靜止衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)載干比分析方法研究

+ 蔣春芳 李勇

靜止衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)載干比分析方法研究

+ 蔣春芳 李勇

針對(duì)靜止衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)日益擁擠帶來(lái)的干擾問(wèn)題，研究了實(shí)際載干比和門(mén)限載干比的計(jì)算分析方法，并對(duì)影響衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)載干比特性的主要因素進(jìn)行了對(duì)比分析，以便于采取相應(yīng)技術(shù)措施減輕靜止衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間的頻率干擾，從而充分利用有限的靜止衛(wèi)星頻率軌道資源。

靜止衛(wèi)星 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò) 載干比分析

1 引言

對(duì)地靜止軌道衛(wèi)星簡(jiǎn)稱靜止衛(wèi)星，是指位于地球靜止軌道的衛(wèi)星。該軌道是位于赤道平面的圓軌道，運(yùn)行方向及周期與地球自轉(zhuǎn)的方向及周期相同（周期為23小時(shí)56分4秒），軌道高度35786.13公里。靜止衛(wèi)星由于軌道位置有限，相近軌位甚至相同軌位的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越多，干擾問(wèn)題也越來(lái)越突出。目前全球在軌靜止衛(wèi)星約460顆。在我國(guó)上空東經(jīng)50度至東經(jīng)180度范圍內(nèi)靜止衛(wèi)星160余顆，平均不到1度經(jīng)度間隔就有1顆衛(wèi)星。如何分析同頻或鄰頻工作的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是否會(huì)出現(xiàn)不可接受的干擾，這是保證靜止衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)正常工作的前提。

根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）《無(wú)線電規(guī)則》（2012年版），如果某個(gè)新申報(bào)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)使現(xiàn)有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等效噪聲溫度增量百分比（ΔT/T）超過(guò)6%，則新衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應(yīng)與同頻段現(xiàn)有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)調(diào)，并需要通過(guò)載波與干擾功率比即載干比（C/I）特性分析，以確定現(xiàn)有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是否受到不可接受的有害干擾，以及可以采取什么技術(shù)措施加以解決。

本文研究詳述了實(shí)際載干比和門(mén)限載干比的計(jì)算分析方法，并針對(duì)影響衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)載干比特性的因素進(jìn)行了對(duì)比分析，以便于采取相應(yīng)技術(shù)措施減輕靜止衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)間的干擾，充分利用有限的靜止衛(wèi)星頻率軌道資源。

2 靜止衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)載干比的分析方法

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在設(shè)備一定的條件下，信號(hào)質(zhì)量的好壞取決于解調(diào)器輸入端的載噪比（C/N）或載干比（C/ I），為保證接收到的話音、圖像和數(shù)據(jù)有最低限度質(zhì)量，接收機(jī)必須要滿足門(mén)限載噪比或門(mén)限載干比要求。這就涉及到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實(shí)際載干比和門(mén)限載干比的計(jì)算分析問(wèn)題。以下分別闡述兩者的計(jì)算分析方法。

2.1 實(shí)際載干比的計(jì)算分析方法

實(shí)際載干比需要分別計(jì)算衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上行、下行鏈路接收天線輸出端有用信號(hào)功率C和來(lái)自干擾系統(tǒng)功率I的比值。上行干擾為己方衛(wèi)星接收到的來(lái)自鄰星網(wǎng)絡(luò)地球站的偏軸發(fā)射信號(hào)，下行干擾為本網(wǎng)絡(luò)地球站在偏軸方向接收到的鄰星的下行信號(hào)。

設(shè)有兩個(gè)鄰近的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)A和B，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)A的上行鏈路可能受到來(lái)自衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)B的上行干擾，A的下行鏈路也可能受到來(lái)自B的下行干擾，如圖1所示。圖中實(shí)線為表示有用的衛(wèi)星鏈路，虛線表示干擾鏈路，表示兩顆衛(wèi)星間的頂心角（也即本衛(wèi)星地球站對(duì)另一衛(wèi)星的偏軸角），β表示兩顆衛(wèi)星間的地心角（即地球中心對(duì)兩顆衛(wèi)星的夾角）。

則有

式中，dA 、dB分別表示地球站到衛(wèi)星SA、SB的距離。

對(duì)于上行鏈路方向，設(shè)

EIRPe表示A網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送地球站A2在衛(wèi)星SA方向的等效全向輻射功率；

fu表示上行頻率；

du表示地球站A2至衛(wèi)星SA的距離；

Gu表示衛(wèi)星SA在地球站A2方向的接收增益；

EIRPe＇表示B的地球站B1在衛(wèi)星SA方向的發(fā)射EIRP；

fu＇表示上行干擾頻率，假定fu＇≈fu；

du＇表示地球站B1至衛(wèi)星SA的距離，也可假定du＇≈du；

Gu＇表示衛(wèi)星SA在地球站B1方向的偏軸接收增益；

EIRPe*表示干擾地球站B1在衛(wèi)星SB方向上的等效全向輻射功率；

Gi表示地球站B1在衛(wèi)星SB方向上的軸向發(fā)射增益；

Gi＇表示地球站B1在衛(wèi)星SA方向上的旁瓣偏軸發(fā)射增益，取決于所采用的ITU建議或其他有關(guān)建議；

因?yàn)?EIRPe＇＝EIRPe*－Gi＋Gi＇

所以

同樣，對(duì)于下行鏈路方向，設(shè)

EIRPs表示網(wǎng)絡(luò)A的衛(wèi)星SA在接收地球站A1方向的發(fā)射EIRP；

EIRPs＇表示干擾衛(wèi)星SB在地球站A1方向的偏軸發(fā)射EIRP；

G為地球站A1在衛(wèi)星SA方向的軸向接收增益；

G＇表示地球站A1在衛(wèi)星SB方向的偏軸接收增益；

則，下行載干比（用分貝表示）

則總載干比（用功率比值表示）為

地球站旁瓣偏軸發(fā)射或接收增益大小根據(jù)所選用的地球站天線輻射方向圖特性決定。

如果考慮有用載波與干擾載波的頻率偏置及帶寬差別，則引入干擾調(diào)整因子Ia，此時(shí)實(shí)際載干比用分貝表示，即為[C/I]*=[C/I]-[Ia]

國(guó)際電聯(lián)《程序規(guī)則》對(duì)于不同的載波類型，干擾調(diào)整因子Ia有不同的計(jì)算方法，如表1所示。

2.2 門(mén)限載干比的計(jì)算分析方法

要計(jì)算門(mén)限載干比值，首先需要計(jì)算滿足通信質(zhì)量等技術(shù)指標(biāo)要求的門(mén)限載噪比（C/N）值。通常模擬系統(tǒng)用信噪比，數(shù)字系統(tǒng)用誤碼率作為衡量通信質(zhì)量最基本的度量。目前幾乎所有通信衛(wèi)星傳送的信號(hào)都是數(shù)字信號(hào)，如數(shù)字電話、數(shù)字電視等。對(duì)于數(shù)字傳輸系統(tǒng)，門(mén)限載噪比是指滿足一定的誤碼率要求時(shí)所對(duì)應(yīng)的C/ N值。誤碼率常用傳輸中符號(hào)（碼元）或比特的差錯(cuò)概率來(lái)表示。如果不特別指出，誤碼率通常用誤比特率表示。國(guó)際衛(wèi)星通信組織目前暫定將誤碼率Pe=10-4作為線路質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于衛(wèi)星通信常用的二相相移鍵控（BPSK）調(diào)制和四相相移鍵控（QPSK）調(diào)制，誤碼率PeBPSK和PeQPSK與載噪比關(guān)系分別用式（5）和式（6）表示。

式中，erfc[·]表示補(bǔ)余誤差函數(shù)，C/N是功率比值，不是分貝數(shù)。

通過(guò)查閱補(bǔ)余誤差函數(shù)表，可以得出在一定誤碼率要求下的C/N值。比如，當(dāng)誤碼率要求為10-4時(shí)，對(duì)應(yīng)于BPSK調(diào)制下的C/N要求約為8.5dB，對(duì)應(yīng)于QPSK調(diào)制下的C/N要求約為11.5dB；當(dāng)誤碼率要求為10-6時(shí)，對(duì)應(yīng)于BPSK調(diào)制下的C/N要求約為11.6dB，對(duì)應(yīng)于QPSK調(diào)制下的C/N要求為14.6dB。

在已知門(mén)限C/N值后，根據(jù)ITU《程序規(guī)則》，針對(duì)不同類型載波，就可得出對(duì)應(yīng)的C/I干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)即門(mén)限載干比值，如表2所示。

注：C/N為載波噪聲比（dB）BWw為有用載波的必要帶寬（MHz）BWeqi為干擾載波等效帶寬（MHz）

ITU《無(wú)線電規(guī)則》附錄1第Ⅰ節(jié)對(duì)載波的必要帶寬作了定義，即指對(duì)于給定的發(fā)射類別，恰好可以保證在規(guī)定條件下以所要求的速率和質(zhì)量傳輸信息的頻帶寬度。第Ⅱ節(jié)對(duì)發(fā)射類別作了分類和標(biāo)識(shí)。以載波36M0G7F為例，前四位表示必要帶寬，字符“M”表示MHz（另外，“G”、“K”分別表示GHz和kHz），其所在位置表示小數(shù)點(diǎn)的位置，因此該載波的必要帶寬為36.0MHz；后三位表示發(fā)射類別，其中第一個(gè)符號(hào)表示主載波的調(diào)制方式（字符“G”表示調(diào)相，另外，“F”表示調(diào)頻）；第二個(gè)符號(hào)表示調(diào)制主載波的信號(hào)的性質(zhì)（字符“7”表示包含量化或數(shù)字信息的雙頻道或多頻道）；第三個(gè)符號(hào)表示擬發(fā)送信息的類型（字符“F”表示電視視頻）。

3 載干比特性的影響因素分析

由載干比計(jì)算公式可知，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)載干比與系統(tǒng)等效全效輻射功率、天線峰值增益、天線旁瓣增益等因素有關(guān)，其中天線旁瓣特性是比較重要的因素，因?yàn)榇蟛糠指蓴_是經(jīng)天線旁瓣進(jìn)入的。下面對(duì)各因素的影響進(jìn)行比較分析。

由式（1）分析可知，當(dāng)確定了相鄰衛(wèi)星軌道間隔，則本衛(wèi)星地球站對(duì)另一衛(wèi)星的偏軸角也就可計(jì)算確定，進(jìn)而可由采用的天線方向圖特性確定應(yīng)滿足的旁瓣增益包絡(luò)。軌位間隔越大，偏軸角越大，則旁瓣增益越小。

由式（2）分析可知，上行鏈路C/I值與本地球站軸向EIRP、干擾地球站偏軸EIRP、目標(biāo)衛(wèi)星軸向和偏軸接收增益有關(guān)，而干擾地球站偏軸EIRP又與其天線旁瓣增益有關(guān)，也即與天線偏軸角及旁瓣特性有關(guān)。因此，如果本地球站和干擾地球站發(fā)射功率一定，天線電尺寸D/λ也一定（D為天線口徑大小，λ為波長(zhǎng)），衛(wèi)星接收增益一定，則軌位間隔越大，干擾功率就越小，C/I也就越大；如果本地球站和干擾地球站發(fā)射功率一定，軌位間隔也一定，若天線電尺寸D/λ越大，則C/I也越大。

圖2 上行C/I與發(fā)射地球站天線口徑的關(guān)系曲線

圖3 下行C/I與接收地球站天線口徑的關(guān)系曲線

以軌位間隔2度為例， C頻段、Ku頻段、Ka頻段的上行C/I值大小與地球站發(fā)射天線口徑參數(shù)變化的關(guān)系如圖2所示。

由式（3）分析可知，下行鏈路C/I值與本衛(wèi)星軸向EIRP和干擾衛(wèi)星偏軸EIRP，以及目標(biāo)地球站軸向和偏軸接收增益有關(guān)。因此，當(dāng)衛(wèi)星EIRP一定，軌位間隔一定（相應(yīng)偏軸角一定，旁瓣接收增益一定），若天線電尺寸D/λ越大，則目標(biāo)地球站軸向接收增益就越大，C/I也越大；當(dāng)衛(wèi)星EIRP一定，天線電尺寸D/λ一定（相應(yīng)軸向接收增益一定），若軌位間隔越大，則旁瓣接收增益越小，C/I也就越大。

以Ku頻段為例，軌位間隔3度、6度、9度時(shí)下行C/I值與地球站接收天線口徑參數(shù)變化的關(guān)系如圖3所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

以上分析論述了靜止衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實(shí)際載干比、門(mén)限載干比計(jì)算方法及影響載干比特性的因素，將有助于判斷軌位相近且同頻或鄰頻工作的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)間是否存在有害干擾，從而便于采取相應(yīng)措施減輕靜止衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間的干擾，促進(jìn)完成新申報(bào)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與其他衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的干擾協(xié)調(diào)，充分利用有限的靜止衛(wèi)星頻率和軌道資源。

[1] 國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）,無(wú)線電規(guī)則,2012

[2] 國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）,程序規(guī)則,2009

[3] 陳豪等,衛(wèi)星通信與數(shù)字信號(hào)處理,上海交通大學(xué)出版社,2011.1

[4] 王麗娜, 衛(wèi)星通信系統(tǒng), 國(guó)防工業(yè)出版社,2006.5

[5] ITU 建議書(shū),ITU-R S.580-6,用于靜止衛(wèi)星地球站天線設(shè)計(jì)的輻射圖,2003

[6] ITU 建議書(shū),ITU-R S.465-6,2至31,GHz頻段FSS業(yè)務(wù)用于協(xié)調(diào)與干擾評(píng)估的地球站天線參考輻射模式,2010