GMR-1衛星移動通信系統同頻干擾問題分析及規避研究

丁亞南，龐文鎮

(南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

為了增加衛星移動通信系統容量，GSO衛星多采用多波束天線技術，它可以同時形成多個獨立的點波束，通過波束空間隔離實現多次頻率復用，從而大大增加系統使用帶寬，基于GMR-1標準的衛星移動通信系統[1]采用了多波束天線技術。雖然多波束技術可以提高系統容量，但同時也帶來了同頻干擾問題，即相隔一定物理距離的波束內頻率相同的載波相互干擾，給用戶造成了很大的困擾[2]，多波束衛星移動通信系統的同頻干擾研究，導致多個并行工作的終端用戶無法同時接入信關站系統中，降低了系統的呼通率。

本文結合GMR-1衛星移動通信系統的特點，提出適用于該系統的同頻干擾評估及干擾規避策略，系統實踐顯示，本文采用的干擾規避策略可極大地提高GMR-1衛星移動通信系統容量。

1 相關概念介紹

GMR-1系統[3]由衛星、地球移動站MES(Mobile Earth Station)、信關站GS(Gateway Station)和衛星操作中心SOC(Satellite Operation Center)等元素組成，在移動用戶與固定用戶之間，GMR-1系統提供GSM基礎業務如語音、數據傳輸、傳真、點對點短消息業務，以及小區廣播短消息業務和增值業務。通過公共和私人交換電信網絡如公共電話交換網(PSTN)，公共陸地移動網(PLMN)，GMR-1系統可以實現世界范圍內的互聯。圖1所示給出了GMR-1系統的元素組成圖。

圖1 基于GMR-1標準的衛星通信系統網絡結構

為了提高衛星通信的容量和頻譜利用效率，GSO移動通信衛星采用多波束天線技術，通過使用了若干個高增益的窄波束共同覆蓋較大的區域，每個波束的功率最大點即是波束中心點，這些窄波束能夠以高增益來覆蓋較大的地面區域，同時又能根據需要調整波束形狀。但多波束天線技術的應用帶來了相應的同頻干擾問題，特別是當終端以最大功率隨機接入信關站時，導致同頻波束對應頻率的干擾信號，若不加以控制規避，將導致大量用戶接入失敗。

1.1 GMR-1系統基本信道及要求

GMR-1系統中[4]定義了公共控制信道、專用控制信道、雙向業務信道等，其中，公共控制信道主要用于終端初始同步接入，專用控制信道終端與信關站控制信令傳輸，業務信道主要用于用于承載編碼的語音或用戶數據，這些信道的基本信息[5]及Es/N0的要求如表1所示。

表1 信道類型及誤幀率FER要求

1.2 GMR-1系統基本流程

GMR-1衛星移動通信系統的主要通信流程包括初始信道分配、入網、語音業務等，由于GMR-1衛星移動通信體制是基于GSM通信協議針對GSO衛星進行了適應性改造，其基本流程與GSM類似。

1.2.1 初始信道分配

初始信道分配過程發生在終端MES與GSC之間的隨機接入過程，MES利用公共的隨機接入信道獲得后續信令交互的專用控制信道，具體流程如圖2所示。

圖2 初始信道分配流程

(1)衛星終端首先通過RACH信道發起與GSC的隨機接入過程，獲取資源并進行上行同步；

(2)衛星終端獲得控制信道資源TCH后，則通過TCH向GSC發出L2層的SABM幀同步；

(3)GSC收到SABM同步幀后，向用戶發出UA同步確認幀，啟動后續的信令過程。

1.2.2 入網流程

入網流程即位置更新過程是由終端與GSC、MSC之間邏輯配合完成。MSC處理移動用戶的位置登記進程，與移動用戶對話并與位置寄存器交互信息。位置更新包括正常位置更新，周期性位置更新。具體流程如圖3所示。

圖3 入網流程

1.2.3 呼叫流程

呼叫流程是用戶MES實現與其他衛星用戶、PSTN用戶等的語音業務建鏈過程，具體流程與GSM呼叫流程一致。

2 干擾建模與分析

2.1 干擾建模

同頻干擾是指干擾信號的載頻與有用信號的載頻相同，并對接收同頻有用信號的接收機造成的干擾，是衛星系統中干擾的主要來源。從空間角度分析，干擾主要分為同星干擾、鄰星干擾。其中同星干擾影響較大。由于天線波束具有一定的寬度，地面發送天線會在同頻波束上產生干擾輻射(上行同頻干擾)，地面接收天線也會在同頻波束上接收到干擾信號(下行同頻干擾)，本文重點論證上行同頻干擾，終端與衛星之間的干擾如圖4所示。

圖4 終端與衛星之間的干擾示意

系統內的干擾可定義為所需要的信號功率與干擾功率之比(C/I)，而控制干擾的一個重要因素就是地球站的天線輻射方向圖。為了確定C/I與天線輻射方向圖的關系，有必要定義系統所涉及的集合關系。終端A和終端B分別在距離較遠的BeamA、BeamB兩個同頻波束中，上行同頻干擾的線路是：終端A發送，終端B所在的衛星波束也能收到干擾信號，經衛星透明轉發，信關站GS在兩個同頻波束內均收到終端A發送的信號，其中一個波束為干擾信號。

GS在波束BeamA接收到終端A的載波功率為[C]，則根據鏈路預算公式可得到：

[C]=[EIRP]A+[GGS]-[FSL]

其中[EIRP]是終端A的有效全向輻射功率，[GGS]是GS站接收天線的軸向增益。[FSL]是以分貝表示的自由空間損耗，包含了終端A到衛星、衛星到GS之間的傳輸路徑損耗。GS在波束BeamA收到的干擾載波功率的計算與載波功率相似，但必須考慮增加一個波束隔離度[Y]DdB，終端B對終端A上行干擾信號為：

[I]=[EIRP]B-[FSL]-[Y]D

則信關站在波束BeamA處終端B對終端A的上行干擾為[C/I]=[EIRP]A-[EIRP]B+[GGS]+[Y]D。

2.2 干擾分析

為了進一步分析同頻波束上的兩個終端上行發射對系統接收影響，本節分析了信關站接收到終端信號的C/N，具體如下：

(1)終端用戶鏈路上行[C/N]u=[EIRP]-[FSL]+G/T-[k]-[Bn];

(2)信關站饋電下行[C/N]d= [EIRP]-[FSL]+G/T-[k]-[Bn];

(3)信關站服務波束入口C/N=-10*log(1/([C/N]u)+1/([C/N]d)+ 1/(C/I));

(4)信關站同頻波束入口C/N=信關站服務波束入口C/N-波束隔離度[Y]D。

根據以上幾個公式，針對GMR-1 05.005協議[7]中提到的兩類終端進行C/N分析如表2所示。

表2 終端類型及C/N分析

根據GMR-1 05.005中描述RACH信道要求的Es/N0理論值為2.12 db，實際性能要考慮實現損耗帶來的惡化，因此，RACH在實際應用中C/N約為0 db左右。

當手持終端按7 dBW發射，當天氣條件較好時，根據鏈路預算理論計算可得同頻波束載噪比可達到3.04 db，最小為0.04 dB，滿足RACH的信道解調門限要求，若不加以控制，終端將通過服務波束和同頻波束同時接入到系統中，導致終端接入流程混亂而使得終端接入失敗，嚴重影響終端接入成功率，如圖5所示。

圖5 同頻干擾導致的流程錯誤

當手持終端發射功率為4 dBW，車載終端發射功率為11 dBW時，其手持信號在信關站側的C/N=10 dB 左右，而車載站在同頻波束的C/N可達到17.04 dB，若不針對便攜站的初始發射功率加以限制，車載終端發射的接入信號將覆蓋同頻波束下手持終端發射的信號，嚴重影響手持設備接入。

由于衛星采用多波束頻率復用技術，同頻波束之間的隔離度無法達到理想狀態，因此同頻波束之間必然存在干擾，按照GMR-1標準，終端總是以最大功率發射隨機接入及控制信道信號，若不對該信號進行處理，則將嚴重影響系統接入成功率。

3 干擾規避策略

3.1 隨機接入掩碼機制

為了有效規避隨機接入信號對接入流程的影響，采用在隨機接入消息編碼過程中增加隨機接入掩碼，信關站通過識別隨機接入消息中的接入碼字來解決同頻干擾帶來的通信問題，該方案對收到的隨機接入消息接入碼字進行分析識別，有效信號并允許有效用戶進入后續接入流程，無效接入消息直接在隨機接入階段丟棄。為此，其基本流程如圖6所示。

圖6 隨機接入掩碼規避流程

(1)系統根據波束復用及多顆星同頻波束覆蓋情況，將同頻波束的隨機接入掩碼設置為不同的值，按照GMR-1 05.003要求[5]，同一顆衛星最多可支持256個同頻波束，不同衛星同頻波束的隨機接入掩碼可設置為同一值，可利用空間隔離及距離實現同頻干擾規避；

(2)信關站根據隨機接入掩碼生成相應的廣播信息，并通過廣播信道向終端用戶下發廣播消息；

(3)終端收到廣播信道消息后，解析相應的隨機接入掩碼，并在發起隨機接入時，將隨機接入掩碼與隨機接入消息編碼消息生成的CRC進行異或，填入隨機接入消息；

(4)信關站收到隨機接入消息后，對隨機接入消息進行譯碼并對隨機接入消息進行CRC校驗，校驗后的CRC與該波束的隨機接入掩碼異或，若CRC正確則允許終端正常接入，否則，丟棄該終端的接入。

3.2 開環閉環相結合功率控制

為了有效規避便攜/車載類終端對手持類終端的影響，限制終端在隨機接入、專用控制信道上的最大發射功率，通過使用開環閉環相結合的功率控制策略，使得終端與終端之間的初始干擾(隨機接入)影響限制到最小，當進入到專用控制信道開始使用閉環功率控制。

3.2.1 開環功率控制

終端測量當前下行信號功率情況，當下行信號較好時，終端以最低功率發射隨機接入信號；當下行信號很差(終端可能處于波束邊緣或者遮擋地區)，終端適當發射功率發送隨機接入消息以保證信關站能夠正確解析隨機接入消息。具體流程如下：

(1)系統根據波束覆蓋情況配置當前波束的開環參數包括開環調整門限T，開環調整增益UpGain和DnGain等；

(2)信關站根據開環調整參數生成相應的廣播信息，并通過BCCH向終端用戶下發廣播消息；

(3)終端收到BCCH消息后，連續測量BCCH信號的鏈路質量，按照如下流程計算隨機接入的發射增益

計算BCCH的鏈路質量Lsnr，并將所收到的BCCH鏈路質量平均得到Lsnr_avg；

計算開環功率余量：S=Lsnr_avg-Lsnr;

如果S≥T，則

發射增益= 初始發射增益-UpGain×S

如果S≤T，則

發射增益= 初始發射增益-DnGain×S

(4)若終端未收到當隨機接入響應定時器超時后，重傳計數器的值加1，MES隨機回退后并在上次功率基礎上向上調整1 dB，并再次發送。如果重傳計數達到最大，取消隨機接入過程，通知用戶接入失敗。

3.2.2 閉環功率控制

閉環功率控制是在隨機接入過程后，在信關站對終端控制信道測量的基礎上，對終端上行的功率進行反饋，由終端自身根據情況進行動態調整，控制信道僅調整終端發射功率，信關站下行始終以最大功率進行發射。

4 結語

本文針對基于GMR-1的多波束衛星移動通信系統同頻干擾問題進行分析，利用隨機接入掩碼方式解決終端接入流程混亂問題，采用了開環閉環相結合的功率控制策略，降低終端隨機接入及信令交互階段的同頻干擾。