星地一體化網絡干擾建模與性能分析

方子希，李國彥，吳海燕，周文玉

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081；2.通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室,河北 石家莊 050081)

0 引言

2019年6月，工信部正式向三大運營商發放5G商用牌照，中國電信和中國聯通分別獲得3 400～3 500 MHz,3 500～3 600 MHz的sub-6授權頻段[1]。5G正以其強大的內生技術手段推動人類社會從“信息化”向“智能化”轉變。衛星通信以其優質的信道特性、靈活的帶寬分配能力及固定廣播等優點，為各類用戶提供全域無縫覆蓋，已然成為面向全球提供互聯網絡和移動通信網絡的核心方案之一[2-3]。可以預見，在一定時間段內，5G移動通信系統與衛星通信系統將處于共存與融合的態勢。國際電信聯盟(ITU)、第三代合作伙伴計劃(3GPP)及5G系統中衛星與地面網絡融合聯盟(SAT5G)等組織在已頒布的5G標準、6G愿景中均明確提出了星地融合這一發展方向，用以構建海、陸、空、天一體化通信網絡，滿足用戶無處不在的多樣化業務需求[4-9]。然而，隨著5G商用化的推進及5G終端設備的增多，5G新興頻段與傳統衛星頻段的頻譜資源碰撞問題逐漸凸顯。特別地是，5G FR1頻段干擾衛星C波段(3 400～4 200 MHz)地球站空對地固定業務的情況頻發。例如,2019年7月，中國電信位于上海臨港的5G基站干擾武警海警衛星同頻地球站，導致該衛星通信中斷50多分鐘[10]。除了頻段重疊，5G移動通信與衛星通信固定業務所用載頻在頻譜規劃上幾近連續，由發射/接收機的非理性特性(例如功率放大器的非線性及熱噪聲所引起的頻率偏移)造成的鄰頻干擾，以及過強5G信號對鄰頻部署的衛星地球站接收機產生的飽和干擾，都將嚴重影響衛星下行鏈路的通信質量[11-12]。如何有效協調衛星與5G移動通信之間的干擾，成為現階段面臨的棘手難題。另外，隨著低軌道高通量衛星數量的增多，支持Ka波段(27～40 GHz)的通信小衛星與5G FR2頻段(24.25～52.6 GHz)也潛在頻率碰撞的風險。

針對上述問題，現有應對手段主要參照頻管部門的干擾協調規定，采取“后用讓先用”原則進行用頻協調[13]。通過分析地球站實測數據有針對性地利用頻譜，以規避使用過程中可能出現的干擾。然而，實測方法的靈活性不足且偶然性較大，易出現干擾躲避失敗。針對此類干擾的理論分析和數學建模較為匱乏?；诖?，本文提出利用隨機幾何理論來建模5G移動通信對衛星地球站的干擾，通過理論推導和數值仿真分析此類干擾對地球站接收機的影響程度，以期為干擾協調提供相應的理論和參數支撐。

1 系統模型

本文考慮衛星與5G移動終端共存的星地一體化網絡場景。固定軌道衛星的下行鏈路使用S/C波段，5G蜂窩系統內各個終端的上行鏈路同樣工作在S/C波段。當5G終端與基站建立連接時，5G上行信號會對衛星地球站產生同頻或者鄰頻干擾。為了求解性能極限，此處假設地球站可以全向接收到5G干擾信號。星地一體化網絡場景如圖1所示。

圖1 星地一體化網絡場景Fig.1 Scenario of satellite-5G networks

衛星固定業務(Fixed Satellite Servic，FSS)受地面5G移動業務干擾的頻段如圖2所示。

圖2 5G移動業務干擾衛星FSS頻段Fig.2 The interference frequency band between satellite FSS and 5G mobile service

FSS所使用的頻段與中國移動5G 2.515～2.535 GHz頻段存在頻譜交疊，與中國電信5G 3.4～3.5 GHz頻段以及與中國聯通5G 3.5～3.6 GHz頻段存在頻譜交疊。此外，FSS在4.8 GHz頻點與中國移動5G業務、在5.15 GHz頻點與中國廣電5G業務分別潛在鄰頻干擾風險。除了發射/接收機的非理性特性，鄰頻干擾還可能由5G移動端運動或衛星受信道影響產生的多普勒頻偏引起。

2 干擾建模

現階段，3GPP(Rel-15 TS38.821標準)將衛星在星地一體化網絡中所扮演的角色定位于提供透明的傳輸通道，或作為承載網提供部分回傳服務，即衛星只對接收信號進行放大、變頻和轉發[7]。由于信號未經衛星處理轉發而直接到達地球站接收端，衛星信號的下行鏈路衰減未得到有效補償，因此更易受地面5G蜂窩系統的影響。下面，分別對5G蜂窩系統潛在干擾源的空間分布和衛星地球站所受干擾進行數學建模。

2.1 干擾源空間分布

2.2 聚合干擾模型

定義地球站所處地理位置為坐標原點o。地球站接收到的5G干擾總功率可以表示為：

(1)

式中，Pm表示干擾源的發射功率，并假設所有5G終端的發射功率相同；g表示小尺度衰落；‖x‖-α表示大尺度衰落，‖·‖為歐氏距離，α為大尺度衰落系數。

3 性能分析

3.1 星地成功通信概率

地球站接收機的信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)可以表示為：

(2)

式中，S表示地球站接收到的衛星下行信號功率；I表示5G蜂窩系統產生的干擾總功率；N=k0T0B0表示噪聲功率。進一步，S可以細化為：

(3)

式中，Pt表示衛星發射功率；Gt和Gr分別表示衛星發射天線增益和地球站接收天線增益；EIRP=PtGt為衛星天線的有效全向輻射功率；λ=1/f為衛星信號波長；RSE為衛星與地球站的直線距離；h表示衛星信號在下行鏈路中經歷的小尺度衰落，h與星地信道特性有關。

S=ηh。

(4)

定義1(星地成功通信概率)：星地下行鏈路的通信成功概率定義為當且僅當地球站接收信號的SINR大于某一閾值θ時，地球站能正確接收并解調衛星下行信號的概率，并記為概率PSE(θ)：

PSE(θ)=Ρ(SINR>θ)，

(5)

由于地球站接收機考慮了干擾因素，傳統性能表征參數G/T值已無法全面衡量接收機的品質因數。因此，有必要引入新的性能表征參數，即SINR閾值θ。這里，θ與地球站接收機的物理特性有關。θ越小，表示接收機對干擾加噪聲的容忍能力越強。在某一時刻，θ為一無量綱的確定比值。另外，可以用1-PSE(θ)表示地球站接收機受干擾信號影響未能成功接收到衛星下行信號的概率，即星地通信中斷概率。

3.2 星地信道與移動信道模型

3.2.1 星地下行鏈路信道模型

相關試驗表明，Lutz模型是最為接近衛星信道真實狀態的一類概率統計模型，適用于包括鄉村、公路、郊區和城市在內的幾乎所有衛星通信環境[15]。Lutz模型將星地信道分為“好”與“壞”2種狀態。在“壞”狀態下接收信號受陰影效應的影響不存在直射分量，其瞬時功率包絡服從Rayleigh分布，即：

(6)

在“好”狀態下，地球站接收信號由直射分量和多徑分量共同組成，接收信號瞬時功率包絡服從Rician分布，即：

(7)

3.2.2 移動信道模型

通常情況，5G移動終端所處位置具有隨機性和不確定性，因此5G移動信道的小尺度衰落g可以用Rayleigh信道來描述，即假設由5G移動終端發射并到達地球站接收機的干擾信號，其瞬時功率包絡服從均值為1的負指數分布。

3.3 性能分析

分別對“壞”狀態和“好”狀態的星地成功通信概率進行分析，并給出如下定理。

(8)

證明：

(9)

(10)

由Laplace變換LI(z)=EI[exp(-zI)]得：

(11)

(12)

(13)

3.2.2節設定移動信道模型為Rayleigh，且小尺度衰落g服從均值為1的負指數分布，所以：

(14)

進一步，由隨機幾何概率產生泛函(Probability Generating Functional，PGFL)[14]理論，即：

(15)

式中，λs表示干擾源密度。若所有干擾源均處于二維平面中，則d=2。將式(15)帶入式(14)可得：

(16)

對式(16)進行積分，得:

(17)

取大尺度衰落系數α=2，可得:

(18)

(19)

(20)

證明完畢。

(21)

(22)

證明：

(23)

(24)

一方面，由文獻[18]可知，在相同功率下，自由空間內性質不同的噪聲熵要比干擾熵更大，即SINR分母項全部由噪聲組成時可獲得“好”狀態星地成功通信概率的最差情況。另一方面，由于在實測環境中陰影遮蔽時間百分比A約等于0.08[15]，即衛星信道不受陰影效應影響的狀態較少，推導下界對整體星地成功通信概率分析結果的影響較弱。因此尋求“好”狀態的下界是本文分析的折中考量。

進一步，由于h2服從Rician分布，“好”狀態下星地成功通信概率的下界可積分為：

(25)

將式(7)帶入式(25)，得：

(26)

用MarcumQ-函數表示式(26)，可得:

(27)

證明完畢。

最后，綜合定理1與定理2，可得Lutz信道模型下星地成功通信概率的閉式解為：

(28)

4 數值仿真

仿真依次分析了“壞”狀態、“好”狀態及Lutz信道模型下星地成功通信概率隨SINR閾值的變化情況，并分析了地面5G終端聚合干擾和遮蔽因子對星地成功通信概率的影響程度。仿真參數[8,15,17-21]設置如表1所示。蒙特卡羅仿真次數為104，仿真軟件為Matlab2018b。

表1 仿真參數Tab.1 Simulation parameters

圖3 “壞”狀態下星地成功通信概率變化情況，A=1Fig.3 Successful communication probability in bad case，A=1

圖4 “好”狀態下星地成功通信概率變化情況，A=0Fig.4 Successful communication probability in good case，A=0

取實測遮蔽因子A=0.08[15]。圖5給出了完整Lutz信道狀態下星地成功通信概率PSE隨SINR閾值θ的變化趨勢?？梢钥闯?，星地成功通信概率隨SINR閾值的增加而減小，在干擾源密度為3×10-6個/m2且SINR閾值為-110 dB時，星地下行通信鏈路完全中斷。SINR閾值為-120 dB時，星地下行鏈路至少有50%的通信成功概率。SINR為-130～-120 dB，星地下行鏈路具有較好的通信質量。國際電聯ITU-R S.2199-0標準規定，進入衛星地球站接收天線的干擾信號總功率不得超過-90 dBw[22]。按此標準計算，地球站接收機最小可容忍SINR為-130 dB。因此，仿真所得SINR閾值區間是合理的。

圖5 Lutz信道下星地成功通信概率變化情況，A=0.08Fig.5 Successful communication probability with Lutz channel，A=0.08

取SINR閾值θ=-120 dB。圖6給出了星地成功通信概率PSE隨遮蔽因子A的變化趨勢。可以看出，星地成功通信概率隨A的增加而逐漸增加。A的增加，表明信道狀態由無直射徑的“壞”狀態向直射徑與多徑共存的“好”狀態遷移，因此無論干擾源密度是否增加，星地成功通信概率都會改善，這與實際情況也是相符的。

圖6 星地成功通信概率隨遮蔽因子A的變化情況Fig.6 Successful communication probability vs shadowing factor A

可以看到，圖3～圖6中的蒙特卡羅仿真結果與閉式解推導結果基本吻合。

5 結束語

星地一體化網絡是無線通信領域重要的研究方向之一，衛星和地面5G蜂窩的融合能夠為用戶提供全域、無縫的覆蓋。然而，受頻譜資源制約，星地一體化網絡存在5G移動業務干擾衛星地球站的問題。針對該問題，本文提出了基于隨機幾何理論的星地一體化網絡干擾分析方法，提出了干擾環境下星地下行鏈路性能衡量指標，并構建了聚合干擾模型。利用Lutz衛星信道模型，數學推導了存在5G聚合干擾時地球站接收機的星地下行鏈路通信成功概率，并給出了閉式解。仿真結果表明，干擾源密度和SINR閾值是制約干擾環境下星地下行鏈路性能的關鍵因素。為了使地球站接收機保持50%以上的星地成功通信概率，建議在工程實踐中對接收機SINR閾值的設計應不大于-120 dB。為了獲得更好的衛星信道環境，在地球站選址時應盡量避免與5G基站覆蓋區域的重疊，從而降低干擾源的數量，減少同頻或鄰頻干擾對地球站的影響。通過調節遮蔽因子，盡量保持直射徑存在，可以有效提升星地下行鏈路的通信質量。本文研究成果具有一定的工程實踐價值。