星地一體化通信系統(tǒng)ATN終端衛(wèi)星上行同頻干擾

成克偉，王五兔

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，陜西西安710000）

星地一體化通信系統(tǒng)ATN終端衛(wèi)星上行同頻干擾

成克偉，王五兔

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，陜西西安710000）

星地一體化通信系統(tǒng)，是由基于多波束的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面輔助網(wǎng)絡(luò)組成，它們共用一段頻率。輔助地面網(wǎng)絡(luò)的目的在于提高衛(wèi)星波束在高密度人口區(qū)域的覆蓋性能，這些區(qū)域中，衛(wèi)星通信由于高樓而受到信號(hào)陰影衰減，地面ATC網(wǎng)絡(luò)使用衛(wèi)星頻段，將會(huì)引起星地一體化系統(tǒng)內(nèi)SBN與ATC相互干擾。為了分析更加準(zhǔn)確的分析系統(tǒng)內(nèi)同頻干擾，在禁區(qū)和衛(wèi)星波束頻率復(fù)用的條件下，建立干擾源位置分布模型，并分析了ATN終端對(duì)衛(wèi)星上行的同頻干擾。關(guān)鍵詞：星地一體化通信系統(tǒng)；同頻干擾；頻率復(fù)用；輔助地面網(wǎng)絡(luò)

自美國(guó)9.11事件和卡特里娜颶風(fēng)之后，研究人員開(kāi)始關(guān)注如何在突發(fā)事件中保障有效通訊，由此提出了星地一體化衛(wèi)星通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如：1）保障由于突發(fā)事件中有效通信服務(wù)；2）增強(qiáng)高密度城市或偏遠(yuǎn)地區(qū)信號(hào)強(qiáng)度，3）采用地基波束形成技術(shù)為衛(wèi)星“減負(fù)”；4）適用于任何通信體制；5）能有效促進(jìn)星地網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一。為提高系統(tǒng)容量和頻譜效率，使地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)共享一段頻率，而此兩種網(wǎng)絡(luò)又分別采用頻率復(fù)用技術(shù)。這種頻率方案不可避免的帶來(lái)了系統(tǒng)內(nèi)同頻干擾，本文從禁區(qū)與衛(wèi)星頻率復(fù)用的角度，分析輔助地面網(wǎng)絡(luò)終端對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的同頻干擾。

1　系統(tǒng)干擾途徑

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(wǎng)絡(luò)SBN（Sate11ite Based Network）和輔助地面網(wǎng)絡(luò)ATN（Anci11ary Terrestria1 Network），空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)SBN由衛(wèi)星與衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)站組成；輔助地面網(wǎng)絡(luò)ATN由各種協(xié)議的基站、基站控制單元、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)控制單元組成［1_2］。

地面移動(dòng)用戶(hù)工作在衛(wèi)星服務(wù)和移動(dòng)通信服務(wù)雙模下，在這兩種模式下使用相同的一段頻率，所以不可避免的發(fā)生干擾。其中最為重要的一種同頻干擾為，來(lái)自ATN終端對(duì)SBN終端的干擾，如圖1所示。

圖1　ATN終端對(duì)SBN終端干擾

2　干擾源位置

在星地一體化通信系統(tǒng)中，來(lái)自ATN的干擾源所處位置與系統(tǒng)規(guī)定的禁區(qū)和衛(wèi)星波束的頻率復(fù)用次數(shù)有關(guān)系。禁區(qū)（EZ）規(guī)定為ATN終端在禁區(qū)內(nèi)不得使用SBN波束的頻率。干擾源的位置如圖2所示。

在上圖中，最內(nèi)圈為頻率F1的衛(wèi)星波束，其波束寬度為3 dB，與其相鄰的外圓（包括3 dB波束）為禁區(qū)，最外圈6個(gè)圓為距離F1最近的同頻波束，中間黑色區(qū)域規(guī)定為來(lái)自ATN干擾源的位置。

圖2　來(lái)自ATN干擾源的位置

3　禁區(qū)與同頻干擾的關(guān)系

假設(shè)衛(wèi)星軌道高度為，同頻波束構(gòu)成的圓半徑為D，在波束寬度為1°（3 dB對(duì)應(yīng)0.5085°），載波中心頻率為1.8 GHz時(shí)，黑色同心圓內(nèi)圈為禁區(qū)寬度（θEZ）所對(duì)應(yīng)角度，那么黑色同心圓外邊緣所對(duì)應(yīng)的角度θedge為：

表1　不同禁區(qū)時(shí)干擾源位置

由上表分析，外圈角度越來(lái)越小，這是因?yàn)榻麉^(qū)越大，同心圓內(nèi)外圈被禁區(qū)“擠壓”的結(jié)果。

當(dāng)干擾源信號(hào)均值服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其均值為_(kāi)40 dBm，標(biāo)準(zhǔn)差為4時(shí)，為只反應(yīng)禁區(qū)寬度對(duì)同頻干擾的影響，使頻率復(fù)用因子固定值，也使干擾源所在同心圓上均勻分布，即以0.1°為單位計(jì)算wi1kinson干擾均值（考慮了波束角度的波束增益），再將整個(gè)角度區(qū)間內(nèi)再用wi1kinson等效為單一干擾源。MATLAB計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

4　衛(wèi)星波束頻率復(fù)用與同頻干擾的關(guān)系

當(dāng)禁區(qū)寬度一樣，取EZ=_5 dB，而衛(wèi)星多波束的頻率復(fù)用因子K=3，4，7和9時(shí)，在不同干擾源數(shù)目下的同頻干擾如下計(jì)算。

如上節(jié)參數(shù)一樣，載波中心頻率為1.8 GHz，點(diǎn)波束3 dB寬度為1°，當(dāng)禁區(qū)取EZ=_5時(shí)，干擾源所在同心源內(nèi)邊界的波束寬度固定不變，為0.642 9，其外邊界圓的所對(duì)應(yīng)的波束寬度隨著頻率復(fù)用因子改變而改變。

圖3　禁區(qū)與同頻干擾的關(guān)系

其不同K值時(shí)，外邊界θedge計(jì)算如下：

首先計(jì)算不同K時(shí)，同頻波束中心點(diǎn)練成六邊形外接圓的半徑D為：

其中，R為衛(wèi)星3 dB波束在地面投影圓波束的半徑，其大小為R=h tan（θ3dB）。

則立體幾何關(guān)系得到：

其中，θEZ為禁區(qū)寬度。由上述關(guān)系式計(jì)算得：

表2　不同衛(wèi)星頻率復(fù)用因子干擾源位置

由圖3可知，此時(shí)內(nèi)圈寬度不變，外圈隨著頻率復(fù)用因子變大而變大。當(dāng)干擾源信號(hào)均值服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其均值為_(kāi)40 dBm，標(biāo)準(zhǔn)差為4時(shí)，假定干擾源均勻分布在同心圓上干擾源所在同心圓上均勻分布，即以0.1°為單位計(jì)算wi1kinson等效干擾源（考慮了波束角度的波束增益），再將整個(gè)角度區(qū)間內(nèi)再用wi1kinson等效為單一干擾源。MATLAB計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4　衛(wèi)星波束頻率復(fù)用與同頻干擾關(guān)系

5　結(jié)束語(yǔ)

在星地一體化移動(dòng)通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)的同頻干擾問(wèn)題嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能，尤其三地面網(wǎng)絡(luò)終端用戶(hù)對(duì)衛(wèi)星上行鏈路的同頻干擾。本文分析了系統(tǒng)禁區(qū)的大小和衛(wèi)星頻率復(fù)用因子對(duì)干擾源位置的影響，在干擾源信號(hào)滿(mǎn)足對(duì)數(shù)正態(tài)分布的情況下，利用wi1kinson方法將大量干擾源等效為單一干擾源。從結(jié)果來(lái)看，禁區(qū)越大和衛(wèi)星頻率復(fù)用次數(shù)越大，將有助于減小系統(tǒng)內(nèi)同頻干擾。

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Analysls of lnterferences from ATN termlnals to uPllnk satelllte users ln lntegrated satelllte and terrestrlal systems

CHENG Ke_wei，WANG Wu_tu
（CAST_Xi'an Institute of Space Radio Technology，Xi'an 710000，China）

The term“integrated system”refers to a system composed of a mu1tibeam Sate11ite Based Network and a Anci11ary Terrestria1 Network that reuses the same frequency band than sate11ite's ones.The terrestria1 component aims at improving the sate11ite coverage in high1y popu1ated areas where sate11ite communications often suffer form a high b1ocking factor caused by the bui1dings，the ground ATN works in the sate11ite frequency，it wi11 cause mutua1 interferences of sate11ite_terrestria1 integrated system.In order to ana1yze more accurate1y the interferences of integrated system，under the condition of different exc1usion zone（EZ）and sate11ite frequency reuse pattern（SFRP），the 1ocation of interference sources is bui1ded.This paper then precent the interference with up1ink sate11ite users from ATN terrestria1 users.

integrated sate11ite and terrestria1 systemsjco_frequencyjinterference jSBNjATC

TN927+.2

A

1674_6236（2016）10_0142_02

2015_05_30稿件編號(hào)：201505260

成克偉（1987—），男，甘肅蘭州人，碩士研究生。研究方向：航天器天線(xiàn)技術(shù)。