靜止衛星網絡載干比分析方法研究

+ 蔣春芳 李勇

靜止衛星網絡載干比分析方法研究

+ 蔣春芳 李勇

針對靜止衛星網絡日益擁擠帶來的干擾問題，研究了實際載干比和門限載干比的計算分析方法，并對影響衛星網絡載干比特性的主要因素進行了對比分析，以便于采取相應技術措施減輕靜止衛星網絡之間的頻率干擾，從而充分利用有限的靜止衛星頻率軌道資源。

靜止衛星 衛星網絡 載干比分析

1 引言

對地靜止軌道衛星簡稱靜止衛星，是指位于地球靜止軌道的衛星。該軌道是位于赤道平面的圓軌道，運行方向及周期與地球自轉的方向及周期相同（周期為23小時56分4秒），軌道高度35786.13公里。靜止衛星由于軌道位置有限，相近軌位甚至相同軌位的衛星網絡越來越多，干擾問題也越來越突出。目前全球在軌靜止衛星約460顆。在我國上空東經50度至東經180度范圍內靜止衛星160余顆，平均不到1度經度間隔就有1顆衛星。如何分析同頻或鄰頻工作的衛星網絡是否會出現不可接受的干擾，這是保證靜止衛星網絡正常工作的前提。

根據國際電信聯盟（ITU）《無線電規則》（2012年版），如果某個新申報的衛星網絡使現有衛星網絡等效噪聲溫度增量百分比（ΔT/T）超過6%，則新衛星網絡應與同頻段現有衛星網絡進行協調，并需要通過載波與干擾功率比即載干比（C/I）特性分析，以確定現有衛星網絡是否受到不可接受的有害干擾，以及可以采取什么技術措施加以解決。

本文研究詳述了實際載干比和門限載干比的計算分析方法，并針對影響衛星網絡載干比特性的因素進行了對比分析，以便于采取相應技術措施減輕靜止衛星網絡間的干擾，充分利用有限的靜止衛星頻率軌道資源。

2 靜止衛星網絡載干比的分析方法

衛星網絡在設備一定的條件下，信號質量的好壞取決于解調器輸入端的載噪比（C/N）或載干比（C/ I），為保證接收到的話音、圖像和數據有最低限度質量，接收機必須要滿足門限載噪比或門限載干比要求。這就涉及到衛星網絡實際載干比和門限載干比的計算分析問題。以下分別闡述兩者的計算分析方法。

2.1 實際載干比的計算分析方法

實際載干比需要分別計算衛星網絡上行、下行鏈路接收天線輸出端有用信號功率C和來自干擾系統功率I的比值。上行干擾為己方衛星接收到的來自鄰星網絡地球站的偏軸發射信號，下行干擾為本網絡地球站在偏軸方向接收到的鄰星的下行信號。

設有兩個鄰近的衛星網絡A和B，衛星網絡A的上行鏈路可能受到來自衛星網絡B的上行干擾，A的下行鏈路也可能受到來自B的下行干擾，如圖1所示。圖中實線為表示有用的衛星鏈路，虛線表示干擾鏈路，表示兩顆衛星間的頂心角（也即本衛星地球站對另一衛星的偏軸角），β表示兩顆衛星間的地心角（即地球中心對兩顆衛星的夾角）。

則有

式中，dA 、dB分別表示地球站到衛星SA、SB的距離。

對于上行鏈路方向，設

EIRPe表示A網絡的發送地球站A2在衛星SA方向的等效全向輻射功率；

fu表示上行頻率；

du表示地球站A2至衛星SA的距離；

Gu表示衛星SA在地球站A2方向的接收增益；

EIRPe＇表示B的地球站B1在衛星SA方向的發射EIRP；

fu＇表示上行干擾頻率，假定fu＇≈fu；

du＇表示地球站B1至衛星SA的距離，也可假定du＇≈du；

Gu＇表示衛星SA在地球站B1方向的偏軸接收增益；

EIRPe*表示干擾地球站B1在衛星SB方向上的等效全向輻射功率；

Gi表示地球站B1在衛星SB方向上的軸向發射增益；

Gi＇表示地球站B1在衛星SA方向上的旁瓣偏軸發射增益，取決于所采用的ITU建議或其他有關建議；

因為 EIRPe＇＝EIRPe*－Gi＋Gi＇

所以

同樣，對于下行鏈路方向，設

EIRPs表示網絡A的衛星SA在接收地球站A1方向的發射EIRP；

EIRPs＇表示干擾衛星SB在地球站A1方向的偏軸發射EIRP；

G為地球站A1在衛星SA方向的軸向接收增益；

G＇表示地球站A1在衛星SB方向的偏軸接收增益；

則，下行載干比（用分貝表示）

則總載干比（用功率比值表示）為

地球站旁瓣偏軸發射或接收增益大小根據所選用的地球站天線輻射方向圖特性決定。

如果考慮有用載波與干擾載波的頻率偏置及帶寬差別，則引入干擾調整因子Ia，此時實際載干比用分貝表示，即為[C/I]*=[C/I]-[Ia]

國際電聯《程序規則》對于不同的載波類型，干擾調整因子Ia有不同的計算方法，如表1所示。

2.2 門限載干比的計算分析方法

要計算門限載干比值，首先需要計算滿足通信質量等技術指標要求的門限載噪比（C/N）值。通常模擬系統用信噪比，數字系統用誤碼率作為衡量通信質量最基本的度量。目前幾乎所有通信衛星傳送的信號都是數字信號，如數字電話、數字電視等。對于數字傳輸系統，門限載噪比是指滿足一定的誤碼率要求時所對應的C/ N值。誤碼率常用傳輸中符號（碼元）或比特的差錯概率來表示。如果不特別指出，誤碼率通常用誤比特率表示。國際衛星通信組織目前暫定將誤碼率Pe=10-4作為線路質量標準。

對于衛星通信常用的二相相移鍵控（BPSK）調制和四相相移鍵控（QPSK）調制，誤碼率PeBPSK和PeQPSK與載噪比關系分別用式（5）和式（6）表示。

式中，erfc[·]表示補余誤差函數，C/N是功率比值，不是分貝數。

通過查閱補余誤差函數表，可以得出在一定誤碼率要求下的C/N值。比如，當誤碼率要求為10-4時，對應于BPSK調制下的C/N要求約為8.5dB，對應于QPSK調制下的C/N要求約為11.5dB；當誤碼率要求為10-6時，對應于BPSK調制下的C/N要求約為11.6dB，對應于QPSK調制下的C/N要求為14.6dB。

在已知門限C/N值后，根據ITU《程序規則》，針對不同類型載波，就可得出對應的C/I干擾保護標準即門限載干比值，如表2所示。

注：C/N為載波噪聲比（dB）BWw為有用載波的必要帶寬（MHz）BWeqi為干擾載波等效帶寬（MHz）

ITU《無線電規則》附錄1第Ⅰ節對載波的必要帶寬作了定義，即指對于給定的發射類別，恰好可以保證在規定條件下以所要求的速率和質量傳輸信息的頻帶寬度。第Ⅱ節對發射類別作了分類和標識。以載波36M0G7F為例，前四位表示必要帶寬，字符“M”表示MHz（另外，“G”、“K”分別表示GHz和kHz），其所在位置表示小數點的位置，因此該載波的必要帶寬為36.0MHz；后三位表示發射類別，其中第一個符號表示主載波的調制方式（字符“G”表示調相，另外，“F”表示調頻）；第二個符號表示調制主載波的信號的性質（字符“7”表示包含量化或數字信息的雙頻道或多頻道）；第三個符號表示擬發送信息的類型（字符“F”表示電視視頻）。

3 載干比特性的影響因素分析

由載干比計算公式可知，衛星網絡載干比與系統等效全效輻射功率、天線峰值增益、天線旁瓣增益等因素有關，其中天線旁瓣特性是比較重要的因素，因為大部分干擾是經天線旁瓣進入的。下面對各因素的影響進行比較分析。

由式（1）分析可知，當確定了相鄰衛星軌道間隔，則本衛星地球站對另一衛星的偏軸角也就可計算確定，進而可由采用的天線方向圖特性確定應滿足的旁瓣增益包絡。軌位間隔越大，偏軸角越大，則旁瓣增益越小。

由式（2）分析可知，上行鏈路C/I值與本地球站軸向EIRP、干擾地球站偏軸EIRP、目標衛星軸向和偏軸接收增益有關，而干擾地球站偏軸EIRP又與其天線旁瓣增益有關，也即與天線偏軸角及旁瓣特性有關。因此，如果本地球站和干擾地球站發射功率一定，天線電尺寸D/λ也一定（D為天線口徑大小，λ為波長），衛星接收增益一定，則軌位間隔越大，干擾功率就越小，C/I也就越大；如果本地球站和干擾地球站發射功率一定，軌位間隔也一定，若天線電尺寸D/λ越大，則C/I也越大。

圖2 上行C/I與發射地球站天線口徑的關系曲線

圖3 下行C/I與接收地球站天線口徑的關系曲線

以軌位間隔2度為例， C頻段、Ku頻段、Ka頻段的上行C/I值大小與地球站發射天線口徑參數變化的關系如圖2所示。

由式（3）分析可知，下行鏈路C/I值與本衛星軸向EIRP和干擾衛星偏軸EIRP，以及目標地球站軸向和偏軸接收增益有關。因此，當衛星EIRP一定，軌位間隔一定（相應偏軸角一定，旁瓣接收增益一定），若天線電尺寸D/λ越大，則目標地球站軸向接收增益就越大，C/I也越大；當衛星EIRP一定，天線電尺寸D/λ一定（相應軸向接收增益一定），若軌位間隔越大，則旁瓣接收增益越小，C/I也就越大。

以Ku頻段為例，軌位間隔3度、6度、9度時下行C/I值與地球站接收天線口徑參數變化的關系如圖3所示。

4 結束語

以上分析論述了靜止衛星網絡實際載干比、門限載干比計算方法及影響載干比特性的因素，將有助于判斷軌位相近且同頻或鄰頻工作的衛星網絡間是否存在有害干擾，從而便于采取相應措施減輕靜止衛星網絡之間的干擾，促進完成新申報衛星網絡與其他衛星網絡的干擾協調，充分利用有限的靜止衛星頻率和軌道資源。

[1] 國際電信聯盟（ITU）,無線電規則,2012

[2] 國際電信聯盟（ITU）,程序規則,2009

[3] 陳豪等,衛星通信與數字信號處理,上海交通大學出版社,2011.1

[4] 王麗娜, 衛星通信系統, 國防工業出版社,2006.5

[5] ITU 建議書,ITU-R S.580-6,用于靜止衛星地球站天線設計的輻射圖,2003

[6] ITU 建議書,ITU-R S.465-6,2至31,GHz頻段FSS業務用于協調與干擾評估的地球站天線參考輻射模式,2010