李偉 魏文康 劉暢 劉珊杉 武秀廣

（國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037）

引 言

與5G無線通信網(wǎng)絡(luò)相比，6G無線通信網(wǎng)絡(luò)將有望提供100%的覆蓋率，實現(xiàn)空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)[1]. 為滿足全球無縫覆蓋的需求，6G無線通信網(wǎng)絡(luò)不只限于陸地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)，將與衛(wèi)星通信、海洋通信和無人機通信等形成以地面網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、以空間網(wǎng)絡(luò)為拓展的信息網(wǎng)絡(luò)[2]. 憑借空間立體廣域覆蓋、高通量大帶寬，尤其是微小衛(wèi)星制造技術(shù)的發(fā)展和衛(wèi)星發(fā)射成本的降低，非靜止軌道(non-geostationary orbit, NGSO)通信星座網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是未來6G無線網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中一種有潛力的解決方案[3].

近年來，O3b、OneWeb、SpaceX和Telesat等歐美公司紛紛計劃部署NGSO通信星座系統(tǒng)來提供高速率寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)[4]，NGSO通信星座系統(tǒng)迎來了新一波高速發(fā)展浪潮，如OneWeb預(yù)計發(fā)射720顆衛(wèi)星[5]；Starlink預(yù)計共發(fā)射約42 000顆衛(wèi)星. 從世界各國向國際電聯(lián)(International Telecommunication Union, ITU)申報的頻率軌道資源技術(shù)資料來看，這些新興的NGSO通信星座系統(tǒng)擬規(guī)劃使用的頻率資源主要集中在Ku/Ka頻段. 同時，Ku/Ka頻段也是傳統(tǒng)靜止軌道(geostationary orbit, GSO)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主用頻段，目前該頻段上已運行著大量的在軌系統(tǒng). 未來NGSO通信星座系統(tǒng)與GSO衛(wèi)星通信系統(tǒng)同頻共存的場景下，由于NGSO通信星座系統(tǒng)的衛(wèi)星規(guī)模龐大，全球連續(xù)覆蓋且用戶終端無處不在，對GSO衛(wèi)星通信系統(tǒng)造成有害干擾的可能性極大[6-10].根據(jù)ITU《無線電規(guī)則》第22.2條，GSO衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)系統(tǒng)和衛(wèi)星廣播系統(tǒng)在Ku/Ka頻段使用上具有優(yōu)先地位，NGSO衛(wèi)星通信系統(tǒng)不得對這些GSO系統(tǒng)造成不可接受的干擾，且不得尋求GSO系統(tǒng)的保護.因此，開展NGSO通信星座系統(tǒng)與GSO衛(wèi)星系統(tǒng)之間的干擾分析研究顯得尤為必要.

國內(nèi)外已經(jīng)開展了NGSO通信星座系統(tǒng)與GSO衛(wèi)星系統(tǒng)間的干擾分析研究. 針對GSO衛(wèi)星系統(tǒng)的地球站接收到來自多顆NGSO衛(wèi)星的發(fā)射信號下行鏈路場景，文獻[6]分析了規(guī)避角策略對等效功率 通 量 密 度(equivalent power flux density, EPFD)的影響. 文獻[7]在保證GSO系統(tǒng)不受干擾前提下，通過計算載噪比及干噪比對NGSO下行鏈路的可用性進行了分析. 文獻[8]研究了NGSO星座系統(tǒng)與GSO衛(wèi)星系統(tǒng)間的上下行共線干擾情況，并提出了基于功率控制的干擾減緩策略. 文獻[9]分析了NGSO星座系統(tǒng)對GSO衛(wèi)星系統(tǒng)的上行鏈路干擾.文獻[10]針對NGSO星座系統(tǒng)干擾GSO衛(wèi)星系統(tǒng)的端到端場景，研究了NGSO衛(wèi)星數(shù)量以及NGSO衛(wèi)星與GSO衛(wèi)星間的相對角度對誤碼率(bit error rate, BER)的影響. 文獻[11]提出了一種基于概率的干擾分析方法.

上述文獻基本都是在特定干擾場景下針對星座系統(tǒng)中單顆或少數(shù)幾顆NGSO衛(wèi)星進行的干擾計算仿真，沒有結(jié)合實際星座系統(tǒng)的軌道運行規(guī)律，進而難以對干擾仿真結(jié)果進行長時的統(tǒng)計分析，得到的仿真結(jié)果不能較為客觀地反映實際干擾情況. 并且國內(nèi)外規(guī)劃建設(shè)的星座系統(tǒng)都是成百上千顆衛(wèi)星組成，甚至還有萬顆以上規(guī)模，如何高效分析這種大規(guī)模NGSO通信星座系統(tǒng)與GSO衛(wèi)星系統(tǒng)之間的干擾也是當(dāng)前面臨的難題. 關(guān)于衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾仿真分析，國際上較為通用的軟件工具Visualyse (Professional)在計算大規(guī)模NGSO通信星座系統(tǒng)時存在復(fù)雜度過高、仿真時間過長的問題. 文獻[11]獲得統(tǒng)計性干擾計算結(jié)果不需要計算機長時間的仿真來遍歷整個星座，與通用軟件仿真相比具有仿真時間短的優(yōu)勢，但在干擾建模時沒有考慮NGSO通信星座系統(tǒng)的多波束建模和頻率復(fù)用方案，且在對NGSO星座中的參考衛(wèi)星進行空間采樣時使用不變的單一精度.

針對上述問題，本文對NGSO通信星座系統(tǒng)與GSO衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間的同頻干擾情況進行深入研究，建立了面向多波束NGSO通信星座系統(tǒng)的集總同頻干擾場景數(shù)學(xué)分析模型，根據(jù)ITU的相關(guān)建議和報告，提出基于空間位置概率的雙精度干擾分析方法. 通過對比分析驗證所提方法的可信度及高效性，為大規(guī)模NGSO通信星座系統(tǒng)的干擾評估提供有效的分析方法并降低仿真復(fù)雜度.

1 干擾場景及干擾建模

圖1為GSO衛(wèi)星系統(tǒng)與NGSO通信星座系統(tǒng)間的下行干擾場景示意圖.

圖1 下行干擾場景示意圖Fig. 1 Schematic diagram of downlink interference scenario

1.1 干擾場景數(shù)學(xué)模型

GSO地球站接收到來自單個NGSO衛(wèi)星某個波束的下行鏈路干擾Idown為

式中：Pt表示NGSO衛(wèi)星的發(fā)射功率；假設(shè)地球站天線主瓣對準(zhǔn)其服務(wù)衛(wèi)星天線，gns(θ1) 、gge(θ2)分別表示偏 離 天 線 主 軸 θ1、 θ2方 向 上 的 天 線 增 益，其 中 下 標(biāo)ns表示NGSO衛(wèi)星，下標(biāo)ge表示GSO地球站；FBA表示下行鏈路的帶寬調(diào)整因子；d2表示下行鏈路干擾路徑的星地間距離； λ2表示下行鏈路載波頻率對應(yīng)波長.

由于NGSO通信星座系統(tǒng)衛(wèi)星規(guī)模大，地面終端無處不在，存在多顆NGSO衛(wèi)星同時干擾某個GSO地球站的情況；NGSO衛(wèi)星采用多波束天線且衛(wèi)星波束之間存在頻率復(fù)用[12]，每個NGSO衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)同時存在多條鏈路對GSO地球站產(chǎn)生有害干擾. 因此，在對NGSO通信星座系統(tǒng)和GSO衛(wèi)星系統(tǒng)的下行干擾場景進行分析時，需要同時考慮來自不同NGSO衛(wèi)星和不同衛(wèi)星波束的同頻干擾.GSO地球站受到來自NGSO衛(wèi)星的下行鏈路集總干擾為

式中：Idown,ls表示第s顆NGSO衛(wèi)星的第l個波束對GSO地球站產(chǎn)生的下行干擾；S表示對GSO地球站產(chǎn)生干擾的NGSO衛(wèi)星數(shù)量；Ls表示第s顆NGSO衛(wèi) 星下對GSO地球站產(chǎn)生干擾的波束數(shù)量.

1.2 干擾評價指標(biāo)

干擾評價指標(biāo)是判定兩系統(tǒng)能否頻率共用的判定標(biāo)準(zhǔn). 常用的干擾評價指標(biāo)有六種：最大允許集總干擾功率Iagg、 集總干擾噪聲功率比RIN、噪聲相對增量RΔTT、 EPFD、載波與集總干擾功率比RCI、BER. 前四種評價指標(biāo)是面向頻率協(xié)調(diào)，后兩種是面向系統(tǒng)工作性能. 在后續(xù)分析中，選取ITU最常用的RIN作為干擾評價指標(biāo)，來衡量系統(tǒng)干擾嚴(yán)重程度. GSO地球站受到來自NGSO衛(wèi)星的下行鏈路集總干擾噪聲功率比RIN為

式中：k表示玻爾茲曼常數(shù)；B表示受擾系統(tǒng)的下行鏈路通信帶寬；T表示受擾系統(tǒng)地球站天線等效噪聲溫度. 集總干擾噪聲功率比RIN的dB形式為

2 空間位置概率雙精度算法

空間位置概率雙精度算法(dual step algorithm of spatial position probability, DSA-SPP)采用雙精度網(wǎng)格分辨率對經(jīng)緯度網(wǎng)格進行空間采樣，對每一個空間采樣點進行干擾分析，從而得到具有空間統(tǒng)計特性的干擾結(jié)果. DSA-SPP可通過預(yù)先設(shè)定的NGSO參考衛(wèi)星所處的空間網(wǎng)格位置求解得到NGSO星座的拓?fù)鋄11]. 由于干擾功率水平是NGSO衛(wèi)星位置的函數(shù)，已知NGSO參考衛(wèi)星在經(jīng)緯度網(wǎng)格的概率密度函數(shù)，則可求解得到干擾功率水平的概率密度函數(shù)和累積分布函數(shù)(cumulative distribution function, CDF)，從而評估NGSO通信星座系統(tǒng)對GSO衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾程度. 鑒于NGSO通信星座系統(tǒng)的衛(wèi)星規(guī)模龐大，干擾鏈路數(shù)量較多，為了兼顧仿真的準(zhǔn)確性及高效性，DSA-SPP采用雙精度：在干擾變化顯著的區(qū)域采用精細(xì)網(wǎng)格分辨率，在干擾變化緩慢的區(qū)域采用粗網(wǎng)格分辨率.

2 .1 空間位置概率的精度分析

2.1.1 NGSO參考衛(wèi)星的概率密度函數(shù)

已知參考衛(wèi)星的位置，可以確定星座中其他衛(wèi)星的位置，得到對應(yīng)的星座拓?fù)? 考慮圓軌道，參考衛(wèi)星位置關(guān)于經(jīng)度 Φ和 緯度 Θ的聯(lián)合概率分布函數(shù)[11]為

式 中，δ為NGSO星座的軌道傾角.

2.1.2 精細(xì)步長區(qū)域定義

依據(jù)ITU-R S.1325-3建議書[12]，精細(xì)步長區(qū)域φFSR是基于GSO地球站處觀察到的分隔角來定義的.如圖2所示，φFSR與地球站的天線尺寸有關(guān)，當(dāng)D/λ＞100時，

圖2 精細(xì)步長區(qū)域示意圖Fig. 2 Schematic diagram of fine step region

式中： α1為 第一旁瓣角度， α1=15.85(D/λ)－0.6，D為GSO地球站天線直徑，λ為下行鏈路工作頻率所對應(yīng)的波長.

2.1.3 精細(xì)步長仿真觸發(fā)準(zhǔn)則

按照ITU-R S.1325-3建議書，對于GSO地球站em，只要有一顆NGSO衛(wèi)星sn與GSO衛(wèi)星之間的分隔角φm,n小 于等于φFSR，則應(yīng)采用精細(xì)仿真步長. 當(dāng)參考衛(wèi)星位于經(jīng)緯度網(wǎng)格gi,j時，DSA-SPP采用的精細(xì)步長仿真觸發(fā)因子fi,j,m為

考慮到新興NGSO通信星座系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)量巨大，對地具有多重覆蓋，在GSO地球站em處，分隔角小于等于φFSR的NGSO衛(wèi)星數(shù)量將會變多. 同時，為 了進一步提升仿真效率，在S.1325-3建議書定義的精細(xì)步長區(qū)域基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于分隔角小于等于φFSR的NGSO衛(wèi)星顆數(shù)的精細(xì)步長仿真因子. 記q表示分隔角小于等于φFSR的NGSO衛(wèi)星顆數(shù)占所有干擾NGSO衛(wèi)星顆數(shù)的比例，當(dāng)參考衛(wèi)星位于經(jīng)緯度網(wǎng)格gi,j時，DSA-SPP采用的精細(xì)步長仿真觸發(fā)因子fi,j,m為

式中：qth表示準(zhǔn)則所規(guī)定的門限值；S′表示分隔角小于等于φFSR的 NGSO衛(wèi)星顆數(shù)；S表示對GSO地球站em帶來干擾的NGSO衛(wèi)星總顆數(shù).

2.2 DSA-SPP流程

DSA-SPP流程如圖3所示. 首先在(－π＜Φ≤π,－δ＜Θ＜δ)經(jīng)度-緯度平面按照粗網(wǎng)格分辨率劃分經(jīng)緯度網(wǎng)格. 對于每次空間采樣，假定參考衛(wèi)星位于經(jīng)緯度網(wǎng)格中心. 任意選取一個經(jīng)緯度網(wǎng)格，將NGSO通信星座系統(tǒng)的參考衛(wèi)星置于該網(wǎng)格中心，并根據(jù)式(5)計算出參考衛(wèi)星出現(xiàn)在該經(jīng)緯度網(wǎng)格上的概率. 已知參考衛(wèi)星的位置，則可確定星座系統(tǒng)中其他衛(wèi)星的位置，按照一定的跟星策略建立通信鏈路，NGSO通信星座系統(tǒng)與GSO衛(wèi)星系統(tǒng)之間的干擾關(guān)系也就能夠確定，進而可計算出該網(wǎng)格下NGSO通信星座系統(tǒng)對GSO衛(wèi)星系統(tǒng)下行鏈路的集總干擾.遍歷所有經(jīng)緯度網(wǎng)格，得到在每一個網(wǎng)格下的集總干擾及對應(yīng)概率，最終可得到RIN的CDF.

為兼顧干擾計算的精度與復(fù)雜度，在按照粗網(wǎng)絡(luò)分辨率劃分經(jīng)緯度網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，在一定觸發(fā)準(zhǔn)則下，引入細(xì)網(wǎng)格分辨率. 在圖3的步驟8，根據(jù)在GSO地球站觀察到的GSO衛(wèi)星與NGSO衛(wèi)星之間的分隔角自適應(yīng)調(diào)整經(jīng)緯度網(wǎng)格分辨率，若分隔角小于等于式(6)的精細(xì)步長區(qū)域的夾角限值φFSR，則采用細(xì)仿真網(wǎng)格分辨率將參考NGSO衛(wèi)星所處的經(jīng)緯度網(wǎng)格作進一步劃分，形成更細(xì)的經(jīng)緯度網(wǎng)格，并按照前文描述的干擾分析流程分別計算每一個細(xì)經(jīng)緯度網(wǎng)格下的集總干擾及相應(yīng)的概率.

圖3 DSA-SPP流程Fig. 3 Flowchart of DSA-SPP

3 仿真與結(jié)果分析

3.1 仿真模型

以SINOSAT-5系統(tǒng)和OneWeb系統(tǒng)為仿真場景. SINOSAT-5衛(wèi)星的軌道位置為110.5°E，ITU衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料數(shù)據(jù)庫中SINOSAT-5衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料ID為106520145[13]. 選取下行波束EKU1的參數(shù)信息作為SINOSAT-5系統(tǒng)下行鏈路的仿真參數(shù)配置，如表1所示.

表1 SINOSAT-5衛(wèi)星系統(tǒng)通信參數(shù)Tab. 1 SINOSAT-5 satellite communication parameters

OneWeb系統(tǒng)的軌道高度為1 200 km，傾角為87.9°，有18個軌道面，每個軌道面有40顆衛(wèi)星，共720顆衛(wèi)星. 每顆OneWeb衛(wèi)星具有16個固定波束[4-5]，波束采用時分復(fù)用傳輸方案，波束間采用八色頻率復(fù)用. OneWeb衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料ID為113520120[16]，選取下行波束TAR3的參數(shù)信息作為OneWeb系統(tǒng)的 仿真參數(shù)配置，如表2所示.

表2 OneWeb衛(wèi)星系統(tǒng)通信參數(shù)Tab. 2 OneWeb satellite communication parameters

3.2 精細(xì)步長仿真觸發(fā)準(zhǔn)則探究

DSA-SPP采用雙精度分辨率來劃分經(jīng)緯度網(wǎng)格，需要確定精細(xì)步長仿真(即精細(xì)網(wǎng)格分辨率)觸發(fā)準(zhǔn)則. 根據(jù)式(7)至(9)，設(shè)置了三種不同精細(xì)步長仿真觸發(fā)準(zhǔn)則，以評估其對仿真結(jié)果的影響，如表3所示.

表3 雙步長仿真觸發(fā)準(zhǔn)則Tab. 3 Simulation trigger criterions of dual step

基于OneWeb和SINOSAT-5系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)置GSO地球站的位置為(0°，110.5°E)，采用均勻分布方式部署NGSO地球站28個(站間距160 km)，分析OneWeb系統(tǒng)對SINOSAT-5系統(tǒng)下行用戶鏈路的干擾. 粗細(xì)仿真步長的經(jīng)緯度分辨率分別為0.2°和0.01°. 圖4 給出了不同精細(xì)步長仿真觸發(fā)準(zhǔn)則下GSO地球站集總干噪比RIN的CDF曲線. 可以看出，與單一粗步長相比，采用單一粗步長與細(xì)步長結(jié)合的雙步長得到的RIN分布范圍更廣，尤其能夠有效避免漏掉一些較為嚴(yán)重干擾情形的統(tǒng)計，如圖4右上角的小圖所示. 另外，在三種精細(xì)步長仿真觸發(fā)準(zhǔn)則下，GSO地球站集總干噪比CDF曲線完全重合. 這是因為當(dāng)部署28個NGSO地球站時，分隔角小于等于φFSR的NGSO衛(wèi) 星顆數(shù)占比q超過了20%.

圖4 不同精細(xì)步長準(zhǔn)則下 RIN 的CDF(28個NGSO地球站)Fig. 4 CDF of RIN with different fine step size criteria(28 NGSO earth stations)

圖5給出了在NGSO地球站部署數(shù)目增為252個情形下GSO地球站集總干噪比RIN的CDF曲線. 由圖5可知，準(zhǔn)則1和準(zhǔn)則2下的GSO地球站集總干噪比CDF曲線完全重合，準(zhǔn)則3與它們并未完全重合，但相差甚微. 隨著NGSO地球站部署數(shù)量的增多，干擾GSO地球站的NGSO衛(wèi)星數(shù)量隨之增加，致使在每次空間采樣中分隔角小于等于φFSR的NGSO衛(wèi)星數(shù)占比q均不小于10%，但不總大于20%.因此，在對大規(guī)模NGSO通信星座系統(tǒng)進行干擾分析時，可以通過設(shè)置稍微嚴(yán)格的精細(xì)步長仿真準(zhǔn)則，在保證干擾計算結(jié)果精度的同時還可提升仿真效率.

圖5 不同精細(xì)步長準(zhǔn)則下 RIN 的CDF(252個NGSO地球站)Fig. 5 CDF of RIN with different fine step size criteria(252 NGSO earth stations)

3.3 仿真方法有效性及高效性探究

通過與國際通用工具Visualyse(Professional)的干擾計算結(jié)果作比較來驗證所提方法的有效性.Visualyse(Professional)仿真步長分別設(shè)為10 s、1 s和0.1 s，總仿真時長3天，衛(wèi)星數(shù)目為720顆. 仿真計算機配置如表4所示.

表4 仿真計算機配置Tab. 4 Computer configuration for simulation

DSA-SPP與Visualyse(Professional)仿真結(jié)果如圖6所示. 可以看出，兩種方法得到的結(jié)果趨勢一致，仿真曲線基本重合，DSA-SPP與Visualyse(Professional)(0.1 s)得到的結(jié)果最為接近，說明利用DSA-SPP進行干擾分析是合理可信的. 從圖6還可看出，采用DSA-SPP得到的RIN分布在-60～20 dB，比Visualyse(Professional)采用最精細(xì)步長0.1 s時統(tǒng)計得到的RIN分布范圍更廣，說明DSA-SPP的統(tǒng)計結(jié)果更為精確. DSA-SPP仿真用時27 min，Visualyse (Professional)(0.1 s)用 時1 801 min，說 明DSA-SPP仿真效率更高.

圖6 DSA-SPP與Visualyse(professional)仿真結(jié)果對比Fig. 6 Comparison of simulation results between DSA-SPP and Visualyse (professional)

3.4 地球站位置對仿真結(jié)果影響探究

在[0°N，5°N，10°N，15°N，20°N]各部署1個GSO地球站，探究GSO地球站位置對干擾結(jié)果的影響，結(jié)果如圖7所示. 可以看出，在0～20°N低緯地區(qū)，隨著緯度增大，GSO地球站受來自NGSO通信星座系統(tǒng)的干擾程度不斷減弱. 這是因為在0～20°N區(qū)域內(nèi)，GSO地球站的集總干擾主要受OneWeb衛(wèi)星的發(fā)送天線增益及SINOSAT-5地球站的接收增益影響. 干擾鏈路指向相對于OneWeb波束指向的離軸角變化小，干擾鏈路的發(fā)射增益變化不明顯；GSO衛(wèi)星波束指向其星下點位置，隨著GSO地球站緯度增大，干擾鏈路相對于GSO衛(wèi)星波束指向的離軸角也將增大，受擾鏈路的接收增益隨之而減小.

圖7 不同GSO地球站地理緯度干擾結(jié)果Fig. 7 Interference analysis of GSO earth station in different geographical latitudes

4 結(jié) 論

針對NGSO通信星座系統(tǒng)與GSO衛(wèi)星系統(tǒng)下行用戶鏈路之間的同頻干擾，尤其是大規(guī)模星座系統(tǒng)同頻干擾仿真效率不高的問題，建立了面向多波束NGSO通信星座系統(tǒng)的集總干擾分析數(shù)學(xué)模型.根據(jù)ITU的相關(guān)建議和報告，設(shè)計了DSA-SPP和精細(xì)步長仿真驅(qū)動準(zhǔn)則. 以SINOSAT-5系統(tǒng)和OneWeb系統(tǒng)為仿真場景，與國際通用工具Visualyse (Professional)進行了結(jié)果校驗. 仿真結(jié)果表明，相比通用國際工具，所提算法能夠得到更大范圍的干噪比，耗時更短，說明所提算法得到的統(tǒng)計結(jié)果更精確，仿真效率更高，更加適用于衛(wèi)星顆數(shù)龐大的通信星座系統(tǒng).

在DSA-SPP算法影響因素探究上，通過三種精細(xì)步長仿真驅(qū)動準(zhǔn)則下的結(jié)果對比分析，證明對于大規(guī)模NGSO通信星座系統(tǒng)，采用準(zhǔn)則3(即分隔角小于等于φFSR的NGSO衛(wèi)星顆數(shù)占比門限為20%時)能夠兼顧結(jié)果精度和計算效率. 在干擾分析結(jié)果影響因素探究上，GSO地球站的緯度位置分布對NGSO通信星座系統(tǒng)的下行干擾程度影響較大. 上述研究有望為大規(guī)模NGSO通信星座系統(tǒng)設(shè)計以及頻率國際協(xié)調(diào)提供有益參考，下一步將重點研究如何減緩大規(guī)模NGSO通信星座系統(tǒng)對GSO衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾.