基于干擾對齊的NGSO 星座系統(tǒng)同頻干擾抑制

杜冰，李家旺，王先梅，李偉，劉向南，張海君

（1.北京科技大學計算機與通信工程學院，北京 100083；2.國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037）

1 引言

近幾年，衛(wèi)星通信得到了迅速發(fā)展，非靜止衛(wèi)星軌道（NGSO,non-geostationary satellite orbit）通信系統(tǒng)相較于靜止衛(wèi)星軌道（GSO,geostationary satellite orbit）通信系統(tǒng)鏈路傳播損耗小、傳輸時延小，采用極軌道或大傾角軌道時可為高緯度地區(qū)提供服務，成為當前衛(wèi)星通信發(fā)展的熱點。然而，衛(wèi)星頻率資源是有限的，國際電信聯(lián)盟（ITU,international telecommunication union）對于頻率的申請實行“先登先占”的原則[1]，各國爭相向太空發(fā)射低軌衛(wèi)星，同頻干擾是一個亟待解決的問題。同頻干擾指的是2 個或多個衛(wèi)星系統(tǒng)使用的載波頻段可能會有部分重疊，此時，一個衛(wèi)星系統(tǒng)載波所攜帶的信號對其他系統(tǒng)來說就是無用信號，會對接收機造成干擾。

關于解決同頻干擾，頻率兼容的技術可從空間、功率、信號分割3 個角度去考慮[2]。文獻[3]利用馬爾可夫鏈推導出一個GSO 地球站的保護區(qū)域，NGSO 地球站不允許分布在保護區(qū)，然后基于期望干擾和GSO 衛(wèi)星的中斷約束，推導出最能保證系統(tǒng)性能的保護半徑大小。從而協(xié)調(diào)了GSO 星座系統(tǒng)與NGSO 星座系統(tǒng)的頻譜共存，本質(zhì)上屬于空間域的一種隔離技術。文獻[4]中提到，OneWeb 低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)采用一種被稱為“漸進俯仰”的專利技術，通過調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)以及發(fā)射功率以避免對GSO 衛(wèi)星的強烈干擾。這屬于一種空間域和功率域結合的干擾緩解技術。在信號分割方面，文獻[5]提出了一種使用假設檢驗以及最大后驗的頻譜策略來區(qū)分GSO星座信號與干擾NGSO 信號和噪聲，有針對性地保護GSO 星座系統(tǒng)。

干擾對齊是在對干擾網(wǎng)絡容量分析中出現(xiàn)的一種思想。這種思想已經(jīng)對有線和無線通信網(wǎng)絡中的可接入信令維度的數(shù)量產(chǎn)生了一系列基本解決方案。文獻[6]研究了一種底層頻譜共存機制，在多波束衛(wèi)星與同一頻譜內(nèi)的單波束衛(wèi)星共存場景下，利用干擾對齊減輕了認知發(fā)射機在正常上行鏈路模式下對主接收機的干擾，證明干擾對齊可有效緩解衛(wèi)星通信中的同頻干擾問題。傳統(tǒng)的香農(nóng)理論仍然是干擾對齊算法的基礎，這些算法包括預編碼、盲對齊和遍歷對齊等，并直接或間接應用于無線干擾網(wǎng)絡、協(xié)作通信網(wǎng)絡、認知無線電網(wǎng)絡和有線多單播網(wǎng)絡等網(wǎng)絡結構。盲干擾對齊要求信道條件必須滿足一定的特殊性，實際情況難以符合，導致其實用性不強。遍歷對齊方案雖然簡單，但其一個重要限制是等待互補狀態(tài)所涉及的時延會隨著用戶數(shù)的增加而增加，不適合大規(guī)模NGSO 星座系統(tǒng)。本文提出利用干擾對齊中的預編碼技術[7]來解決低軌衛(wèi)星系統(tǒng)中的同頻干擾問題。預編碼技術先在發(fā)射端對信號進行處理，使干擾信號方向性更強，減小所占的信道容量，這樣就可以減弱甚至消除干擾對期望接收到的信號的影響。本文方法與現(xiàn)有的一些處理干擾的方法（例如：①將干擾忽略不計。②對干擾信號進行解碼然后重構干擾信號，最后消除干擾。③將信號正交化以減小干擾）不同，預編碼是減小干擾信號所占的信號維度，使系統(tǒng)獲得最大自由度[8]。

2 NGSO 星座系統(tǒng)下行干擾模型建立

星座系統(tǒng)的通信干擾主要是由于頻譜重疊產(chǎn)生的，因為頻譜資源短缺，重疊在所難免。本文考慮的干擾為下行鏈路中的干擾，即衛(wèi)星上的發(fā)射機向地球站傳輸信號時，同時有其他衛(wèi)星上的發(fā)射機發(fā)射信號造成干擾。

對Ka 頻段的傳播特性研究表明：在不考慮天氣影響的情況下，對于L/S 頻段的移動衛(wèi)星信道模型的一些基本思想也同樣適用于Ka 頻段[9]，因此在建立通信鏈路信道模型時，有2 種無線信道模型可供參考，即Lutz 模型和Corazza 模型。Lutz 模型將衛(wèi)星與地球站之間的信道分為“好”“壞”2 種狀態(tài)，又稱兩狀態(tài)模型[10]；Corazza 模型假設接收信號中的直射信號分量和多徑信號分量均受到陰影遮蔽的作用，是全陰影模型[11]。Lutz 模型和Corazza 模型均適用所有的衛(wèi)星移動通信信道環(huán)境，但相比較來說，Lutz 模型適用于描述靜止衛(wèi)星軌道信道的傳播特性，Corazza 模型適用于描述非靜止衛(wèi)星軌道信道的傳播特性[12]。

2.1 NGSO星座系統(tǒng)與GSO 星座系統(tǒng)之間的干擾模型

在圖1 所示的干擾場景中，位于GSO 衛(wèi)星上的發(fā)射機所發(fā)射的信號被GSO 地球站接收到，鏈路“GSO 衛(wèi)星-GSO 地球站”為有用信號鏈路，信道用HGG表示。“NGSO 衛(wèi)星-GSO 地球站”為干擾信號鏈路，信道用HLG表示。

圖1 NGSO 星座系統(tǒng)干擾GSO 星座系統(tǒng)下行鏈路示意

HGG信道中存在直射信號分量且假設沒有陰影遮蔽，采用Lutz 模型中的“好狀態(tài)信道”，接收信號的包絡r1服從萊斯分布，其概率密度函數(shù)為

其中，z1為直射波信號的幅度為平均多徑功率，I0(·)為零階修正貝塞爾函數(shù)[13]。

令s為接收信號的功率，則的概率密度函數(shù)為

式(2)可以看成HGG模型的理論計算表達式。

對于NGSO 星座系統(tǒng)信道建立選擇Corazza 模型，可以認為其信道的概率分布服從萊斯和對數(shù)正態(tài)的聯(lián)合分布，其信號包絡r2服從

其中，f（r2|z2）是某一給定陰影條件下的萊斯分布

其中，I0(·)為零階修正貝塞爾函數(shù)，K為萊斯因子，陰影z2服從對數(shù)正態(tài)分布

其中，h=(ln10)/20，μ和σ2分別為lnz的均值和方差。

由式(4)、式(5)可得接收信號包絡r2的概率密度函數(shù)為

式(6)可看成HLG模型的理論計算表達式。

建立GSO 星座系統(tǒng)的發(fā)射?接收信號模型為

其中，yG是GSO 地球站的接收信號矩陣，xG是由GSO 衛(wèi)星產(chǎn)生的發(fā)送信號矩陣，xL,j是第j個NGSO衛(wèi)星產(chǎn)生的發(fā)送信號矩陣，行數(shù)為發(fā)送的信號比特數(shù)，列數(shù)為天線數(shù)，HGGxG是GSO 衛(wèi)星經(jīng)過空間傳輸后的信號矩陣是NGSO 衛(wèi)星經(jīng)過空間傳輸后對于GSO 地球站產(chǎn)生的干擾信號矩陣，n是信道噪聲矢量，參考由天體輻射產(chǎn)生的宇宙噪聲，其概率分布函數(shù)為高斯分布，均值為零，具有很平穩(wěn)的功率頻譜密度[14]。

根據(jù)ITU 的Article 22 中的定義[15]，EPFD 是所有干擾源對接收機的權重和，在干擾場景中，干擾信號的EPFD 為

其中，θ為以地球站水平面為參考平面的到達角。

除了對干擾信號的EPFD 的限制這一標準衡量以外，傳統(tǒng)的載干比[15]配以輔助參考，即接收到信號的有用載波功率C與干擾信號I功率比值為

其中，hGG和hLG,j分別為目標信道矩陣HGG和HLG,j中的元素。

2.2 NGSO 星座系統(tǒng)之間的干擾模型

在圖2 所示的干擾場景中，位于NGSO1衛(wèi)星上的發(fā)射機所發(fā)射的信號被NGSO1地球站接收到，鏈路“NGSO1衛(wèi)星-NGSO1地球站”為有用信號鏈路，信道用HLG,0表示。“NGSO2衛(wèi)星-NGSO1地球站”為干擾信號鏈路，信道用HLG,1和HLG,2表示。

圖2 NGSO 星座系統(tǒng)之間下行鏈路干擾示意

信道模型全部選擇Corazza模型，可建立NGSO系統(tǒng)的發(fā)射?接收信號模型為

其中，yL是NGSO 地球站的接收信號矩陣，xL是由NGSO 衛(wèi)星產(chǎn)生的發(fā)送信號矩陣，HLGxL是NGSO 衛(wèi)星經(jīng)過空間傳輸后的信號矩陣，是其他NGSO 衛(wèi)星經(jīng)過空間傳輸后對于NGSO 地球站產(chǎn)生的干擾信號矩陣。

3 干擾對齊和噪聲抑制

3.1 干擾對齊原理

在衛(wèi)星通信中如何規(guī)避不同衛(wèi)星之間的同頻干擾，從而實現(xiàn)衛(wèi)星之間的頻率兼容是值得思考的，本文借鑒多小區(qū)通信中的干擾對齊技術方案思路，利用MATLAB 來編寫干擾對齊算法，將通過干擾對齊后得出的數(shù)據(jù)與ITU 所給的閾值相比較，驗證此算法能否實現(xiàn)NGSO 星座系統(tǒng)之間與GSO星座系統(tǒng)和NGSO 星座系統(tǒng)之間的干擾規(guī)避。

3.1.1 NGSO 星座系統(tǒng)與GSO 星座系統(tǒng)之間的干擾對齊

如2.1 節(jié)的圖1 所示，對GSO 星座系統(tǒng)下行鏈路發(fā)射?接收信號模型做如下修改。

FG和FLG,j都是發(fā)送端的預編碼矩陣，HGG和HLG分別是表征GSO 星座系統(tǒng)傳輸鏈路的信道矩陣和NGSO 衛(wèi)星與GSO 地球站之間的信道矩陣。要得到目標信號，則要求xG的接收波束方向HGGFG與其他信號的接收波束方向構成的空間沒有交集，即要求滿足

其中，span(X)為矩陣X的列向量生成的空間。

預編碼矩陣是為了消除來自其他衛(wèi)星的同頻干擾。采取對目標信道矩陣H進行奇異值分解（SVD，singular value decomposition）來得到發(fā)送端的預編碼矩陣FG，如式(14)所示。

其中，Vx是將目標信道矩陣HGG進行SVD 分解后的右奇異值矩陣的前x列矢量構成的矩陣，x是發(fā)送比特流數(shù)。

假設存在2 個NGSO 衛(wèi)星對GSO 星座系統(tǒng)通信鏈路產(chǎn)生了干擾，對于GSO 星座系統(tǒng)信號鏈路的目標信道來說，干擾對齊的思路就是把這2 個NGSO 衛(wèi)星產(chǎn)生的干擾信號壓縮到同一維度的信號空間內(nèi)，即

干擾對齊技術模型如圖3 所示，其原理是：如果干擾信號空間span(HLG,jFLG,j)能夠被壓縮到更小的子空間，使其維度小于接收端的維度n，并且目標信號與干擾子空間彼此正交，則在接收端可以將目標信號和干擾信號分離，實現(xiàn)目標信號的有效接收。

圖3 干擾對齊技術模型

圖3 中，yG為GSO 地球站接收信號矩陣，yLG,1和yLG,2均為NGSO 地球站接收信號矩陣。

3.1.2 NGSO 星座系統(tǒng)之間的干擾對齊

對NGSO 星座系統(tǒng)下行鏈路的發(fā)射?接收信號模型做如下修改。

其中，yL是NGSO 地球站的接收信號矩陣，xL,0是由NGSO 衛(wèi)星產(chǎn)生的發(fā)送信號矩陣，xL,j(j≠0)是第j個NGSO 衛(wèi)星產(chǎn)生的發(fā)送信號矩陣，其干擾對齊的思路與GSO-NGSO 星座系統(tǒng)實現(xiàn)方法基本一致，不同之處在于其首個預編碼矩陣的建立是由FG變成了FLN,0，進而通過對齊信號接收波束空間得到其余干擾源產(chǎn)生的信號預編碼矩陣。

3.2 噪聲抑制原理

在實現(xiàn)干擾對齊后，接收端的目標信號和干擾信號被分割開，可以使用常見的迫零算法[16]使干擾信號規(guī)避為零，但隨之產(chǎn)生的噪聲會更大，而在衛(wèi)星通信中要求干擾信號低于一個門限值，所以采取消除干擾和控制噪聲功率兩方面折中的方法，即最小均方誤差檢測（MMSE,minimum mean square error）算法，該算法的目的是盡可能減小發(fā)送信號x和接收信號之間的均方誤差，即

其中，I是單位矩陣是接收信號y的方差，HH是信道矩陣H的共軛轉(zhuǎn)置。

通過此信號處理后，即實現(xiàn)了對于減少干擾成分和降低接收端信號功率的折中，得到接收端的輸出信號形式，即

對于經(jīng)過MMSE算法處理后的接收信號yG，只需要滿足干擾信號低于門限值，即

3.3 干擾規(guī)避流程

總結來看，利用干擾對齊技術方案規(guī)避星座系統(tǒng)之間同頻干擾的流程如圖4 所示。

圖4 干擾對齊技術方案規(guī)避星座系統(tǒng)之間同頻干擾流程

4 仿真結果與分析

本文方案的仿真場景通過MATLAB 實現(xiàn)，通過比較利用干擾對齊技術前后的干擾參數(shù)值來表明本文方法對于規(guī)避星座系統(tǒng)同頻干擾的可行性。

4.1 OneWeb 系統(tǒng)干擾ChinaSat 系統(tǒng)

GSO 星座系統(tǒng)選擇ChinaSat 系統(tǒng)，NGSO 星座系統(tǒng)選擇OneWeb 系統(tǒng)。在頻率方面，查閱ITU 資料庫可知這2 個系統(tǒng)以及下面提到的Fortran 系統(tǒng)下行鏈路工作頻率主要集中在Ka 波段。故建立仿真場景時主要考慮Ka 波段的頻率兼容性情況。

下行鏈路仿真時設置的參數(shù)如表1 和表2所示。

表1 OneWeb 系統(tǒng)相關參數(shù)

表2 ChinaSat 系統(tǒng)相關參數(shù)

仿真結果如圖5 和表3 所示。其中C/N為載噪比，C/(N+I)為載干噪比，C/I為載干比。

圖5 OneWeb 系統(tǒng)干擾ChinaSat 系統(tǒng)的干擾參數(shù)

由圖5 和表3 可知，干擾系統(tǒng)使通信鏈路的載噪比下降約30 dB，且干擾EPFD 值為?157.9～?158.5 dB(W/m2)，滿足ITU 所給的最小閾值?115 dB(W/m2)。系統(tǒng)載干比為5～6 dB。利用干擾對齊的方法，在發(fā)送端加入預編碼矩陣，可以使數(shù)據(jù)更具有指向性地發(fā)送給接收端。將通過干擾對齊后的系統(tǒng)信息與之前相比較，如圖6 和圖7 所示。

表3 OneWeb-ChinaSat 干擾信息

圖6 EPFD 值比較

圖7 C/I 比較

4.2 Fortran 系統(tǒng)干擾OneWeb 系統(tǒng)

在 NGSO 星座系統(tǒng)的建立上選取中國的Fortran 系統(tǒng)，對于Fortran 系統(tǒng)干擾OneWeb 系統(tǒng)，仿真時設置的參數(shù)如表4 和表5 所示。

表4 Fortran 系統(tǒng)相關參數(shù)

表5 OneWeb 系統(tǒng)相關參數(shù)

進行仿真可得相關干擾參數(shù)及干擾信息，如圖8 和表6 所示。

圖8 Fortran 系統(tǒng)干擾OneWeb 系統(tǒng)的干擾參數(shù)

由圖8 和表6 可知，在NGSO 星座系統(tǒng)之間干擾系統(tǒng)的EPFD 值大部分在?164～?184 dB(W/m2)范圍內(nèi)，04:09 時刻干擾EPFD 值較大，約為?156 dB(W/m2)。滿足ITU 所給的最小閾值，載干比在7～8 dB 范圍內(nèi)，NGSO 星座系統(tǒng)間的干擾與NGSO 星座系統(tǒng)和GSO 星座系統(tǒng)間的干擾不同之處在于信道模型不一樣，概率服從的分布不同，但依然可以采用干擾對齊的方法。利用干擾對齊算法結果如圖9 和圖10 所示。

表6 OneWeb-Fortran 干擾信息

圖9 EPFD 值比較

圖10 C/I 比較

4.3 干擾對齊算法分析

比較采用干擾對齊算法前后的EPFD 值及C/I可知，干擾對齊算法能夠顯著降低干擾系統(tǒng)的EPFD 值，約為10 dB；通信鏈路的載干比也有略微提升，約為0.3 dB。在移動通信中，干擾對齊算法是解決同頻干擾的重要手段，與傳統(tǒng)規(guī)避干擾信號的方法相比可顯著提高頻譜利用率，提高系統(tǒng)容量，從仿真結果可以看出它適用于改善NGSO 星座系統(tǒng)之間或NGSO 星座系統(tǒng)與GSO 星座系統(tǒng)之間的干擾情況。

5 結束語

總體來說，無論是OneWeb 系統(tǒng)干擾ChinaSat系統(tǒng)還是Fortran 系統(tǒng)干擾OneWeb 系統(tǒng)，干擾系統(tǒng)的EPFD 值都符合ITU 標準，目標通信鏈路的載干比也有所提升。干擾對齊技術減小了對目標通信鏈路的影響，然而干擾系統(tǒng)自身的通信性能難免有所下降。根據(jù)ITU 標準，后申請的NGSO星座系統(tǒng)不得對所有GSO 星座系統(tǒng)以及先申請的NGSO 星座系統(tǒng)產(chǎn)生有害干擾，因此在規(guī)劃NGSO 星座系統(tǒng)時，如何避免對優(yōu)先級較高的星座系統(tǒng)產(chǎn)生干擾是首要問題。本文采用源自陸基移動通信的干擾對齊算法，對干擾信號進行預編碼技術處理，使干擾能夠在接收端重疊在一起，減小干擾信號的功率通量密度，從而減弱干擾對期望信號的影響。