典型低軌通信星座系統(tǒng)的確定性干擾分析

韓 銳，張 磊，劉珊杉通訊作者

（國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037）

1 低軌通信星座系統(tǒng)

隨著全球互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)需求的爆炸式增長，低軌通信星座系統(tǒng)成為了當(dāng)今和未來一段時間研究的熱點(diǎn)。而OneWeb、Starlink、Telesat和Kuiper等典型星座的快速發(fā)展，更是吸引了全球技術(shù)專家和投資資本對低軌通信星座系統(tǒng)的關(guān)注[1][2]。

低軌衛(wèi)星的軌道高度一般為500-2，000 km，相對較低的高度使衛(wèi)星傳輸延時更短，路徑損耗更小。低軌通信星座系統(tǒng)旨在通過數(shù)千顆低軌衛(wèi)星在全球范圍內(nèi)提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入，對于偏遠(yuǎn)地區(qū)來說，低軌互聯(lián)網(wǎng)比傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)部署更加簡便、成本更加低廉。

2 FCC批準(zhǔn)的主要低軌通信星座概述

目前，全球低軌通信星座數(shù)量較多，其中在美國聯(lián)邦通訊委員會（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）申請并予批準(zhǔn)的低軌通信系統(tǒng)就有6個[3]，具體信息如表1所示。可見，低軌通信星座的軌道構(gòu)型比較復(fù)雜，可以是多種軌道高度、軌道面和軌道傾角的組合，主要使用的頻率資源為Ku、Ka和Q/V頻段。

3 干擾確定性計算

為了評估低軌通信星座系統(tǒng)對其他低軌通信星座系統(tǒng)地面終端的干擾，本文選取OneWeb、StarLink、Telesat和Kuiper四個典型星座，依據(jù)公開資料中的技術(shù)參數(shù)，建立干擾與受擾的模型來評估低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)間地面終端的干擾情況。

表1 FCC批準(zhǔn)的主要低軌通信星座概況

3.1 典型低軌衛(wèi)星星座參數(shù)

通過查詢國際頻率信息通報（BR IFIC 2919，2020.04.28），以及網(wǎng)絡(luò)公開信息，典型低軌星座OneWeb、StarLink、Telesat以及Kuiper的相關(guān)天線、波束等參數(shù)[4]如表2所示。

可以看出，大部分低軌星座的衛(wèi)星天線類型為ITU-R S.1528模型[5]，亞馬遜公司的Kuiper衛(wèi)星則為自定義天線類型。終端天線類型全部為《無線電規(guī)則》附錄8（AP8）天線模型，在噪聲溫度、增益等參數(shù)上有所不同。

3.2 確定性計算方法

表2 典型低軌星座相關(guān)參數(shù)

2.未查詢到公開數(shù)據(jù)，假定值。

通過地球半徑R、衛(wèi)星軌道高度h，衛(wèi)星建鏈仰角θ，假設(shè)衛(wèi)星天線指向星下點(diǎn)位置，當(dāng)衛(wèi)星按照運(yùn)行軌道逐漸移動至受擾終端，計算干擾噪聲比達(dá)到干擾協(xié)調(diào)門限（I/N≥-12.2）時，衛(wèi)星到達(dá)地面的功率通量密度（到地PFD）和衛(wèi)星與受擾終端之間的最小隔離角度φ。

圖1 干擾計算示意圖

干擾噪聲比可通過衛(wèi)星等效全向輻射功率、天線增益、噪聲溫度、路徑損耗等參數(shù)計算，具體計算公式如下：

I/N=EIRPT+Gr-L-k-TS-BN（1）

式中，EIRPT為干擾衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)射信號的EIRP值，單位dBW；Gr表示被干擾系統(tǒng)接收端天線增益，單位dBi；L為衛(wèi)星通信信號傳播損耗，單位dB；k為玻爾茲曼常量；TS為被干擾衛(wèi)星系統(tǒng)接收端系統(tǒng)噪聲，單位K；BN為干擾衛(wèi)星系統(tǒng)接收端噪聲等效帶寬，單位Hz。

4 干擾分析結(jié)果

4.1 不同星座下行鏈路干擾協(xié)調(diào)計算結(jié)果

不同星座衛(wèi)星從可通信仰角起始，逐漸運(yùn)行至受擾點(diǎn)過程中，達(dá)到干擾協(xié)調(diào)門限（I/N≥-12.2）時，衛(wèi)星到地PFD、衛(wèi)星與受擾終端之間的最小隔離角度，以及受擾時長如表3所示。

表3 計算結(jié)果

4.2 軌道高度與通信仰角的影響

為分析衛(wèi)星軌道高度與通信仰角對受擾點(diǎn)隔離角、到地PFD以及影響時長的影響，固定其他參數(shù)不變，將衛(wèi)星軌道高度和通信仰角從500 km至1，100 km、20°至60°等間隔采樣，得到如圖2結(jié)果。

圖2 到地PFD計算結(jié)果

如圖2所示，隨著衛(wèi)星軌道高度的增大，到地PFD逐漸減小，這主要是由于衛(wèi)星到干擾點(diǎn)的距離的隨之增大。同時可見衛(wèi)星可通信仰角對到地PFD的影響較小，在同一軌道高度下的條件下，不同的通信仰角其衛(wèi)星運(yùn)行至干擾協(xié)調(diào)觸發(fā)點(diǎn)的到地PFD基本一致。

圖3 隔離角計算結(jié)果

如圖3所示，受擾點(diǎn)的隔離角度（即與干擾衛(wèi)星的偏軸角度）隨著衛(wèi)星軌道高度的增大而減小，取值范圍大致從3.3°至1.5°變化。可通信仰角對隔離角度影響較小。

圖4 影響時長計算結(jié)果

影響時長隨軌道高度和衛(wèi)星可通信仰角的變化如圖4所示。由于影響時長可由隔離角兩倍弧長除以衛(wèi)星在軌道中的線速度得出，因此影響時長的整體趨勢與圖3隔離角的趨勢基本相同。隨著衛(wèi)星軌道高度從500 km增加到1，100 km，影響時長從100 s左右降低至50 s。

5 結(jié)束語

通過上述分析可以得出結(jié)論，到地PFD、隔離角和受擾時長受軌道高度的影響較大，而受通信仰角的影響較小。

本文提供的分析框架用于開展干擾的確定性分析，采用的各類仿真參數(shù)主要來源于ITU公開發(fā)布的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料，與工程實(shí)際取值有一定差異，后續(xù)研究可從以下幾個方面深入：

（1）鏈路預(yù)算角度。后續(xù)可以考慮軌道精度、大氣衰減、雨衰，以及指向精度的影響。

（2）通信的實(shí)際地理環(huán)境。實(shí)際干擾計算中可通信仰角還需考慮周圍地理環(huán)境的影響，如天際線仰角等。

（3）干擾門限標(biāo)準(zhǔn)。目前的干擾協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)采用的是干擾將接收端底噪抬升12.2 dB方法，在實(shí)際系統(tǒng)中，可以通過計算C/（N+I）與受擾系統(tǒng)的解調(diào)門限相比較，這就需要進(jìn)一步研究分析受擾系統(tǒng)的誤碼率、調(diào)制方式等一系列鏈路級參數(shù)。

（4）天線模型。目前衛(wèi)星操作者在申報網(wǎng)絡(luò)資料時，衛(wèi)星天線模型基本都采用ITU-R S.1528模型，但是從網(wǎng)絡(luò)公開宣傳資料看，使用相控陣天線居多，并且形狀不規(guī)則，如圖5所示。不同的天線賦型與半波角寬度、頻率復(fù)用方式，以及波束覆蓋，都對仿真結(jié)果有較大影響。

圖5 典型低軌星座天線覆蓋圖

綜上，如考慮如上因素進(jìn)行定性分析，真實(shí)情況下當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過受擾點(diǎn)時，受擾地球站無法解調(diào)信號的隔離角度將進(jìn)一步縮小，同時導(dǎo)致影響時間將進(jìn)一步變小。