韩锐 石会鹏 李伟 刘珊杉 梁骁

(1. 国家无线电监测中心,北京 100037;2. 国家无线电监测中心哈尔滨监测站,哈尔滨 150010)

引 言

近年来,随着卫星通信事业的迅速发展,传统的对地静止卫星轨道(Geostationary Satellite Orbit, GSO)系统由于轨道高、传输路径长、信号时延和衰减都非常大等缺点, 已不能满足市场对高速率数据应用的需求.中低轨道卫星通信系统成为未来卫星通信发展的主要方向,利用非对地静止卫星轨道(Non-Geostationary Satellite Orbit, NGSO)卫星组网完成新的通信功能[1],如卫星互联网和大容量通信.

2015年,在谷歌(Google)等互联网巨头的推动和支持下,一网公司(OneWeb)、太空探索公司(SpaceX)、三星(Samsung)、低轨卫星公司(Leosat)等多家企业提出打造由低轨卫星组成的卫星星座,为全球提供互联网接入服务,在短期内迅速聚集人气,引发全球强烈关注.由于Ka频段具有可用频率资源丰富、受电离层干扰小、易于实现频率复用、用户终端小等特点,上述低轨卫星星座系统几乎都选择Ka频段作为业务频段[2].

与GSO系统不同,NGSO系统,尤其是低轨卫星系统,由于其时变特性,卫星在空间的实时位置与运行的轨道、任务要求以及初始状态密切相关,并且动态变化[3],因此与共享Ka频段的GSO系统的干扰关系也随时间而变化,主要是随干扰源及被干扰对象相对位置的变化而变化,这就需要从时间统计和功率水平两个维度来定义干扰标准,衡量干扰程度.这些特点决定了NGSO系统与GSO系统在频率兼容性评估方法上的复杂性,需要通过计算机仿真等方法进行分析[4].

Ka频段卫星通信已成为卫星通信发展的主要目标之一,特别是面临全球信息高速公路的进一步发展,Ka频段在大容量传输方面更有优势[5].为了高效合理地利用Ka频段资源,满足我国宽带卫星系统的发展需要,本文从我国申报的Ka频段卫星网络资料入手,首次针对我国Ka频段卫星固定业务NGSO系统与GSO系统的干扰问题开展研究,重点关注馈线链路与用户链路的干扰场景,通过理论分析与计算机仿真等手段,评估干扰水平,为两系统间在Ka频段的系统级兼容性分析提供理论依据.

1 Ka频段卫星固定业务频率划分及 操作限值

1.1 频率划分

根据国际电联《无线电规则》[6]第五条频率划分中的规定,对17.3～31 GHz的Ka频段进行了使用划分,根据使用条件可以将上述频段大致分为5类:

1)可用于卫星固定业务的高密度应用的频段:根据《无线电规则》5.516B脚注,在Ka频段为全球划分了29.46～30 GHz/19.7～20.2 GHz上下行各约500 MHz带宽,用于支持卫星固定业务的高密度应用.

2)同时划分给固定业务的频段:在Ka频段,大多数卫星固定业务都与固定业务有同等地位,尤其是27.5～28.6 GHz/17.7～18.8 GHz频段,许多国家在此频段提供本地多点分配业务(Local Multipoint Distribution Services, LMDS).

3)GSO系统与NGSO系统具有同等地位的频段:在1997年召开的世界无线电通信大会(WRC-97)上,对《无线电规则》进行了修订,引入了22.2条款,即NGSO系统使用卫星固定业务、卫星广播业务划分的频段时不得对使用GSO系统的卫星固定业务、卫星广播业务系统造成不可接受的干扰,亦不得寻求GSO对NGSO的保护.但是在18.8～19.3 GHz/28.6～29.1 GHz频段,以及允许卫星移动业务的NGSO系统的馈线链路频段19.3～19.7 GHz/29.1～29.5 GHz,对1995年11月18日之后投入使用的GSO系统不再提供保护,而是按《无线电规则》第9.11A条款进行协调(即先登先占),即22.2条款不再适用.

4)具有等效功率通量密度(equivalent power flux-density, epfd)限值的频段:epfd限值最初由SkyBridge在WRC-97上引入,目的是为了与GSO系统更好地共用Ku频段,但是在2000年召开的世界无线电通信大会(WRC-2000)之后,《无线电规则》同时对部分C、Ku以及Ka频段提出了保护GSO系统的epfd限值.

5)军用频段:尽管在《无线电规则》中并没有定义与划分军用频段,但军事通信卫星一般使用Ka频段中的20.2～21.2 GHz/30～31 GHz.

1.2 操作限值

《无线电规则》虽然为卫星固定业务划分了上下行各3.5 GHz的频率资源,但是NGSO系统使用这些频率资源却有诸多限制.在Ka频段划分给卫星固定业务的频率资源中,除18.8～19.3 GHz/28.6～29.1 GHz频段和允许卫星移动业务的NGSO系统将19.3～19.7 GHz/29.1～29.5 GHz作为馈线链路使用的频段,其余频段NGSO系统的地位始终低于GSO系统,无论申报资料时间早晚,包括未来不断申报的GSO卫星系统.

对于卫星固定业务中的NGSO系统,《无线电规则》第22条规定了其上下行的epfd限值,其中与Ka频段相关的限值要求与相应时间百分比如图1所示.

图1 19.7～20.2 GHz NGSO系统下行epfd限值

2 系统模型研究

2.1 干扰场景研究

本文关注我国NGSO系统对GSO系统在同频使用Ka频段卫星固定业务时的干扰情况.针对GSO系统,通过国际电联在线数据库[7],选择定位于110.5°E,启用SINOSAT-5卫星网络资料的卫星作为研究对象,这将是我国第一颗Ka频段宽带通信卫星;针对NGSO系统,由于我国还未有以Ka频段作为业务频段的卫星星座,因此卫星星座参数参考我国FORTRAN卫星网络资料.

NGSO星座系统对GSO系统的干扰场景可以分为用户链路干扰场景与馈线链路干扰场景,分别如图2与图3所示.

图2 NGSO星座系统对GSO系统用户链路干扰场景

在用户链路干扰场景中,NGSO系统卫星与NGSO用户通过上下行用户链路进行通信.当GSO系统使用同频的上下行用户链路与GSO用户进行通信时,GSO系统用户上行链路中的GSO卫星接收会受到来自NGSO用户的上行干扰.同样地,GSO系统用户下行链路中的GSO用户接收会受到来自NGSO卫星的下行干扰.

图3 NGSO星座系统对GSO系统馈线链路干扰场景

在馈线链路干扰场景中,NGSO系统卫星与NGSO信关站通过上下行馈线链路进行通信.当GSO系统使用同频的上下行馈线链路与GSO用户进行通信时,GSO系统馈线上行链路中的GSO卫星接收会受到来自NGSO信关站的上行干扰.同样地,GSO系统馈线下行链路中的GSO信关站接收会受到来自NGSO卫星的下行干扰.

2.2 传播模型分析

在卫星通信系统间的干扰分析过程中,对通信信号传播损耗的模拟与计算是干扰分析的重要基础,因此针对不同仿真场景选择合适的传播模型对仿真结果的合理性显得尤为重要.国际电联无线电通信部门(ITU-R)第三工作组(WG3)主要负责无线电通信传播模型的研究,包括空对空、空对地、地对空、地对地通信的传播链路.

结合2.1节的干扰场景研究,本文所有通信链路均为同向传输条件下的干扰场景,分为空对地、地对空两种传播方向,信号传播路径接近自由空间场景,考虑大气衰减与雨衰的影响,因此选取ITU-R建议书P.525传播模型[8]模拟仿真分析中的自由空间损耗,选取ITU-R建议书P.676[9]与P.618[10]分别模拟大气与雨衰对通信链路的影响.假设自由空间传输损耗为L,则自由空间传输损耗可由式(1)计算:

(1)

式中:d为距离;λ为波长,并且d与λ使用相同的单位表达.式(1)也可用频率代替波长表达,则式(1)转换为

L=3.24+20lgf+20lgd.

(2)

式中:d为距离,km;f为频率,MHz.

大气损耗A可以表示为

A=γoho+γwhw.

(3)

式中:γo为路径长度;ho为等效高度;γw为水汽衰减因子;hw表征水汽影响下的等效高度.

预计雨衰超过年均0.01%的时间表征为A0.01,则雨衰表达为

A0.01=γRLE

(4)

式中:γR是与频率相关的特定衰减;LE为考虑降雨情况下的信号有效路径长度.

2.3 保护限值计算方法

在对卫星系统间进行干扰评估时,首先需要设立干扰保护准则,用以判断干扰系统对被干扰系统的影响是否超出了受扰系统能够承受的门限值.在卫星系统的保护限值计算中,通常使用的参数有卫星或地球站发射功率P、天线增益G、噪声温度T、路径损耗L等,以及由此计算出的载波干扰比C/I、干扰噪声比I/N、等效功率通量密度epfd等.

对于卫星固定业务中的单入干扰,ITU-R建议书 S.741[9]给出了相关干扰保护标准,在被保护系统C/N的基础上加上12.2 dB作为被保护系统的C/I限值.

为了评估NGSO星座系统对GSO系统的影响,引入epfd对这种影响进行评估,其计算方式为

(5)

式中:Na为NGSO星座系统被GSO系统接收端可见的发射电台个数;i表示NGSO系统第i个发射电台;Pi为NGSO系统第i个发射电台的发射功率;Gt(θi)是NGSO系统第i个发射电台朝向GSO系统接收电台的天线增益,其中θi为发射电台与接收电台的离轴角;di代表NGSO系统第i个发射电台与GSO系统接收电台之间的距离;Gr(ψi)为GSO系统接收电台朝向NGSO系统第i个发射电台的天线增益,其中ψi为接收电台与发射电台的离轴角;Grimax是GSO系统接收电台的最大天线增益.

3 干扰仿真及分析

在系统建模与仿真分析的软件实现方面,主要

使用由英国TSL(Transfinite Systems CO. Ltd,TSL)公司开发的Visualyse Professional软件[11].该软件是国际电联唯一指定的用于国际电联通信标准验证的商业软件,其主研人员为国际电联标准制定小组的专家成员.软件基于ITU-R系列标准及建议书,提供GSO系统的卫星轨道建模以及NGSO系统的星座建模,拥有国际电联推荐的传播模型库,并可模拟任意系统(点对点、点对多点、复杂通信系统)间在频带内或频带外、极化、带宽等因素引起的干扰,是对ITU-R所关注的干扰进行分析的主流工具.

本研究考虑NGSO系统对GSO系统馈线链路与用户链路上下行通信的干扰分析,具体仿真模块化流程如图4所示.

图4 仿真模块化流程

3.1 仿真参数选取

干扰分析过程中使用的SINOSAT-5与FORTRAN参数从国际电联第2834期频率信息通报(IFIC 2834)中获取,其中SINOSAT-5定位于110.5°E,FORTRAN星座轨道高度1 040 km,卫星总数156颗,轨道面数13,面间经度差为15.384 6°,其余链路参数取值具体如表1.

表1 Ka频段卫星网络仿真参数

3.2 馈线与用户链路场景建模

馈线链路上下行场景建模如图5所示,其中,与SINOSAT-5通信的信关站有三个,分别位于北京、都江堰与喀什,仿真假设在此三个信关站周围都有NGSO星座系统的信关站与其卫星星座通信,并分别距离北京、都江堰、喀什信关站1 、10、100 km.在SINOSAT-5卫星与信关站进行双向通信时,上行通信SINOSAT-5卫星受到NGSO星座系统信关站的干扰,下行通信SINOSAT-5信关站受到NGSO星座系统卫星的干扰.

图5 FORTRAN对SINOSAT-5馈线链路干扰场景

用户链路上下行场景建模如图6所示,其中,假设与SINOSAT-5通信的GSO用户站点有三个,分别位于北京、都江堰与喀什,每个GSO用户周围都部署有NGSO星座系统用户热点,考虑NGSO星座系统用户波束有54个,采用6色频率复用方式,每段频率最多支持9个用户热点,因此以最大接入用户热点为建模场景,每个GSO用户站点周围部署9

个NGSO星座系统用户热点,采用蒙特卡洛仿真方法,分别在半径1 km,10 km,100 km的圆形区域随机撒点,研究波束内同一段频率对SINOSAT-5的同频干扰.在SINOSAT-5卫星与用户进行双向通信时,上行通信SINOSAT-5卫星受到NGSO星座系统用户的干扰,下行通信SINOSAT-5用户受到NGSO星座系统卫星的干扰.

图6 FORTRAN对SINOSAT-5用户链路干扰场景

3.3 仿真结果分析

根据SINOSAT-5卫星网络资料,结合ITU-R建议书ITU-R S.741[12],SINOSAT-5的信干噪比门限值取C/I为27.2 dB,epfd门限值选取-162.0 dBW·m-2/4 kHz,采用《无线电规则》第22条中,100%情况下不受干扰的取值,仿真时长设定3个月,仿真间隔为10 s.

GSO系统三个不同站点在馈线链路和用户链路上下行的仿真结果如表2所示.

表2 各链路上下行仿真结果

从以上结果可以看出,由于在馈线链路下行频段,SINOSAT-5使用18.13 GHz频段,NGSO星座系统使用20.7 GHz频段,双方卫星网络不存在频率重叠,因此SINOSAT-5馈线链路下行不会受到NGSO星座系统卫星的干扰.对于馈线链路上行,在同频使用情况下,NGSO星座系统没有超出epfd限值,但是信干噪比在所有仿真时长内都超出了限值范围,最差情况来自纬度较低的都江堰信关站,与限值相比有将近46 dB的差异,SINOSAT-5馈线链路上行会受到NGSO星座系统信关站的严重干扰.对于用户链路上下行,NGSO星座系统用户在三个仿真地点对SINOSAT-5卫星的信干噪比都维持在-59 dB左右,在所有的仿真时长内远超门限值,因此SINOSAT-5卫星用户链路上下行受到NGSO星座系统的严重干扰.

综合以上馈线与用户上下行链路仿真结果,SINOSAT-5卫星系统除馈线链路下行因频率隔离不受NGSO星座系统影响外,其余通信链路都会受到来自NGSO星座系统的严重干扰.

3.4 干扰规避初探

鉴于低轨卫星星座的多轨道面的特点,对GSO系统产生的干扰具有多干扰源特性,为降低乃至避免NGSO星座系统对GSO系统在Ka频段的干扰,建议使用高效的调制编码技术用以提高频率利用率,在有限的带宽内传输更高的数据速率,进而为NGSO与GSO系统分频使用Ka频段资源提供可能性;在条件允许的情况下,尽可能使用低旁瓣、高增益的天线,降低系统间波束相重叠的概率,减小干扰的发生.

更进一步地,在NGSO星座系统设计阶段将轨道因素考虑在内,利用高低轨道差与自身星座系统特性,研究在GSO系统信关站与用户周围设立仰角禁区的可能性.在仰角禁区内将NGSO系统的主瓣服务波束切换为系统内临近低轨卫星的旁瓣波束,从而改变低轨卫星信号发射的方向和电平值,有效消除对同步轨道卫星的干扰[13].

4 结 论

本文从Ka频段卫星固定业务频段划分及操作限值入手,系统梳理分析了我国NGSO星座系统对GSO系统在Ka频段卫星固定业务的干扰保护标准及保护限制计算方法,并对干扰场景与传播模型进行分析研究.在此基础上,针对我国NGSO星座系统对GSO系统在馈线链路与用户链路两种通信场景下的干扰情况进行仿真分析.仿真结果表明,在双方系统的重叠频段,即使epfd满足《无线电规则》相关限值要求,通过信干噪比的仿真计算,在所有的仿真时长内,NGSO星座系统都会对GSO系统的上下行通信造成严重干扰.

下一步工作将针对NGSO星座特点,推导低轨卫星仰角禁区与NGSO轨道特性的关系,从而得出特定星座构型特性下的干扰抑制方案.

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