星地一體化通信系統(tǒng)同頻干擾統(tǒng)計分析

成克偉，王五兔

（中國空間技術研究院西安分院，陜西西安710000）

星地一體化通信系統(tǒng)同頻干擾統(tǒng)計分析

成克偉，王五兔

（中國空間技術研究院西安分院，陜西西安710000）

星地一體化通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星網絡與輔助地面網絡共用一段頻率，這有利于提高系統(tǒng)頻譜效率，但也帶來了系統(tǒng)內同頻干擾。為了更加準確地計算同頻干擾，利用Wilkinson方法將大量干擾源等效為單一干擾源，建立了等效干擾源的統(tǒng)計模型計算同頻干擾概率。

星地一體化通信系統(tǒng)；同頻干擾；輔助地面網絡；干擾概率

0 引言

自美國9.11事件和卡特里娜颶風之后，研究人員開始關注如何在突發(fā)事件中保障有效通信，由此提出了星地一體化衛(wèi)星通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點，比如：保障突發(fā)事件中有效通信服務；增強高密度城市或偏遠地區(qū)信號強度，采用地基波束形成技術為衛(wèi)星“減負”；適用于任何通信體制；能有效促進星地網絡運營商統(tǒng)一。為提高系統(tǒng)容量和頻譜效率，使地面網絡與衛(wèi)星網絡共享一段頻率，而此兩種網絡又分別采用頻率復用技術。這種頻率方案不可避免地帶來了系統(tǒng)內同頻干擾，本文從統(tǒng)計角度分析地面終端對衛(wèi)星網絡用戶的同頻干擾。

1 系統(tǒng)模型

星地一體化衛(wèi)星通信系統(tǒng)由基于多波束空間衛(wèi)星網絡SBN（Satellite Based Network）和輔助地面網絡ATN（Ancillary Terrestrial Network）構成，其中空間衛(wèi)星網絡SBN由衛(wèi)星與衛(wèi)星網關站組成；輔助地面網絡ATN由各種協(xié)議的基站、基站控制單元、網絡動態(tài)控制單元組成[1-2]，系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 星地一體化衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)

1.1 空間網絡

SBN由衛(wèi)星和衛(wèi)星網關組成，衛(wèi)星為多波束衛(wèi)星天線，衛(wèi)星網關實現(xiàn)信號的處理。

采用透明轉發(fā)靜止軌道移動通信衛(wèi)星，并采用大型可展開反射面多波束天線技術，提供足夠的EIRP和G/T值，實現(xiàn)地面移動終端與衛(wèi)星的通信，這樣可以使地面終端可以采用較小口徑的天線實現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸，支持衛(wèi)星移動通信和寬帶通信業(yè)務。

反射面多波束天線的每個波束由主瓣翻蓋，其輻射方向圖為：

1.2 地面輔助網絡

ATN網絡由陸地蜂窩和各種協(xié)議的基站（GSM，CDMA2000，W-CDMA等）組成，每個蜂窩區(qū)被分配一段頻率，由一個基站（Base Station）提供服務，該基站由發(fā)射器、接收器和控制單元組成。鄰近的蜂窩被分配給不同的頻率，但是相互間距足夠遠的蜂窩區(qū)可以使用相同頻段。

1.3 網絡動態(tài)控制中心

網絡控制中心動態(tài)地對SBN和ATN進行實時協(xié)調控制，而終端在系統(tǒng)的控制下自動地在ATN和SBN之間進行無縫切換。對用戶而言覺察不出是通過ATN基站還是衛(wèi)星進行通信。

1.4 移動終端

系統(tǒng)服務目標是大量的移動終端用戶，終端設備采用衛(wèi)星/基站雙模工作模式，設備采用極化隔離的內外置天線，內置天線對應基站服務模式，外置天線對應衛(wèi)星服務模式。

2 干擾途徑

地面移動用戶工作在衛(wèi)星服務和移動通信服務雙模下，在這兩種模式下使用相同的一段頻率，所以不可避免地發(fā)生干擾，其干擾情況分為以下兩種情況，分別如圖2和圖3所示。

圖2 移動終端對衛(wèi)星同頻干擾路徑

在圖2中，衛(wèi)星上行鏈路與移動終端反向鏈路同頻，陸地終端用戶直接干擾衛(wèi)星信號；在圖3中，衛(wèi)星上行鏈路與終端前向鏈路同頻，基站的前向鏈路對衛(wèi)星信號造成同頻干擾。本文采用第一種上下行頻率分配（移動終端信號干擾衛(wèi)星信號）并分析其干擾[1]。

圖3 基站對衛(wèi)星同頻干擾路徑

3 單干擾源統(tǒng)計模型

假設系統(tǒng)用戶位于大城市人口密度高的區(qū)域，移動信號傳播統(tǒng)計模型由三種傳播機制描述：大尺度路徑損耗、中尺度陰影衰落和小尺度多徑衰落。以下討論移動終端用戶信號：

（1）經過建筑物等比發(fā)射信號波長大得多的障礙物后的傳播陰影區(qū)而造成的陰影衰落；

（2）經過很多散射體而使信號多徑傳播，不同的路徑到達接收機在時間上不同步而造成的多徑衰落。

3.1 大尺度衰落

假設ATN網絡用戶（干擾源）位于人口密度高的大中城市，采用Walfisch-lkegami模型。

在非視距傳播算式如下：

其中：Lf為自由空間傳播損耗；Lrts為樓頂、街道等繞射散射損耗；Lms為屏障繞射；w=b/2為街道寬度；hr為建筑物高度；hm為終端高度；Lo為與信號、街道入射角度相關的量。

3.2 陰影衰落

陰影衰落是疊加在大尺度衰落中值上的電平平均功率變化，用分貝表示時，衰減變化趨向于正態(tài)分布。

其中：P0為陰影衰落中值；Pr為大尺度衰落中值；σ2為方差，根據(jù)測量值，在頻率為1 800 MHz，城市條件下取σ=8。

3.3 多徑衰落

由于反射、衍射和局部散射，從基站發(fā)出的信號要經過多個路徑到達接收機，產生了多徑衰落，一般采用瑞利分布和賴斯分布模擬次衰落信道。由于城市環(huán)境使得終端信號多以多徑方式干擾衛(wèi)星，所以采用瑞利信道描述小尺度衰落。

在大尺度衰落和陰影衰落均值一定的條件下，接收機的信號幅值的瞬時功率服從瑞利分布，即：

由于P=r2/2和P0=σ2，得到接收信號的瞬時功率（單位：mW）服從指數(shù)分布：

同樣，干擾信號功率也服從。

而由陰影衰落可知，P0服從均值為大尺度衰落中值的正態(tài)分布，將dBm轉化為mW得到：

其中Pr為大尺度衰落中值，由上文中W-L模型描述。

4 多干擾源等效為單一干擾源

由于存在大量地面系統(tǒng)終端用戶，其陰影衰落服從正態(tài)分布，現(xiàn)將大量移動終端干擾信號等效為單干擾源干擾。目前還不能夠找到正態(tài)分布隨機變量和統(tǒng)計特性的解析表達式，本文采用Wilkinson數(shù)值方法計算其隨機變量和的均值方差。

Wilkinson法通過匹配X和Y的一階和二階矩得到其自然對數(shù)（ln）的均值mY和方差

根據(jù)上式可得：

5 同頻干擾概率計算

由上節(jié)分析可知，干擾信號和載波信號瞬時功率滿足瑞利分布，則：

上文中，利用Wilkinson法已將大量地面終端干擾信號等效為單干擾源信號，滿足正態(tài)分布，而載波信號經過陰影衰落之后亦滿足正態(tài)分布：

由條件概率公式可知：

設α=12，取PCr-PIr區(qū)間為0～30 dBm，利用Matlab仿真計算，其結果如圖4所示。

圖4 靜態(tài)保護比為12時同頻干擾概率

對圖4分析可知，當系統(tǒng)要求C/I大于12 dB時，實際的C/I為25 dB時，不發(fā)生干擾的概率約為90%，且標準差σ越大曲線越平緩。

6 結語

本文用統(tǒng)計的方式給出了星地一體化通信系統(tǒng)中地面大量干擾信號對衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾計算方式，并利用Matlab仿真了具體結果，發(fā)現(xiàn)干擾源越大等效干擾源的方差越大，同頻干擾曲線越平滑。

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Statistic analysis for same frequency interference of integrated satellite and terrestrial communication system

CHENG Kewei，WANG Wutu
（Xi’an Branch，China Academy of Space Technology，Xi’an 710000，China）

In integrated satellite and terrestrial communication system，the satellite based network and ancillary terrestrial network share the same frequency band，which is helpful to improve the frequency spectrum efficiency while introducing the same frequency interference in the system.To calculate the same frequency interference accurately，a large number of interference sources are equivalent to a single source by means of Wilkinson method.The statistical model of the equivalent interference source was established to calculate the probability of the same frequency interference.

integrated satellite and terrestrial communication system；same frequency interference；ancillary terrestrial network；interference probability

TN911-34

A

1004-373X（2015）23-0013-03

10.16652/j.issn.1004-373x.2015.23.004

成克偉（1987—），在讀碩士研究生。研究方向為航天器天線設計。

2015-05-25