻共存研究

    2024-12-26 00:00:00石會鵬周道博劉珊杉陶洪波
    無線電通信技術(shù) 2024年6期

    摘 要:針對基于跳波束的衛(wèi)星手機(jī)直連系統(tǒng),研究與衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)(Fixed Satellite Service,FSS)系統(tǒng)間的共存可行性。分析了跳波束衛(wèi)星系統(tǒng)與FSS 系統(tǒng)的共存場景以及仿真研究方法,通過時間步進(jìn)的仿真方法對FSS 系統(tǒng)受到的下行干擾進(jìn)行了仿真分析。在此基礎(chǔ)上評估了多種干擾緩解策略保護(hù)FSS 系統(tǒng)的效果,主要包括地理隔離、基于星歷或概率信息的波束關(guān)閉以及基于干擾程度預(yù)測的動態(tài)功率控制策略。研究結(jié)果表明,采取適當(dāng)?shù)母蓴_緩解措施后,基于跳波束的手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)能夠與FSS 系統(tǒng)很好地協(xié)調(diào)共存。

    關(guān)鍵詞:手機(jī)直連衛(wèi)星;衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)系統(tǒng);跳波束;干擾緩解

    中圖分類號:TN927+. 2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識碼(OSID):

    文章編號:1003-3114(2024)06-1093-08

    0 引言

    在過去幾年里,隨著無線通信技術(shù)的全方位發(fā)展,衛(wèi)星通信領(lǐng)域呈現(xiàn)出新的增長點(diǎn),特別是衛(wèi)星手機(jī)直連技術(shù)因其能夠提供廣泛的覆蓋范圍和增強(qiáng)的通信能力而受到廣泛關(guān)注。星地手機(jī)直連有3 種典型模式:基于地面通信頻段和協(xié)議、基于第三代合作伙伴計劃的非地面網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)以及基于定制化雙模終端的直連實現(xiàn)[1-2]。

    隨著全球衛(wèi)星通信市場規(guī)模逐漸延伸,無論對于何種直連模式,都面臨著可用頻率資源缺乏的問題,因此探索Sub6GHz 頻段內(nèi)更多可用頻譜的需求日益迫切。在此背景下,運(yùn)行于C 頻段的FSS 系統(tǒng)由于其本身良好的抗干擾能力,成為實現(xiàn)頻譜共享的一種有效可能。國際[3]以及國內(nèi)的一些衛(wèi)星操作者已經(jīng)將用頻聚焦在了這樣的頻段上。

    手機(jī)直連系統(tǒng)的用戶具有隨機(jī)廣分布且業(yè)務(wù)分布不均勻的特點(diǎn),因此星上傾向采用相控陣天線,并基于可操縱波束進(jìn)行凝視或跳波束調(diào)度。文獻(xiàn)[4]研究了兩個非地球靜止軌道(NonGeostationaryOrbit,NGSO)系統(tǒng)間的干擾機(jī)機(jī)理和仿真研究方法。文獻(xiàn)[5]研究了兩個NGSO 系統(tǒng)間的上行干擾,并通過隔離角的方法抑制了系統(tǒng)間干擾。文獻(xiàn)[6-7]研究了NGSO 系統(tǒng)間的干擾保護(hù)方法,并注意到當(dāng)兩系統(tǒng)間能夠共享星歷信息時,可以更加靈活地緩解兩系統(tǒng)間的干擾。文獻(xiàn)[8 -10]研究了NGSO系統(tǒng)衛(wèi)星在空間中的概率分布及相關(guān)的干擾計算方法。文獻(xiàn)[11]研究了跳波束衛(wèi)星的全頻率復(fù)用條件,并設(shè)計了高資源利用率的跳波束調(diào)度算法。文獻(xiàn)[12]注意到了基于比例公平的跳波束衛(wèi)星系統(tǒng)中各波位長期服務(wù)時間與業(yè)務(wù)密度、信道質(zhì)量等影響因素間的關(guān)系。文獻(xiàn)[13-14]通過對跳波束調(diào)度的優(yōu)化,在確保系統(tǒng)內(nèi)服務(wù)質(zhì)量的同時,對地球靜止軌道(Geostationary Orbit,GSO)衛(wèi)星實現(xiàn)了保護(hù)。文獻(xiàn)[15]研究了隔離距離在星地頻譜共享場景中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[16]研究了基于第三代合作伙伴計劃的非地面網(wǎng)絡(luò)典型模型在L/ S 頻段對地面同頻系統(tǒng)的干擾。文獻(xiàn)[17]通過深度學(xué)習(xí)方法在FSS系統(tǒng)與地面蜂窩移動系統(tǒng)的共存場景下研究了干擾預(yù)測,基于預(yù)測設(shè)計了動態(tài)的干擾緩解策略,結(jié)果顯示基于深度學(xué)習(xí)的干擾預(yù)測方法具有良好的效果。

    現(xiàn)有研究關(guān)注了跳波束系統(tǒng)與衛(wèi)星地球站之間的干擾情況,但更側(cè)重算法的設(shè)計而不是評估,通常取一個時間快照下的靜態(tài)場景做時隙級的調(diào)度設(shè)計和仿真評估。由于低軌衛(wèi)星的動態(tài)性,不同時間快照下干擾星座系統(tǒng)對受擾地球站干擾程度不同。因此,本文針對基于跳波束的手機(jī)直連系統(tǒng)在C 頻段對FSS 系統(tǒng)的長期干擾影響開展仿真研究工作,受擾系統(tǒng)選取包括NGSOFSS 和GSOFSS。

    1 干擾場景建模及仿真設(shè)計

    圖1 為跳波束手機(jī)直連系統(tǒng)對FSS 地球站的干擾影響示意,直連衛(wèi)星系統(tǒng)的波束在劃分好的波位上跳變,受擾的FSS 地球站與NGSO 或GSO 衛(wèi)星建鏈。為簡化分析,取一個地球站作為受擾分析對象。由于手機(jī)直連系統(tǒng)的用戶側(cè)為低功率的手持終端,其對FSS 系統(tǒng)的上行干擾預(yù)期不是主要問題,因此分析下行干擾場景。

    1. 1 場景和模型

    FSS 地球站接收到來自單個干擾衛(wèi)星的下行鏈路干擾Idown 的值為:

    式中:Ii,down 表示衛(wèi)星i 對受擾站的集總干擾,Nb 表示單顆衛(wèi)星的最大波束數(shù),Pij 表示衛(wèi)星i 第j 個波束的發(fā)射功率,Gsat(θij)表示衛(wèi)星i 第j 個波束對受擾站方向的發(fā)射增益,Ges(φi)表示受擾站在衛(wèi)星i方向上的接收增益,di 表示受擾站到衛(wèi)星i 的距離,λ 表示載波頻率對應(yīng)的波長。

    由于手機(jī)直連系統(tǒng)通常星座規(guī)模較大,因此對于受擾地球站應(yīng)以下行集總干擾計算:

    式中:NS 表示受擾地球站的可見干擾衛(wèi)星數(shù)量。

    對于受擾地球站天線模型,參考ITUR S. 465建議書。對于干擾衛(wèi)星,參考ITUR M. 2101 的相控陣模型,天線增益通過方位角、仰角電傾角、電掃角計算。

    1. 2 干擾評價指標(biāo)

    ITUR S. 1323 建議書中提供了一個相關(guān)的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn),即干擾噪聲比(Interference-Noise-Ratio,INR)門限值為-12. 2 dB,超限概率不得高于10% 。對于受擾地球站,受到來自手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)的下行集總干擾噪聲功率比值計算為:

    式中:k 表示玻爾茲曼常數(shù),?。保?380 6 ×10-23 J/ K;B 表示受擾系統(tǒng)與干擾系統(tǒng)鏈路的重疊帶寬;T 表示受擾系統(tǒng)地球站的等效噪聲溫度;φEij、θEij 為衛(wèi)星相控陣天線的電掃角和電傾角,φESi、θESi 為受擾地球站相對衛(wèi)星天線面板的方位角和俯仰角。

    1. 3 仿真設(shè)計

    考慮到手機(jī)直連衛(wèi)星基于跳波束,星下存在多個可點(diǎn)亮波位。圖2 為通過衛(wèi)星波束寬度確定波位密度的方法,其中Re 為地球半徑,θ3 dB 為衛(wèi)星波束寬度,θG 為衛(wèi)星波束在星下投影區(qū)域?qū)?yīng)的地心角,作為相鄰波位之間的地心夾角:

    跳波束系統(tǒng)在仿真中需要模擬波束的調(diào)度。由于仿真開銷,考慮以激活因子替代實際的波束調(diào)度。一些研究[12]注意到,在基于比例公平的調(diào)度策略下,各波位長期被點(diǎn)亮?xí)r長的比值滿足:

    式中:T 為各個波位的長期被服務(wù)時間,ACn為波位n中業(yè)務(wù)包的到達(dá)率,Lp 為單個業(yè)務(wù)包大小,Cn 為各波位信道質(zhì)量參數(shù)。

    業(yè)務(wù)建模為泊松過程時,包到達(dá)率與人口密度呈線性正相關(guān);信道質(zhì)量與路損和干擾有關(guān),在本文場景中,要求干擾衛(wèi)星任意兩個點(diǎn)亮波位間的互干擾滿足系統(tǒng)共信道干擾(CoChannel Interference,CCI)隔離準(zhǔn)則,準(zhǔn)則參考標(biāo)準(zhǔn)為INR = -6 dB,因此系統(tǒng)內(nèi)干擾可以忽略;由于NGSO 衛(wèi)星的動態(tài)性,同地區(qū)各波位經(jīng)歷的鏈路變化相似,因此對信道質(zhì)量C 的影響主要考慮系統(tǒng)外干擾,各波位的激活因子ξi 可以計算為:

    采用基于時間步進(jìn)的仿真方法,仿真天數(shù)設(shè)置為2 d,仿真步長10 s,仿真流程如圖3 所示。在每個仿真時刻下,根據(jù)激活因子權(quán)重隨機(jī)生成10 次跳波束圖案,仿真驗證,可以確保結(jié)果收斂至平滑。

    2 干擾緩解方法

    2. 1 基于隔離禁區(qū)的干擾緩解

    基于隔離禁區(qū)的干擾緩解是一種經(jīng)典的頻率兼容方法,通過在空間上劃定一定的隔離區(qū)域,從而在空域上提高了系統(tǒng)間的隔離度。對于本文場景,該方法同樣適用:在受擾地球站周圍以一定的半徑確定一個圓形禁區(qū),禁區(qū)內(nèi)干擾系統(tǒng)的波位不可被點(diǎn)亮。

    2. 2 基于星歷共享的協(xié)作式干擾緩解

    基于隔離區(qū)的干擾緩解對于干擾系統(tǒng)的空間可用性存在固定限制,如果受擾系統(tǒng)能夠與干擾系統(tǒng)共享星歷信息,預(yù)期兩系統(tǒng)間的兼容將會更靈活。本文針對協(xié)作模式下的干擾緩解策略為:根據(jù)受擾系統(tǒng)的星歷信息和選星策略得到每個時刻受擾地球站的波束指向,之后確定位于受擾地球站波束指向θP 范圍內(nèi)的干擾衛(wèi)星,并將這些衛(wèi)星在干擾頻段的同頻波束數(shù)量減半。該策略僅犧牲對地球站有較大影響衛(wèi)星的部分吞吐能力,而其他衛(wèi)星仍能夠正常運(yùn)行。此外由于NGSO 系統(tǒng)地球站指向的動態(tài)性,不會出現(xiàn)某一區(qū)域上空衛(wèi)星長期處于業(yè)務(wù)能力下降的情況。

    2. 3 基于概率信息的干擾緩解

    基于星歷共享的協(xié)作模式增強(qiáng)了系統(tǒng)間的兼容靈活性,但考慮到這種共享有時可能不會實現(xiàn),本節(jié)研究僅利用概率信息實現(xiàn)與前文相似的干擾緩解方法。對NGSO 衛(wèi)星,假設(shè)其運(yùn)行在傾角為is 的軌道上,則其出現(xiàn)在經(jīng)緯度位置(Φ,Θ)處的概率密度為[18]:

    根據(jù)NGSO 衛(wèi)星的位置概率,可以得到NGSO系統(tǒng)中任一位置地球站的指向及其概率分布[8]。圖4 為一個FSS 系統(tǒng)地球站指向概率分布的仿真結(jié)果,該地球站位于緯度20°處,與一個傾角45°、規(guī)模2 000 顆星的星座建鏈,選星策略為最大仰角。雖然地球站的指向分布在一定的方位角和仰角區(qū)間上,但在一些指向上的概率明顯更高。

    考慮基于概率信息的干擾緩解:在每個仿真時刻下,對每顆可見干擾衛(wèi)星,根據(jù)地球站指向概率計算衛(wèi)星位于地球站指向θP 范圍內(nèi)的概率P,選擇具有最大P 的衛(wèi)星,將其在干擾頻段同頻波束的數(shù)量減半。一些情況下可能每顆衛(wèi)星都不具有很高的P,可能導(dǎo)致過度保護(hù)的情況,因此設(shè)置一個概率門限Pth,只有P>Pth 的衛(wèi)星才能執(zhí)行該緩解策略。

    2. 4 基于干擾程度估計的功率控制

    考慮手機(jī)直連系統(tǒng)為NGSO 系統(tǒng),衛(wèi)星位置動態(tài)變化,因此對受擾地球站的干擾程度也是時變的。如果可以預(yù)測干擾程度并動態(tài)調(diào)節(jié)衛(wèi)星發(fā)射功率,則可以增強(qiáng)兩個系統(tǒng)的兼容性。對于跳波束衛(wèi)星系統(tǒng),干擾程度無法通過單次確定性的鏈路計算得到,因此在每個采樣時刻,生成多次跳波束圖案并進(jìn)行干擾計算,?。桑危?的90 分位值作為干擾程度評估值。

    由于NGSO 衛(wèi)星運(yùn)動的周期性,可以預(yù)見干擾衛(wèi)星系統(tǒng)在受擾地球站上空的衛(wèi)星分布存在周期相關(guān)性,因此通過深度學(xué)習(xí)的方法預(yù)期可以用少量訓(xùn)練樣本實現(xiàn)對地球站干擾程度的預(yù)測。這是典型的回歸問題,樣本的輸入特征為受擾地球站天線指向以及各干擾衛(wèi)星與地球站的相對位置,樣本標(biāo)簽則是此時系統(tǒng)的干擾程度評估值。對于衛(wèi)星系統(tǒng),確定一顆衛(wèi)星的位置就可以得到整個星座的構(gòu)型,因此訓(xùn)練樣本中并不需要輸入每顆衛(wèi)星的位置特征,就可以隱射出系統(tǒng)的干擾分布特性。本文取與受擾地球站隔離度最低的3 顆衛(wèi)星的相對位置關(guān)系作為樣本的輸入特征,這里的隔離度計算設(shè)計為:

    Ψ=lg θe +lg θs, (8)

    式中:θe 為衛(wèi)星與受擾地球站波束指向之間的離軸角,θs 為衛(wèi)星到星下點(diǎn)和到受擾地球站連線間的夾角。針對一個緯度為15°的GSO 地球站,通過上述方法生成1 600 個訓(xùn)練樣本,使用簡單廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練后,在測試集中得到的干擾預(yù)測如圖5 所示。

    3 仿真與分析

    3. 1 參數(shù)設(shè)置

    對于受擾NGSOFSS 系統(tǒng),由于本文是主要針對場景建模方法和一些干擾緩解方法的研究,因此取電聯(lián)衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫中一典型申報網(wǎng)絡(luò)的近似結(jié)構(gòu),設(shè)計參數(shù)如表1 所示。

    對于手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng),星座構(gòu)型及性能指標(biāo)參考國內(nèi)一相關(guān)系統(tǒng)的近似值,如表2 所示。其中,天線增益和發(fā)射功率的設(shè)置在衛(wèi)星覆蓋邊緣處的到達(dá)電平滿足一般認(rèn)為的移動終端在5 MHz 載波下解碼正交相移鍵控信號所需的接收門限值(-100 dBm)。

    3. 2 仿真結(jié)果及分析

    3. 2. 1 基于隔離距離的干擾緩解

    基于隔離禁區(qū)的策略,在不同禁區(qū)半徑下手機(jī)直連系統(tǒng)對FSS 系統(tǒng)地球站的下行干擾如圖6 所示。根據(jù)仿真結(jié)果,隨著保護(hù)半徑的增加,FSS 地球站受到的干擾水平逐漸降低。在本文設(shè)置的場景參數(shù)下,如果不采用任何保護(hù)措施,對地球站的干擾超限概率約為25. 5%,當(dāng)隔離禁區(qū)的半徑擴(kuò)展到100 km 時,對地球站的干擾超限概率滿足了保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

    由于采用基礎(chǔ)相控陣模型,旁瓣級別只有約-12 dB。在使用優(yōu)化旁瓣抑制效果的波束成形技術(shù),或使用更多陣元去降低波束寬度后,預(yù)計干擾程度會進(jìn)一步降低。

    3. 2. 2 基于星歷信息共享的協(xié)同式干擾緩解

    基于星歷信息共享的協(xié)作式干擾保護(hù)效果如圖7 所示,其中θP 取值為25°。根據(jù)仿真結(jié)果,固定隔離禁區(qū)的保護(hù)半徑時,采用協(xié)作模式可以進(jìn)一步改善干擾緩解的效果。在僅采用隔離禁區(qū)的保護(hù)方法中,需要100 km 的保護(hù)半徑才能滿足干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn),在加入?yún)f(xié)作模式的策略后,所需要的保護(hù)半徑減少為50 km,說明協(xié)作增強(qiáng)了兩個系統(tǒng)的兼容性。

    3. 2. 3 基于概率信息的干擾緩解

    在基于概率信息的類協(xié)作緩解方法中,θP 取值為25°。圖8 為在保護(hù)半徑為50 km 的基礎(chǔ)下,基于星歷信息協(xié)作以及置信度Pth 分別為0% 、30% 和60% 時采用概率信息方式的干擾緩解效果。注意到在置信度Pth 為0% 和30% 時的干擾緩解效果相近,與基于星歷共享的協(xié)作模式有著相似的干擾緩解效果,且Pth 為0% 時相比星歷協(xié)同模式出現(xiàn)了輕度的過度保護(hù)現(xiàn)象。而在Pth 為60% 時干擾緩解效果明顯下降,這是因為過高的置信度導(dǎo)致在很多應(yīng)該執(zhí)行保護(hù)的時刻被誤判為不需要進(jìn)行干擾緩解操作。

    3. 2. 4 基于干擾預(yù)測的功率控制

    基于隔離禁區(qū)以及基于星歷信息的干擾緩解方法同時適用于NGSOFSS 以及GSOFSS 系統(tǒng),本節(jié)針對GSOFSS 系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的干擾保護(hù)研究。選?。牵樱?地球站的經(jīng)度為90°,緯度為15°,所指GSO 衛(wèi)星在GSO 弧的位置為90°。前文已經(jīng)針對這一地球站位置實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練,訓(xùn)練后的干擾預(yù)測結(jié)果如圖5 所示。

    在不采用其他保護(hù)措施的條件下,采用固定功率和基于預(yù)測的動態(tài)功率策略下的衛(wèi)星功率曲線如圖9 所示。在采用功率控制策略后,功率曲線的規(guī)律性變化符合之前的預(yù)期,即衛(wèi)星系統(tǒng)在區(qū)域上空的整體干擾水平存在規(guī)律性變化。在采用動態(tài)功率控制時,要求衛(wèi)星到達(dá)終端的信號強(qiáng)度高于終端接收靈敏度。

    兩種策略下得到的干擾曲線如圖10 所示。采用功率控制策略后,INR 的90 分位值落在了要求的干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)-12. 2 dB 附近,這說明網(wǎng)絡(luò)具有良好的預(yù)測效果。本節(jié)研究的是指向固定的GSO 地球站,如果希望網(wǎng)絡(luò)可以預(yù)測對于不同指向地球站的干擾程度,需要在每次跳波束圖案下分別對不同指向的地球站做干擾計算并生成對應(yīng)的樣本集。相比對固定指向地球站干擾預(yù)測網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本生成,這樣的操作不會給仿真工作帶來明顯的額外負(fù)擔(dān)。

    4 結(jié)束語

    本文使用了一種高效的仿真分析方法研究了跳波束衛(wèi)星系統(tǒng)與FSS 系統(tǒng)共存場景下的干擾情況。研究雖然聚焦于C 頻段,但預(yù)期可以擴(kuò)展到其他頻段的跳波束系統(tǒng)研究上。

    在所提研究方法的基礎(chǔ)上,采用空間隔離、星歷協(xié)作、統(tǒng)計推測、功率控制4 種干擾緩解方法,評估其緩解效果。通過基本的空間隔離方法,本文相信兩個系統(tǒng)間可以實現(xiàn)基本的協(xié)調(diào)共存。而星歷協(xié)作和統(tǒng)計推測的方法如預(yù)期一樣,可以進(jìn)一步提高兩個系統(tǒng)間的兼容靈活性,是值得提倡的系統(tǒng)間協(xié)作方法。衛(wèi)星系統(tǒng)在空間上的回歸性非常利于使用深度學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行一些指標(biāo)的預(yù)測和評估,同時在跳波束衛(wèi)星系統(tǒng)對GSOFSS 系統(tǒng)的干擾場景下,使用深度學(xué)習(xí)方法實現(xiàn)了較高精度的干擾預(yù)測。

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    作者簡介:

    石會鵬 男,(1986—),博士,高級工程師,國家無線電監(jiān)測中心檢測中心副主任。主要研究方向:衛(wèi)星無線電頻率資源技術(shù)管理。

    周道博 男,(2000—),碩士研究生。主要研究方向:低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

    劉珊杉 女,(1990—),碩士,高級工程師。主要研究方向:衛(wèi)星無線電頻率資源高效利用。

    (*通信作者)陶洪波 男,(1977—),碩士,高級工程師,國家無線電監(jiān)測中心檢測中心副主任。主要研究方向:無線電技術(shù)管理與無線電設(shè)備檢測。

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