低軌衛星物聯網與地面物聯網間同頻干擾研究

吳翔洲 柏會凱 杜吉慶

南京熊貓漢達科技有限公司

0 引言

物聯網能直接改變整個人類社會的生產方法，其中，窄帶物聯網技術更是憑借其自身待機時間長、能耗低以及覆蓋面廣等優勢，逐漸成為一種代表性的低功耗廣域網技術。窄帶物聯網技術的應用需要在地面設置基站，建設成本偏高，并且受地理條件等因素的影響，目前仍有部分區域無法建設地面基站和通信網，為此，需要將衛星物聯網當成地面物聯網進行有效擴展和延伸。

1 干擾場景分析

地面物聯網和衛星物聯網兩者之間干擾場景如下。在衛星物聯網對應上行鏈路中，地面物聯網裝置容易干擾衛星物聯網；而在地面物聯網相關下行鏈路中，衛星物聯網裝置也容易對地面物聯網形成下行干擾。除了LTE系統和衛星通信系統之間形成上下鏈路之間的同頻干擾以外，多波束衛星天線波束同頻復用以及衛星通信系統覆蓋下蜂窩小區對應同頻復用技術也給衛星通信系統帶來上下行同頻干擾。

低軌衛星通信系統在實際運行中具有傳播損耗小、功耗低、傳輸時延短等特征，因此成為衛星物聯網建設實現的基礎選擇。頻譜資源有限、覆蓋范圍較廣，衛星物聯網在初步接入海量物聯網設備的過程中，需要和地面現存物聯網之間實現共享頻譜。衛星和地面之間物聯網上下行干擾成為當下的主要研究問題。

2 干擾方法分析

2.1 上行干擾

結合衛星物聯網以及地面物聯網處于共享頻譜條件下上行干擾場景分析，參考銥星系統對應波束覆蓋狀況，分析得知衛星對應點波束的數量一共為48個，選擇12個色頻率復用，而一個衛星主要覆蓋范圍在4個同頻復用波束區域，單純結合衛星小區以及地面小區兩者之間干擾考慮來看，衛星同頻小組之間干擾并不屬于考慮范圍內。

因為衛星物聯網尚未推出統一的行業標準，本文主要選擇通過依次改變物聯網相關設備發射功率、設備數量，來調整星下點方向的夾角，模擬衛星在不同覆蓋范圍下所屬干擾場景內的物聯網設備對衛星物聯網造成的干擾程度。

2.2 下行干擾

衛星對地面物聯網相關設備會形成下行干擾。結合銥星系統相關運行參數，衛星物聯網內的單獨衛星對應覆蓋區域整體直徑在4 700 km左右，所以衛星波束會進一步覆蓋至城市區域內的地面物聯網區域，導致對相關地面設備形成某種下行干擾。同時，衛星物聯網對應衛星星座內存在66顆衛星，以6個極地圓軌道為核心繞行，大部分條件下，地面物聯網對應運行設備所承受的下行干擾來源，也就是說，衛星個數并非只有一種，而是應該與此刻覆蓋至參考地面物聯網設備全部衛星個數一致。

單獨衛星對于地面物聯網相關運行設備所形成的干擾，在計算下行干擾鏈路過程中，基本和上行干擾鏈路計算過程一致。衛星通信系統在和地面LTE系統處于共享頻率條件下，對應下行干擾和上行干擾抑制，主要差異是用戶設備、地面通信基站以及衛星多波束天線同頻復用等條件下形成的下行干擾，是衛星物聯網設備主要下行干擾來源，地面系統所承受的下行干擾源始終保持不變。為此，在計算中只需替換干擾參數。

3 仿真結果分析

3.1 上行干擾仿真結果

部分衛星物聯網以及地面物聯網對應鏈路參數如表1所示。

表1 衛星物聯網以及地面物聯網之間鏈路參數

衛星物聯網設備處于不同發射功率條件下，對應衛星接收載干比的波動變化也會有所不同。隨著衛星物聯網對應覆蓋區域內設置的物聯網設備數量擴大，載干比提升，則干擾程度也相繼上升。在衛星物聯網相關設備對應發射功率的上升，對應載干比降低，干擾水平下降。地面物聯網對應設備設置數量主要是處于相同時刻中信號發射較為活躍的設備數量，通常在地面物聯網所有設備總和中大概占據10%，而室內地面物聯網裝置在地面物聯網的設備總和中大概占據80%，其對衛星形成的上行干擾功率會出現額外的墻壁傳播損耗，在25 dB左右。分析結果發現，衛星物聯網對應設備信息發射功率會超出大約5 W。

從衛星物聯網對應設備信號發射方向、星下點方向對應夾角、地面設備設置數量等不同條件入手，分析其形成的上行干擾。假設衛星物聯網對應設備發射功率是7 W，則將10 000種地面物聯網裝置當成干擾源參考數量，如果系統要求C/I大于9 dB，衛星物聯網相關設備的信號發射方向以及星下點之間夾角則低于20°。

3.2 下行干擾仿真結果

隨著地面物聯網相關設備覆蓋范圍的不斷擴大，其下行鏈路范圍內的傳播損耗進一步增加，所產生的干擾程度相繼提高。隨著地面物聯網相關裝置發射角度以及星下點之間夾角的擴大，衛星下行鏈路所覆蓋內的空間傳播損耗相繼擴大，降低了整體干擾水平。而地面物聯網相關C/I設定閾值是9 dB，通過分析可知，地面物聯網相關基站小區半徑低于1.5 km。將地面物聯網基站對應覆蓋面積設置為1.5 km，分析24 h之內多個衛星對參考地面相關物聯網設備形成的下行干擾波動狀況可知，地面上的物聯網裝置C/I在多星覆蓋衛星數量呈現出較大曲線變化的條件下，基本能夠滿足地面物聯網干擾要求。考慮城市內地面物聯網相關小區半徑是0.5 km，城市內地面物聯網小組能夠承受衛星物聯網所形成的下行干擾。至于部分人數較少的地區，比如農村、山區等，在地面物聯網相關數量限制以及基礎設施成本等因素的影響下，對應物聯網覆蓋半徑普遍會超出1.5 km，為此，對于部分農村、山區等人口較少的區域，應該對衛星物聯網以及地面物聯網間現存的地下干擾實施抗干擾優化設計。

本研究對衛星物聯網以及地面物聯網在實際運行中處于共享頻譜條件下所形成的上下行干擾程度以及干擾場景實施仿真分析。仿真結果表明，在當下的假設參數狀態下，為了進一步控制衛星物理網所受的上行同頻干擾，衛星物聯網對應設備發射功率需要控制在5 W以上；衛星物聯網設備在面向衛星進行信號發射時，應盡量選擇衛星對應星下點以及地面發射方向之間夾角低于20°的衛星實施通信。為了有效控制下行同頻對地面物聯網相關設備造成的干擾和影響，需要盡量把地面物聯網覆蓋半徑減小到1.5 km之內。同時，也要注重對不同場景的建設。例如，在城市環境下，對應物聯網覆蓋半徑滿足上述條件；處于人口密度較為稀疏的地區，地面設置的物聯網設備數量有限，基礎實施建設成本高，對應覆蓋半徑也許會超出2 km，需要不斷優化系統之間的抗干擾能力。在實際運行中，衛星物聯網需要同時接入海量設備，需要采取有效措施不斷提升系統抗干擾能力，并實時監控系統之間的干擾水平，當存在較為嚴重的干擾問題時，需要針對系統實施有效的協調處理，實現智能控制。

4 結束語

綜上所述，在實際運行中，地面物聯網和低軌衛星物聯網之間容易出現同頻干擾等現象，從而影響整個物聯網的運行質量，為此，需要進行深入分析，根據實際情況制定有效的解決措施，以順利實現萬物互聯的物聯網為發展目標，提高衛星物聯網的可行性。