星地一體化通信系統地面網絡可用帶寬分析

成克偉，王五兔

（中國空間技術研究院西安分院，陜西西安710000）

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星地一體化通信系統地面網絡可用帶寬分析

成克偉，王五兔

（中國空間技術研究院西安分院，陜西西安710000）

摘要：星地一體化通信系統，是由基于多波束的衛星網絡與地面輔助網絡組成，它們共用一段頻率。輔助地面網絡的目的在于提高衛星波束在高密度人口區域的覆蓋性能，這些區域中，衛星通信由于高樓而受到信號陰影衰減。地面網絡的可用帶寬隨著禁區域衛星頻率復用改變而改變，為了更加準確分析地面網絡可用帶寬的多少，在假定某區域人口密度均勻分布的條件下，提出了禁區的概念與一種新的全概率計算方法，并利用該方法分析衛星波束頻率復用因子與禁區大小對地面輔助網絡可用帶寬的影響。

關鍵詞：星地一體化通信系統；禁區；地面網絡；可用帶寬

隨著移動通信的發展，僅靠陸地蜂窩通信系統無法全方位，無死角的為每個移動設備提供服務，比如高樓林立的高密度城市、室內信號覆蓋不佳、山區等；也無法為發生自然災害，或者某些突發的區域提供可靠的通信服務。在緊急情況下，地面通信信號微弱甚至中斷，啟用衛星鏈路回復通信服務是一種解決方案。

在“911”事件和卡特琳娜颶風之后，美國MSV和TerreStar公司開始研發基于輔助地面組件（Ancj11ary Terrestrja1 Component，ATC）技術的衛星移動通信系統，并于2008年發射TerreStar-1衛星；日本國家信息與通信技術研究所（The Natjona1 Instjtute of Informatjon and Communjcatjons Techno1ogy，NICT）也已開始研發一種星地一體化衛星移動通信系統（Sate11jte-Terrestrja1 Integrated Mobj1e Communjcatjon Systems，STICS），依靠用戶的位置信息和當前系統狀態為移動用戶提供衛星/陸地雙模服務。

由于采用雙模系統，所以衛星與陸地系統采用共享一定帶寬的頻率資源，這有利于降低射頻部分成本的降低，也有利于最大化利用有限的頻帶資源。而地面可用帶寬多少，決定著輔助地面網絡系統容量。

1　系統模型

星地一體化衛星通信系統由基于多波束空間衛星網絡SBN（Sate11jte Based Network）和輔助地面網絡ATN（Ancj11ary Terrestrja1 Network），空間衛星網絡SBN由衛星與衛星網關站組成；地面輔助網絡ATN由各種協議的基站、基站控制單元和網絡動態控制單元組成［1-3］，如圖1所示。

1.1衛星網絡

SBN由衛星和衛星網關組成，衛星為多波束衛星天線，衛星網關實現信號的處理。

采用透明轉發靜止軌道移動通信衛星，并采用大型可展開反射面多波束天線技術，提供足夠的EIRP和G/T值，實現地面移動終端與衛星的通信，這樣可以使地面終端可以采用較小口徑的天線實現高速率數據傳輸，支持衛星移動通信和寬帶通信業務。

圖1　星地一體化移動通信系統

反射面多波束天線的每個波束由主瓣翻蓋，其輻射方向圖如式（1）［4］：

1.2輔助地面網絡

ATN網絡由陸地蜂窩和各種協議的基站（GSM，CDMA2000，W-CDMA等），每個蜂窩區被分配一段頻率，由一個基站（base statjon）提供服務，該基站由發射器、接收器和控制單元組成。鄰近的蜂窩被分配給不同的頻率，但是，相互間距足夠遠的蜂窩區可以使用相同頻段。

1.3網絡動態控制中心

網絡控制中心動態的對SBN和ATN進行實時協調控制，而終端在系統的控制下自動地在ATN和SBN之間進行無縫切換。對用戶而言是覺察不出是通過ATN基站還是衛星進行通信。

1.4移動終端

系統服務目標是大量的移動終端用戶，終端設備采用衛星/基站雙模工作模式，設備采用極化隔離的內外置天線，內置天線對應基站服務模式，外置天線對應衛星服務模式。

2　禁區的劃分

在衛星采用多波束頻率復用技術和地面采用蜂窩移動通信技術的情況下，同一位置被覆蓋兩次。一個GSM地面蜂窩區半徑大小為100 m～35 km，一個波束寬度為1°的波束半徑徑大約300 km，故一個衛星波束范圍內有幾百至幾十萬個地面小蜂窩。

由于地面蜂窩移動通信子系統和多波束衛星子系統系統頻率公用，不可避免的發生系統內干擾。比如某個衛星波束中所有的地面小蜂窩在切換到基站服務模式時與該衛星波束（-3 dB寬度）使用相同頻帶資源，就會發生同頻干擾。故對這些小蜂窩在基站服務時，不能使用覆蓋他們的衛星波束頻率。

為減少系統內同頻干擾，地面移動終端在基站服務模式下，不能使用系統所有的頻率資源。而具體不能使用那些頻率，依靠該地面終端的位置信息和當前的系統狀態。為方便仿真計算，引入“禁區”的概念，定義為：以波束主瓣功率下降一定值（4 dB、5 dB…）所對應波束半徑為半徑的圓。定義“禁區”之后，3 dB波束寬度內地面移動終端用戶禁止使用“禁區”內劃分的頻率資源和部分相鄰波束內頻率資源［5-6］，如圖2所示。

圖2　禁區的定義原則

圖2中，多波束衛星系統，采用七色頻率復用方案。黑點代表地面終端或者基站（衛星上行鏈路與基站反向鏈路同頻，則黑點為地面終端，衛星上行鏈路與基站前向鏈路同頻，則黑點為基站），灰色圓圈是“禁區波束”。黑點位置是：F7波束內，并鄰近F4和F5波束；而其所在的“禁區波束”是：F4、F5和F7的交集中。故該黑點代表的地面終端用戶禁止使用F4、F5 和F7衛星波束劃分的頻率資源；而其距離F3和F6較近，故部分禁止使用F3和F6衛星波束劃分的頻率資源；而其距離F1和F2甚遠，超過同頻干擾的閥值，可以全部使用該段頻率。如上圖右圖所示。

3　地面網絡可用帶寬分析

在星地一體化衛星移動通信系統中，當地面終端用戶切換到基站服務模式時，會對衛星上行造成同頻干擾，而犧牲地面終端可用用戶頻率帶寬可以滿足衛星上行同頻干擾的要求。

地面移動終端用戶可以位于衛星波束中任何位置，以頻率復用因子7為例，其位置分為3種情況：1）終端用戶在波束圓心附近地域，此處禁止使用該波束頻率資源；2）終端用戶在波束邊緣附近，并且在兩個禁區波束交集的地域，此處禁止使用這兩個禁區波束所包含的波束的頻率資源，和禁止使用相近兩個波束的部分頻率資源，剩余3個波束的頻帶可自由使用；3）終端用戶在波束邊緣附近，且在3個禁區波束交集的地域，此處禁止使用這3個禁區的頻率，和禁止使用相鄰兩個波束的部分頻率資源，其他2個波束的頻帶資源可自由使用。

令系統總的可用帶寬為B，頻率復用因子為K=7，那么在多波束衛星系統的一個簇內，3種情況分別可用帶寬為：

其中，α是由地面系統容量與系統內同頻干擾綜合得出的加權因子。

在某一個衛星波束內，假定移動終端均勻分布，那么任一地面移動終端所處位置（3種情況之一）的可能性，與其所對應禁區波束交集面積大小在整個波束中的比例相等。令：某一個衛星波束在面積為S，上述3種禁區波束交集的面積分別是S1、S2和S3，則任一移動終端位置信息概率分布是：

利用全概率公式，平均某一移動終端在基站服務模式下，可用帶寬為：

4　系統參數及仿真結果

在星地一體化衛星移動通信系統中，禁區的大小是一個重要的參數，其半徑的大小直接影響地面移動蜂窩子系統可用的頻率資源，進而影響該子系統容量。不同的衛星覆蓋方案和衛星天線輻射方向圖，也會得到地面系統不同的可用頻率帶寬。如果“禁區波束”越小，星地一體化系統內同頻干擾越大；反之，地面系統可用頻率資源越少［7］。

衛星位于靜止軌道，反射面多波束天線半波束寬度為1°，染色因子為3、4、7和9，口徑最大增益為45 dB，方向圖函數中貝塞爾函數階數為一階，載波中心頻率為2 GHz，系統總帶寬為15 M。地面系統平均可用頻率資源隨著不同的禁區大小而發生變化，由下圖3可以知道，禁區越大，地面系統可用頻率資源越小；染色因子越大，地面系統可用頻率資源越大。

5　結論

圖3　不同禁區與頻率復用時地面網絡可用帶寬分析

星地一體化衛星移動通信系統提供終端用戶衛星/基站雙模無縫切換，解決了緊急突發事件造成的信號中斷和偏遠地區信號微弱甚至無信號的問題。衛星系統和地面系統共用一定頻率資源，緩解了頻率資源緊張的情況，也簡化了射頻部件結構；而頻率復用提高了系統容量，但也帶來了同頻干擾。本文分析了移動終端用戶在基站服務模式下，在一定的地面系統對衛星系統同頻干擾的條件下，分析了不同禁區大小，不同多波束衛星頻率復用因子時，地面系統的可用帶寬。

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Analysls of terrestrlal network's avallable sPectrum ln lntegrated satelllte and terrestrlal moblle systems

CHENG Ke-wej，WANG Wu-tu
（CAST-Xi'an Institute of Space Radio Technology，Xi'an 710000，China）

Abstract:The term“jntegrated system”refers to a system composed of a mu1tjbeam sate11jte based network and a ancj11ary terrestrja1 network that reuses the same frequency band than sate11jte's ones.The terrestrja1 component ajms at jmprovjng the sate11jte coverage jn hjgh1y popu1ated areas where sate11jte communjcatjons often suffer form a hjgh b1ockjng factor caused by the buj1djngs.The avaj1ab1e terrestrja1 spectrum changes accordjng to djfferent exc1usjon zone and the sate11jte frequency reuse pattern，jn order to ana1yze more accurate1y avaj1ab1e spectrum of terrestrja1 network under the condjtjon of unjform djstrjbutjon of popu1atjon densjty，exc1usjon zone js defjned and a new ca1cu1atjng method js obtajned by tota1 probabj1jty theorem.The jnf1uence of severa1 parameters such as the sate11jte frequency reuse pattern and the exc1usjon zone sjze between terrestrja1 and sate11jte ce11s js ptesented by the method.

Key words:jntegrated sate11jte and terrestrja1 systems；exc1usjon zone；terrestrja1 network；avaj1ab1e spectrum

中圖分類號：TN927+.2

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6236（2016）07-0090-03

收稿日期：2015-05-24稿件編號：201505212

作者簡介：成克偉（1987—），男，甘肅蘭州人，碩士研究生。研究方向：航天器天線技術。