我國Ka頻段衛星固定業務系統間干擾特性分析研究

韓銳 石會鵬 李偉 劉珊杉 梁驍

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

引 言

近年來,隨著衛星通信事業的迅速發展,傳統的對地靜止衛星軌道(Geostationary Satellite Orbit, GSO)系統由于軌道高、傳輸路徑長、信號時延和衰減都非常大等缺點, 已不能滿足市場對高速率數據應用的需求.中低軌道衛星通信系統成為未來衛星通信發展的主要方向,利用非對地靜止衛星軌道(Non-Geostationary Satellite Orbit, NGSO)衛星組網完成新的通信功能[1],如衛星互聯網和大容量通信.

2015年,在谷歌(Google)等互聯網巨頭的推動和支持下,一網公司(OneWeb)、太空探索公司(SpaceX)、三星(Samsung)、低軌衛星公司(Leosat)等多家企業提出打造由低軌衛星組成的衛星星座,為全球提供互聯網接入服務,在短期內迅速聚集人氣,引發全球強烈關注.由于Ka頻段具有可用頻率資源豐富、受電離層干擾小、易于實現頻率復用、用戶終端小等特點,上述低軌衛星星座系統幾乎都選擇Ka頻段作為業務頻段[2].

與GSO系統不同,NGSO系統,尤其是低軌衛星系統,由于其時變特性,衛星在空間的實時位置與運行的軌道、任務要求以及初始狀態密切相關,并且動態變化[3],因此與共享Ka頻段的GSO系統的干擾關系也隨時間而變化,主要是隨干擾源及被干擾對象相對位置的變化而變化,這就需要從時間統計和功率水平兩個維度來定義干擾標準,衡量干擾程度.這些特點決定了NGSO系統與GSO系統在頻率兼容性評估方法上的復雜性,需要通過計算機仿真等方法進行分析[4].

Ka頻段衛星通信已成為衛星通信發展的主要目標之一,特別是面臨全球信息高速公路的進一步發展,Ka頻段在大容量傳輸方面更有優勢[5].為了高效合理地利用Ka頻段資源,滿足我國寬帶衛星系統的發展需要,本文從我國申報的Ka頻段衛星網絡資料入手,首次針對我國Ka頻段衛星固定業務NGSO系統與GSO系統的干擾問題開展研究,重點關注饋線鏈路與用戶鏈路的干擾場景,通過理論分析與計算機仿真等手段,評估干擾水平,為兩系統間在Ka頻段的系統級兼容性分析提供理論依據.

1 Ka頻段衛星固定業務頻率劃分及 操作限值

1.1 頻率劃分

根據國際電聯《無線電規則》[6]第五條頻率劃分中的規定,對17.3～31 GHz的Ka頻段進行了使用劃分,根據使用條件可以將上述頻段大致分為5類:

1)可用于衛星固定業務的高密度應用的頻段:根據《無線電規則》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,用于支持衛星固定業務的高密度應用.

2)同時劃分給固定業務的頻段:在Ka頻段,大多數衛星固定業務都與固定業務有同等地位,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分配業務(Local Multipoint Distribution Services, LMDS).

3)GSO系統與NGSO系統具有同等地位的頻段:在1997年召開的世界無線電通信大會(WRC-97)上,對《無線電規則》進行了修訂,引入了22.2條款,即NGSO系統使用衛星固定業務、衛星廣播業務劃分的頻段時不得對使用GSO系統的衛星固定業務、衛星廣播業務系統造成不可接受的干擾,亦不得尋求GSO對NGSO的保護.但是在18.8～19.3 GHz/28.6～29.1 GHz頻段,以及允許衛星移動業務的NGSO系統的饋線鏈路頻段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系統不再提供保護,而是按《無線電規則》第9.11A條款進行協調(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(WRC-2000)之后,《無線電規則》同時對部分C、Ku以及Ka頻段提出了保護GSO系統的epfd限值.

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

1.2 操作限值

《無線電規則》雖然為衛星固定業務劃分了上下行各3.5 GHz的頻率資源,但是NGSO系統使用這些頻率資源卻有諸多限制.在Ka頻段劃分給衛星固定業務的頻率資源中,除18.8～19.3 GHz/28.6～29.1 GHz頻段和允許衛星移動業務的NGSO系統將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系統的地位始終低于GSO系統,無論申報資料時間早晚,包括未來不斷申報的GSO衛星系統.

對于衛星固定業務中的NGSO系統,《無線電規則》第22條規定了其上下行的epfd限值,其中與Ka頻段相關的限值要求與相應時間百分比如圖1所示.

圖1 19.7～20.2 GHz NGSO系統下行epfd限值

2 系統模型研究

2.1 干擾場景研究

本文關注我國NGSO系統對GSO系統在同頻使用Ka頻段衛星固定業務時的干擾情況.針對GSO系統,通過國際電聯在線數據庫[7],選擇定位于110.5°E,啟用SINOSAT-5衛星網絡資料的衛星作為研究對象,這將是我國第一顆Ka頻段寬帶通信衛星;針對NGSO系統,由于我國還未有以Ka頻段作為業務頻段的衛星星座,因此衛星星座參數參考我國FORTRAN衛星網絡資料.

NGSO星座系統對GSO系統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星座系統對GSO系統用戶鏈路干擾場景

在用戶鏈路干擾場景中,NGSO系統衛星與NGSO用戶通過上下行用戶鏈路進行通信.當GSO系統使用同頻的上下行用戶鏈路與GSO用戶進行通信時,GSO系統用戶上行鏈路中的GSO衛星接收會受到來自NGSO用戶的上行干擾.同樣地,GSO系統用戶下行鏈路中的GSO用戶接收會受到來自NGSO衛星的下行干擾.

圖3 NGSO星座系統對GSO系統饋線鏈路干擾場景

在饋線鏈路干擾場景中,NGSO系統衛星與NGSO信關站通過上下行饋線鏈路進行通信.當GSO系統使用同頻的上下行饋線鏈路與GSO用戶進行通信時,GSO系統饋線上行鏈路中的GSO衛星接收會受到來自NGSO信關站的上行干擾.同樣地,GSO系統饋線下行鏈路中的GSO信關站接收會受到來自NGSO衛星的下行干擾.

2.2 傳播模型分析

在衛星通信系統間的干擾分析過程中,對通信信號傳播損耗的模擬與計算是干擾分析的重要基礎,因此針對不同仿真場景選擇合適的傳播模型對仿真結果的合理性顯得尤為重要.國際電聯無線電通信部門(ITU-R)第三工作組(WG3)主要負責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.

結合2.1節的干擾場景研究,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.假設自由空間傳輸損耗為L,則自由空間傳輸損耗可由式(1)計算:

(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.式(1)也可用頻率代替波長表達,則式(1)轉換為

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.

預計雨衰超過年均0.01%的時間表征為A0.01,則雨衰表達為

A0.01=γRLE

(4)

式中:γR是與頻率相關的特定衰減;LE為考慮降雨情況下的信號有效路徑長度.

2.3 保護限值計算方法

在對衛星系統間進行干擾評估時,首先需要設立干擾保護準則,用以判斷干擾系統對被干擾系統的影響是否超出了受擾系統能夠承受的門限值.在衛星系統的保護限值計算中,通常使用的參數有衛星或地球站發射功率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.

對于衛星固定業務中的單入干擾,ITU-R建議書 S.741[9]給出了相關干擾保護標準,在被保護系統C/N的基礎上加上12.2 dB作為被保護系統的C/I限值.

為了評估NGSO星座系統對GSO系統的影響,引入epfd對這種影響進行評估,其計算方式為

(5)

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

3 干擾仿真及分析

在系統建模與仿真分析的軟件實現方面,主要

使用由英國TSL(Transfinite Systems CO. Ltd,TSL)公司開發的Visualyse Professional軟件[11].該軟件是國際電聯唯一指定的用于國際電聯通信標準驗證的商業軟件,其主研人員為國際電聯標準制定小組的專家成員.軟件基于ITU-R系列標準及建議書,提供GSO系統的衛星軌道建模以及NGSO系統的星座建模,擁有國際電聯推薦的傳播模型庫,并可模擬任意系統(點對點、點對多點、復雜通信系統)間在頻帶內或頻帶外、極化、帶寬等因素引起的干擾,是對ITU-R所關注的干擾進行分析的主流工具.

本研究考慮NGSO系統對GSO系統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 仿真參數選取

干擾分析過程中使用的SINOSAT-5與FORTRAN參數從國際電聯第2834期頻率信息通報(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,衛星總數156顆,軌道面數13,面間經度差為15.384 6°,其余鏈路參數取值具體如表1.

表1 Ka頻段衛星網絡仿真參數

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通信的信關站有三個,分別位于北京、都江堰與喀什,仿真假設在此三個信關站周圍都有NGSO星座系統的信關站與其衛星星座通信,并分別距離北京、都江堰、喀什信關站1 、10、100 km.在SINOSAT-5衛星與信關站進行雙向通信時,上行通信SINOSAT-5衛星受到NGSO星座系統信關站的干擾,下行通信SINOSAT-5信關站受到NGSO星座系統衛星的干擾.

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,假設與SINOSAT-5通信的GSO用戶站點有三個,分別位于北京、都江堰與喀什,每個GSO用戶周圍都部署有NGSO星座系統用戶熱點,考慮NGSO星座系統用戶波束有54個,采用6色頻率復用方式,每段頻率最多支持9個用戶熱點,因此以最大接入用戶熱點為建模場景,每個GSO用戶站點周圍部署9

個NGSO星座系統用戶熱點,采用蒙特卡洛仿真方法,分別在半徑1 km,10 km,100 km的圓形區域隨機撒點,研究波束內同一段頻率對SINOSAT-5的同頻干擾.在SINOSAT-5衛星與用戶進行雙向通信時,上行通信SINOSAT-5衛星受到NGSO星座系統用戶的干擾,下行通信SINOSAT-5用戶受到NGSO星座系統衛星的干擾.

圖6 FORTRAN對SINOSAT-5用戶鏈路干擾場景

3.3 仿真結果分析

根據SINOSAT-5衛星網絡資料,結合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《無線電規則》第22條中,100%情況下不受干擾的取值,仿真時長設定3個月,仿真間隔為10 s.

GSO系統三個不同站點在饋線鏈路和用戶鏈路上下行的仿真結果如表2所示.

表2 各鏈路上下行仿真結果

從以上結果可以看出,由于在饋線鏈路下行頻段,SINOSAT-5使用18.13 GHz頻段,NGSO星座系統使用20.7 GHz頻段,雙方衛星網絡不存在頻率重疊,因此SINOSAT-5饋線鏈路下行不會受到NGSO星座系統衛星的干擾.對于饋線鏈路上行,在同頻使用情況下,NGSO星座系統沒有超出epfd限值,但是信干噪比在所有仿真時長內都超出了限值范圍,最差情況來自緯度較低的都江堰信關站,與限值相比有將近46 dB的差異,SINOSAT-5饋線鏈路上行會受到NGSO星座系統信關站的嚴重干擾.對于用戶鏈路上下行,NGSO星座系統用戶在三個仿真地點對SINOSAT-5衛星的信干噪比都維持在-59 dB左右,在所有的仿真時長內遠超門限值,因此SINOSAT-5衛星用戶鏈路上下行受到NGSO星座系統的嚴重干擾.

綜合以上饋線與用戶上下行鏈路仿真結果,SINOSAT-5衛星系統除饋線鏈路下行因頻率隔離不受NGSO星座系統影響外,其余通信鏈路都會受到來自NGSO星座系統的嚴重干擾.

3.4 干擾規避初探

鑒于低軌衛星星座的多軌道面的特點,對GSO系統產生的干擾具有多干擾源特性,為降低乃至避免NGSO星座系統對GSO系統在Ka頻段的干擾,建議使用高效的調制編碼技術用以提高頻率利用率,在有限的帶寬內傳輸更高的數據速率,進而為NGSO與GSO系統分頻使用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,降低系統間波束相重疊的概率,減小干擾的發生.

更進一步地,在NGSO星座系統設計階段將軌道因素考慮在內,利用高低軌道差與自身星座系統特性,研究在GSO系統信關站與用戶周圍設立仰角禁區的可能性.在仰角禁區內將NGSO系統的主瓣服務波束切換為系統內臨近低軌衛星的旁瓣波束,從而改變低軌衛星信號發射的方向和電平值,有效消除對同步軌道衛星的干擾[13].

4 結 論

本文從Ka頻段衛星固定業務頻段劃分及操作限值入手,系統梳理分析了我國NGSO星座系統對GSO系統在Ka頻段衛星固定業務的干擾保護標準及保護限制計算方法,并對干擾場景與傳播模型進行分析研究.在此基礎上,針對我國NGSO星座系統對GSO系統在饋線鏈路與用戶鏈路兩種通信場景下的干擾情況進行仿真分析.仿真結果表明,在雙方系統的重疊頻段,即使epfd滿足《無線電規則》相關限值要求,通過信干噪比的仿真計算,在所有的仿真時長內,NGSO星座系統都會對GSO系統的上下行通信造成嚴重干擾.

下一步工作將針對NGSO星座特點,推導低軌衛星仰角禁區與NGSO軌道特性的關系,從而得出特定星座構型特性下的干擾抑制方案.

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