衛星移動通信系統抗干擾研究

朱禮勇

摘要：目前低軌衛星互聯網正在蓬勃發展，可以預見，未來一定時期內，全球無縫覆蓋、高低軌融合將成為衛星移動通信發展的新趨勢。文章在分析和論述衛星移動通信系統主用的L，S頻段規劃和使用現狀的基礎上，針對衛星移動通信系統面臨的電磁干擾，開展系統抗干擾技術研究，重點研究分析了擴頻通信、星上處理、頻譜感知與干擾規避、自適應調零天線、捷變波束通信等抗干擾技術，提出了星地一體化的體系抗干擾方案，可有效提高系統整體抗干擾能力。

關鍵詞：抗干擾；衛星移動通信；衛星互聯網

中圖分類號：TN927+.2? 文獻標志碼：A

0 引言

經過幾十年的發展，衛星通信日臻成熟，因其覆蓋和不受地理條件的限制等優勢，應用日益廣泛。但衛星通信全球覆蓋、高低軌融合的發展趨勢以及許多衛星通信系統的密集建設部署，加之所需頻譜資源的限制，衛星通信面臨的干擾問題日趨嚴重，因此在衛星通信系統的研制建設過程中，抗干擾成為必須解決的關鍵問題之一。

就衛星移動通信而言，主要面向大規模的手持式和便攜式終端用戶，提供較低速率的話音、數據業務等服務，主要使用L，S等頻段無線資源。本文將首先介紹L，S頻段的規劃使用情況，再開展衛星移動通信系統抗干擾研究設計。

1 頻率規劃使用現狀

目前全球主流的衛星移動通信系統主要使用L，S頻段，各國和各組織在規劃使用以上頻段時主要依據國際電聯的相關頻段使用規劃以及各自內部的規劃管理。

1.1 L頻段規劃使用現狀

1.1.1 L頻段國際電聯規劃

IEEE 將1～2 GHz頻段稱為L頻段。該頻段主要用于衛星定位、衛星通信以及地面移動通信。根據ITU的劃分，衛星移動業務可使用下列頻段。

（1）帶寬為34 MHz的 1 626.5～1 660.5/1 525～1 559 MHz上下行頻段（其中，1 525～1 559 MHz上行頻段占據優先地位，下行頻段為衛星移動業務專用）。

（2）帶寬為7 MHz的1 668～1 675/1 518～1 525 MHz上下行頻段（優先地位低于地面固定和移動業務）。

（3）帶寬為16.5 MHz的1 610～1 626.5 MHz上行頻段（占優先地位，其對應的下行頻段為S頻段2 483.5～2 500 MHz）。

1.1.2 L頻段使用情況

國際海事衛星組織（International Maritime Satellite Organization，INMARSAT）衛星通信系統等使用1 525.0～1 646.5 MHz頻段，舒拉亞（Thuraya）系統使用1 626.5～1 660.5 MHz（上行）/1 525～1 559 MHz（下行）頻段，銥星系統使用1 616.0～1 626.5 MHz 頻段。

我國無線電管理“十二五”期間加強了對衛星頻率和軌道資源的規劃。綜合考慮公眾衛星通信業務提供者、廣播電視業務提供者、各專業部門（氣象、海洋、資源、減災、測繪等）、科研單位以及軍隊對衛星頻率和軌道的需求，進一步提高資源的有效利用。協調L頻段氣象輔助業務用頻，研究在L頻段的國內劃分中增加衛星移動業務。協調小組經過長期、細致、耐心的多方協調工作，綜合考慮我國國情，并與氣象部門達成一致，最終完成了相關內容的修訂工作。我國在1 518～1 525 MHz頻段的劃分中，引入作為次要業務的衛星移動（空對地）業務；我國在1 668～1 675 MHz頻段的劃分中，引入作為次要業務的衛星移動（地對空）業務。

1.2 S頻段規劃使用現狀

1.2.1 S頻段國際電聯規劃

國際電聯在世界無線電大會（World Radio Congress，WRC）WRC-07和WRC-12審議國際移動通信系統（International Mobile Telecommunications，IMT）IMT-2000（3G）和IMT-Advance（4G）的發展問題時，確定了IMT系統工作頻段以及IMT系統中衛星移動通信的工作頻段，形成相關決議和《無線電規則》腳注如下：確定1 885～2 025 MHz和2 110～2 200 MHz頻段旨在全球范圍內由IMT使用；同時，上述頻段內的1 980～2 010 MHz/2 170～2 200 MHz頻段被確認用于衛星移動業務，同時IMT衛星移動通信主管部門可以考慮使用現有L和S頻段衛星移動業務的劃分，包括1 518～1 544 MHz，1 545～1 559 MHz，1 610～1 626.5 MHz，1 626.5～1 645.5 MHz，1 646.5～1 660.5 MHz，1 668～1 675 MHz，2 483.5～2 500 MHz。

1.2.2 S頻段使用情況

（1）中國S頻段頻率規劃情況。

依據國際電聯有關第三代公眾移動通信系統（IMT-2000）頻率劃分和技術標準，按照我國無線電頻率劃分規定，結合我國無線電頻譜使用的實際情況，我國第三代公眾移動通信系統頻率規劃如下。

主要工作頻段。頻分雙工方式：1 920～1 980 MHz/2 110～2 170 MHz；時分雙工方式：1 880～1 920 MHz，2 010～2 025 MHz。

補充工作頻率。頻分雙工方式：1 755～1 785 MHz/1 850～1 880 MHz；時分雙工方式：2 300～2 400 MHz，與無線電定位業務共用，均為主要業務，共用標準另行制定。

衛星移動通信系統工作頻段，如圖1所示：1 980～2 010 MHz/2 170～2 200 MHz。

（2）其他國家S頻段頻率規劃情況

以美國、加拿大、日本和韓國等國為首，支持地面蜂窩系統無限制條件使用S頻段。例如，2013年12月發布的韓國“移動寬帶規劃2.0版”，明確于2018年將2.1 GHz上下行（2×30 MHz）用于地面IMT業務。根據規劃，韓國明確：1 980～2 010 MHz用于地面IMT手機上行，2 170～2 200 MHz用于地面IMT基站下行。

2 抗干擾技術分析

綜上所述，目前衛星移動通信系統通常使用的L，S等頻段資源十分有限，而且還面臨著地面通信系統和其他衛星系統的干擾，因此，為高效使用有限的頻譜資源、提高系統容量，在衛星移動通信系統設計之初必須重點考慮系統的抗干擾問題。

衛星移動通信中可以采用的抗干擾技術措施包括擴頻通信、基帶處理轉發、干擾抑制抵消、波束變換、頻譜感知與干擾規避等。

2.1 擴頻通信

擴頻通信無疑是衛星移動通信中最常用的抗干擾技術，通過擴展信號帶寬，無線信號功率被分布在很寬的頻帶上，功率譜幅值很低，常規頻譜偵察很難檢測，因此可以降低截獲概率，保密性好；由于信號帶寬被展寬，信噪比很低，有用信號功率遠低于干擾信號功率時仍可實現高質量通信，干擾難度大；另外，擴頻信號在接收端解擴時，可以將多個路徑的信號分離出來并按一定規則合并以抵消多徑引發的衰落，具有良好的抗多徑干擾性能。擴頻通信系統主要可分為直接序列擴頻（DSSS）［1］、跳頻擴頻（FHSS）和跳時擴頻（THSS）等。

2.2 星上處理技術

從抗干擾的角度來看，星上處理技術使上下行鏈路解耦，清除信號在上行鏈路中所受噪聲和干擾的影響，同時還可使衛星下行鏈路的功率放大器保持在正常工作狀態。美國第三代國防衛星系統（DSCS-Ⅲ）、“銥”衛星、先進通信技術衛星（ACTS）以及移動用戶目標系統（MUOS）都采用了星上處理技術。星上處理技術主要包括［2］：星上解擴/擴頻、解調/調制、編碼/解碼、信號多波束變換、上下行復用方式變換、自動增益控制等。這些措施都是在星上完成的，處理的直接結果是抵消了信號上行傳輸過程中因干擾而產生的誤碼。星上處理已經成為移動通信衛星抗截獲、抗干擾的重要技術，隨著微電子技術和數字信號處理技術的不斷發展，衛星將可以承擔更多的信號處理任務，基帶處理將成為未來衛星抗干擾措施的重要實現環節。

2.3 頻譜感知與干擾規避

頻譜感知與干擾規避技術措施采用星地一體化干擾檢測的方法［3］，即包含終端本地干擾檢測、星上頻譜感知、地面關口站頻譜感知3個方面，系統綜合處理分析終端、衛星和地面關口站頻譜感知情況，給出感知結果，提供給系統資源管理調度模塊。在終端設備研制中采用干擾檢測技術，可有效分析本地的環境特性和干擾狀況。星上可以實時對每個波束的上行頻率信號進行采集、處理、下發，系統根據星上采集信號和終端、關口站檢測的頻率干擾情況，對上、下行干擾進行全面的處理分析，監測整個系統的電磁環境；同時對各信道質量進行評估、分類，為信道資源分配提供支撐，以達到規避、抑制干擾的目的。

2.4 自適應調零天線技術

自適應調零天線技術也稱為空間濾波技術，它利用了擴頻系統中擴頻信號電平處于噪聲電平以下的特點，抑制對象為強干擾源信號。自適應調零天線系統由天線陣元和算法處理器組成，系統利用多元天線的組合，控制接收端功率保持在較低的水平，最終達到限制強干擾源的目的，該技術對寬頻帶噪聲和窄帶噪聲都能起到有效的抗干擾作用。干擾產生時，利用多波束天線和干擾源定位設備確定干擾源的大致方向，然后采取關閉或者區域快速選取算法形成自適應波束，使干擾源在接收方向上趨于零值。

2.5 捷變波束通信技術

捷變波束通信技術是一種變換波束技術，采用捷變波束通信除可有效利用波束方向性增益以外，還能降低信號被截獲的概率、躲避干擾等。捷變波束通信技術利用相控陣天線實現波束的快速跳變，能夠靈活敏捷地形成所需波束，且具有高增益、低旁瓣電平的波束特點。

2.6 干擾抵消

干擾抵消是通過估計干擾信號的方法，從接收信號中減去估計出的干擾信號，從而實現削弱干擾目的的抗干擾方案。該抗干擾技術對于強干擾信號具有較好的削弱效果，一般置于解擴處理之前。總體來說，干擾抵消方法可以分為3類：零記憶非線性處理方法、變換域處理技術和自適應濾波干擾抑制技術。

3 衛星移動通信系統抗干擾設計

衛星移動通信系統由于其星地鏈路的開放性，一些復雜電磁干擾可能嚴重影響通信質量。為增強系統的抗干擾能力，抗干擾措施不僅僅限于采用單一的抗干擾技術，而是多種抗干擾、抑制干擾技術的組合，針對不同形式的干擾具備不同的干擾抑制消除措施。總之，衛星移動通信系統需要綜合運用多種抗干擾技術手段，采用星地一體化抗干擾技術措施，在擁擠競爭的電磁環境下，為用戶提供高效可靠的衛星移動通信服務。本文面向系統的空間段、地面段和用戶段開展星地一體抗干擾設計。

3.1 星上抗干擾設計

為增強衛星的抗干擾能力，可采用數字波束成形、信道化、星上再生處理等多種抗干擾技術，并可通過提高衛星接收機帶外抑制能力、提高衛星平臺波束隔離度和星載天線的旁瓣特性，提升系統空間段的抗干擾能力。

3.1.1 數字波束形成技術

數字波束形成（Digital Beam Forming，DBF）的主要處理過程要求全部信號與某個復數加權因子分別相乘，然后把這些加權量加在一起，改變加權因子可以形成各種不同的波束。DBF包括陣列天線、射頻前端、數字接收機、波束運算器和波束控制器，如圖2 所示。射頻前端完成下變頻、濾波、放大和限幅，使信號滿足ADC轉換器的要求；數字接收機包括ADC轉換器和數字下變頻抽取等，實現模擬到數字轉換和頻率變換；數字波束形成器進行快速的并行數學運算，實現接收陣元信號和權矢量的內積，產生波束；波束控制器主要根據各種約束條件產生最佳的矢量控制信號。DBF通過數字波束合成可大幅提高輸出信號的SNR，可對雜波信號進行抑制，通過一定的算法設置可對干擾方向置零，可抑制干擾源對有用信號的干擾。

3.1.2 星上再生處理技術

星上再生處理，即對上行用戶鏈路進行信道選路、上行解調等處理后，進行基帶處理、下行調制等處理，再進行下行信道合路和射頻發送處理，如圖3所示。該處理方式相較星上透明轉發，可以使得上行鏈路干擾與下行鏈路干擾解耦，系統空間段和用戶段分別處理上行或下行鏈路干擾，可以避免上行鏈路干擾轉移到下行鏈路，減少下行鏈路干擾，降低用戶終端處理下行鏈路干擾的難度和復雜度，提升系統抗干擾能力。

3.2 地面抗干擾設計

對于地面抗干擾設計而言，主要涉及關口站和用戶終端的抗干擾設計，包括以下幾個方面。

3.2.1 通信體制設計

為適應擁擠競爭電磁環境，有效提高衛星移動通信系統地面的抗干擾能力，結合衛星移動通信系統主要使用的L，S頻段頻譜干擾情況，設計使用具有較強抗干擾能力的傳輸體制，例如可采用擴頻通信體制。或者根據干擾的具體情況并根據衛星轉發方式，統籌選擇技術體制。總之，針對干擾問題，在技術體制的選擇上，要么采用“抗”的方式，要么采用“躲”的方式，并據此開展相應的技術體制設計。

3.2.2 終端本地干擾檢測設計

終端側通過寬帶多信號干擾檢測技術，利用頻譜空洞檢測算法挖掘頻譜空洞，并以信號檢測與干擾檢測技術手段完成頻段內的干擾檢測，將檢測結果上報至關口站或衛星（采用處理轉發方式時），關口站或衛星根據終端本地干擾檢測情況實時調度先到資源，提升通信質量。

3.2.3 鄰波束通信

如果在波束的交疊區，某一波束相關頻段存在較強干擾，終端可重選到相鄰的使用不同頻段的未受干擾或干擾較小的波束并駐留，以便在新波束進行通信業務。若在業務過程中，信道突然受到干擾，可通過觸發波束切換轉換到不受干擾或干擾較小的鄰波束進行通信。

3.2.4 功率控制

業務過程中，如果信道突然惡化，關口站可通過功率控制提高終端的發射功率，以達到解調信號所需的載噪比，但是這種方式受限于終端的最大功率能力。

3.3 頻譜感知及干擾規避設計

針對L，S頻段干擾情況，在終端研制中采用干擾檢測技術，可有效分析本地的環境特性和干擾狀況。星上可以實時對每個波束的上行信號進行采集、處理、下發，系統根據星上頻譜感知和終端本地檢測的頻率干擾情況，對上、下行干擾進行全面的處理分析，監測整個系統的電磁環境；同時對各信道質量進行評估、分類，為信道資源分配提供支撐，以達到規避、抑制干擾的目的。頻譜感知及干擾規避網絡架構如圖4所示。

充分利用衛星和地面用戶終端的頻譜感知能力，在衛星接收端研究衛星實時寬帶頻譜感知技術，確定上行可用的工作頻率范圍，確定工作頻率范圍內各個信道內有無干擾、干擾強度以及信道的可用等級等，對系統可使用的頻譜資源進行認知，找到空閑的頻譜資源形成預留資源池，以波束復用調度準則與業務優先級調度準則為約束，根據用戶實際需求，對頻譜資源進行合理的調配，提高頻譜資源的使用效率。并且，利用人工智能技術，實現干擾的認知和躲避，實現智能化頻譜資源動態管理，提高系統的抗干擾能力。

4 結語

衛星移動通信面向大規模用戶，提供中低速率的廣域移動通信服務，主要使用L，S頻段資源，隨著目前眾多國家和企業組織等發展建設衛星通信系統的熱潮，本就有限的頻率資源面臨著更多的制約，而僅采用單一的或孤立的幾種抗干擾手段，已很難適應日趨復雜的電磁環境，必須開展星地一體化的體系抗干擾設計，綜合運用多種抗干擾技術手段，為用戶提供可靠的衛星移動通信服務。

參考文獻

［1］韓雪謙.衛星通信系統多域協同抗干擾技術［J］.現代雷達，2016（5）：78-81.

［2］柴焱杰，孫繼銀，李琳琳，等.衛星通信抗干擾技術綜述［J］.現代防御技術，2011（3）：113-117.

［3］成克偉，王五兔.星地一體化通信系統ATN終端衛星上行同頻干擾［J］.電子設計工程，2016（10）：142-144.

（編輯 沈 強）

Research on anti-interference of satellite mobile communication system

Zhu? Liyong

（Nanjing Panda-handa Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210014， China）

Abstract： At present， the low-orbit satellite Internet is booming， and it is foreseeable that in a certain period of time in the future， seamless global coverage and high-low orbit integration will become a new trend in the development of satellite mobile communications. Based on the analysis and discussion of the main L and S frequency bands used by the satellite mobile communication system and the current situation of use， this paper conducts research on the system anti-interference technology for the electromagnetic interference faced by the satellite mobile communication system， focuses on the research and analysis of anti-interference technologies such as spread spectrum communication， on-board processing， spectrum sensing and interference avoidance， adaptive zero antenna， agile beam communication， etc.， and proposes a satellite-ground integrated anti-interference technology. The interference scheme can effectively improve the overall anti-interference ability of the system.

Key words： anti-interference; satellite mobile communication; satellite internet