船載動中通與地面固定系統(tǒng)間兼容性研究

林 源，田 偉，顧 娜

（31007部隊，北京 100000）

1 引言

動中通是應(yīng)用衛(wèi)星固定通信系統(tǒng)開展衛(wèi)星移動通信的一種應(yīng)用形式，在搶險、救災(zāi)、應(yīng)急、演習(xí)、保障、處理突發(fā)事件等應(yīng)用領(lǐng)域中有廣泛的發(fā)展前景。按動中通地球站的搭載平臺可分為機(jī)載動中通、車載動中通和船載船載動中通動中通等應(yīng)用形式。其中船載動中通可為海事用戶提供寬帶服務(wù)，從而改善例如實時天氣數(shù)據(jù)、安全通信等業(yè)務(wù)的通信質(zhì)量，是本文關(guān)注的重點。

基于國際電信聯(lián)盟（ITU）無線電頻率劃分表，Ka頻段劃分給衛(wèi)星固定通信業(yè)務(wù)的傳統(tǒng)頻段包括17.7-21.2GHz和27.5-31GHz上下行各3.5GHz帶寬的頻譜資源。2015年召開的世界無線電通信大會（WRC-15）上，通過修改《無線電規(guī)則》[1]，明確了動中通在滿足一定的技術(shù)限值條件下可以在19.7-20.2GHz及29.5-30GHz頻段內(nèi)部署使用。當(dāng)前，隨著高通量衛(wèi)星技術(shù)的不斷進(jìn)步，對動中通的應(yīng)用需求也越發(fā)增長，為了滿足Ka頻段動中通應(yīng)用的用頻需求，WRC-19研究周期正在研究動中通可用頻譜資源的拓展問題，即能否將17.7-19.7GHz（空對地）和27.5-29.5GHz（地對空）頻段用于動中通的問題，重點研究動中通與同一頻段現(xiàn)有業(yè)務(wù)及其系統(tǒng)的兼容性問題，確保動中通對現(xiàn)有業(yè)務(wù)及其系統(tǒng)的保護(hù)，同時不對其未來發(fā)展造成額外的限制。

為此，本文圍繞Ka頻段船載動中通與地面固定業(yè)務(wù)固定通信系統(tǒng)系統(tǒng)的兼容性問題，開展了船載動中通對固定系統(tǒng)的干擾分析，基于研究結(jié)論，設(shè)置兩個系統(tǒng)間的隔離距離，從而實現(xiàn)兩個系統(tǒng)間的兼容共用。

2 干擾場景設(shè)置

兩個系統(tǒng)間典型的干擾場景如圖1所示，設(shè)定船載動中通波束指向靜止軌道衛(wèi)星（GEO）衛(wèi)星，固定通信系統(tǒng)系統(tǒng)部署在岸邊，這里考慮最壞情況，假設(shè)固定通信系統(tǒng)基站波束指向船載動中通，考慮船載動中通在固定通信系統(tǒng)基站-10dB波束寬度內(nèi)航行時，波束旁瓣對固定通信系統(tǒng)系統(tǒng)的干擾。這里設(shè)定固定通信系統(tǒng)基站的-10dB波束寬度為θFS，-10dB，船載動中通的航行速度為vESIM，出海典型值為18.3km/h，fESIM為每年落在固定通信系統(tǒng)接收信道帶寬內(nèi)的船載動中通平均穿越次數(shù)，船載動中通在固定通信系統(tǒng)波束內(nèi)的航行距離是dESIM，船載動中通與固定通信系統(tǒng)基站的間距為d。

圖1 系統(tǒng)典型場景示意圖

3 固定通信系統(tǒng)干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

在25GHz頻段，通過采樣2716條固定通信系統(tǒng)基站鏈路，得出典型點到點（P-P）固定通信系統(tǒng)系統(tǒng)鏈路衰落余量與天線增益之間的對應(yīng)關(guān)系如表1所示：

表1 天線增益與衰減余量對應(yīng)表

結(jié)果表明在采樣數(shù)據(jù)中，絕大多數(shù)（76%）固定通信系統(tǒng)鏈路的天線增益集中在35-36dBi，只有少數(shù)鏈路的天線增益為31.5dBi（3%）和43-47dBi（2%）。高的天線增益需要高的衰落余量，如上表所示，對應(yīng)于31.5dBi、35-36dBi及43-47dBi增益的20百分位（80%的衰落余量高于該值）的衰落余量分別為10dB、13dB和19dB。

ITU負(fù)責(zé)地面固定通信系統(tǒng)的WP 5C工作組指出，10dB和19dB的衰減余量對應(yīng)的短期干擾門限I/Nth分別為9dB和18dB，允許干擾超出門限值的時間百分比不大于0.001%。仿真時分別考慮船載動中通對點到點（P-P）及點到多點（P-MP）固定通信系統(tǒng)系統(tǒng)的干擾，對于P-P系統(tǒng)，考慮固定通信系統(tǒng)最大天線增益分別為45dB、35dB及31.5dB。對于P-MP系統(tǒng)，選取固定通信系統(tǒng)典型最大天線增益分別為25.5dB和22dB，相應(yīng)的干擾門限同樣為9dB，從而得到兩種系統(tǒng)下天線增益與干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)之間的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 天線增益與干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)表

4 干擾分析方法

4.1 傳輸損耗

當(dāng)干擾噪聲功率比的門限值（I/N）th給定時，系統(tǒng)允許的最大干擾功率可由公式（1）計算為：

式中，k為波爾茲曼常數(shù)；TFS為固定通信系統(tǒng)接收機(jī)的系統(tǒng)噪聲溫度；BFS為固定通信系統(tǒng)接收機(jī)帶寬。

則滿足干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的最低傳輸損耗為：

式中，Lmin為滿足干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)時的最小傳輸損耗；Pt，max為船載動中通天線輸入端的最大發(fā)射功率；Gt為船載動中通天線在固定通信系統(tǒng)方向上的天線增益；Gr，ave為固定通信系統(tǒng)接收天線-10dB波束寬度內(nèi)的平均天線增益。Imax為由公式（1）求得的最大干擾功率，F(xiàn)為固定通信系統(tǒng)天線到低噪聲放大器的饋線損耗。

4.2 傳播模型

在分析中，采用ITU-R P.452建議書[2]中的傳播模型，由于船載動中通只是在通過固定通信系統(tǒng)基站-10dB波束寬度內(nèi)時才對固定通信系統(tǒng)有干擾，這里主要考慮短期干擾對系統(tǒng)的影響。在模型計算中，直接將短期干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中的時間百分比Ps作為傳播模型中的輸入?yún)?shù)P是不正確的，這里的P是指不超過所要求傳輸損耗的時間百分比。二者之間的換算關(guān)系與船載動中通的離岸距離d有關(guān)，具體而言：

在已知船載動中通的離岸距離d時，船載動中通在固定通信系統(tǒng)基站-10dB波束范圍內(nèi)的航行距離為：

進(jìn)而求得船載動中通在固定通信系統(tǒng)基站-10dB波束范圍內(nèi)的航行時間為：

折算出的干擾概率為：

最終求得最小傳輸損耗Lmin（p）不被超過的時間百分比為：

4.3 迭代流程

利用離岸距離d和時間百分比P之間的換算關(guān)系，我們可以按照如圖2所示的迭代流程圖，反復(fù)迭代計算，換算出滿足最小傳輸損耗，進(jìn)而滿足固定通信系統(tǒng)基站干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)距離dpro及相應(yīng)的時間百分ppro。在迭代過程中，設(shè)定δpro為參考門限，仿真時設(shè)為0.1km，當(dāng)兩次迭代的離岸距離之差小于參考門限時，迭代結(jié)束，此時的離岸距離d即為保護(hù)距離dpro。n為迭代次數(shù)，初始時（n=0）假設(shè)船載動中通對固定通信系統(tǒng)一直有干擾，即：pESIM（0）=1。

圖2 迭代計算流程圖

5 系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置

5.1 固定通信系統(tǒng)參數(shù)

仿真時設(shè)定固定通信系統(tǒng)基站的帶寬為14MHz，其具體仿真參數(shù)和計算出的最大干擾功率Imax及時間百分比sp如表3所示：

5.2 船載動中通系統(tǒng)參數(shù)

按照ITU第156號決議要求，在27.5-29.5GHz 頻段，無論動中通部署在什么類型平臺上，其EIRP 偏軸功率譜密度需滿足表4的限值要求。

為了使到達(dá)GSO處功率譜密度一致，在低仰角工作情況下，考慮到增加的距離和大氣吸收的影響，動中通需要更高的EIRP發(fā)射功率。表5給出了低仰角條件下的EIRP功率譜密度修正因子。

表3 固定通信系統(tǒng)參數(shù)

表4 動中通的偏軸功率譜密度限值

表5 動中通功率譜密度修正因子

典型的船載動中通系統(tǒng)參數(shù)值由表6給出，其中水平方向最大的EIRP譜密度由表4中給出的40kHz帶寬下的取值（決議156）折算得出。在估計船載動中通的穿越次數(shù)fesim時，以英國東南部業(yè)務(wù)繁忙的多佛港口為例，依據(jù)2016年的統(tǒng)計數(shù)字，每年到港船只到達(dá)和離開港口次數(shù)平均為17497次，即平均132次/天。假設(shè)船載動中通的工作帶寬在27.5-30GHz頻帶內(nèi)均勻分布，則工作在27.5-29.5GHz頻帶內(nèi)的船載動中通到達(dá)和離開港口次數(shù)約為106次/天。對于14MHz的典型固定通信系統(tǒng)信道來說，落在固定通信系統(tǒng)接收帶寬內(nèi)的船載動中通到達(dá)和離開港口次數(shù)大約為0.74次/天，因此仿真時選取的船載動中通到達(dá)和離開港口次數(shù)分別為0.5次/天及0.98次/天。

表7 船載動中通與P-P固定通信系統(tǒng)基站間的保護(hù)距離

6 仿真結(jié)果

仿真時基于ITU-R P.452建議書提供的傳播模型，采用100%水面路徑，取ΔN=70（SF.1650中最壞情況下的取值），不考慮散射損耗及地形的影響。得到船載動中通與P-P及P-MP固定通信系統(tǒng)基站之間的保護(hù)距離。這里分別考慮了固定通信系統(tǒng)基站位于海岸線上，以及距海岸線一定距離的情況，動中通天線偏軸角分別取20度和36度。

表8 船載動中通與P-MP固定通信系統(tǒng)基站間的保護(hù)距離

可以看出，當(dāng)固定通信系統(tǒng)沿海岸線布設(shè)時，離岸距離等于保護(hù)距離；當(dāng)固定通信系統(tǒng)基站布設(shè)在距海岸線一定距離時，船載動中通的離岸距離相當(dāng)于保護(hù)距離減去相應(yīng)的固定通信系統(tǒng)布設(shè)距離，當(dāng)然，如果考慮地形和地物的遮擋損耗，離岸距離將大大降低。對于點到點固定通信系統(tǒng)系統(tǒng)且基站沿海岸布設(shè)時，船載動中通的最小離岸距離分別為62.8940km（45dB）、56.5791km（35dB）和56.5791km（31.5dB）。對于點到多點固定通信系統(tǒng)系統(tǒng)，最小離岸距離分別為27.5012km（25.5dB）及24.8543（22dB）。當(dāng)固定通信系統(tǒng)基站離岸布設(shè)時，對船載動中通所要求的離岸距離會進(jìn)一步降低。

仿真結(jié)果表明，即使在最壞情況下，船載動中

7 結(jié)束語

本文分析了船載動中通地球站對地面固定業(yè)務(wù)系統(tǒng)的干擾情況，分別考慮了P-P及P-MP兩種類型的固定通信系統(tǒng)，評估了船載動中通偏軸角分別為20度和36度時，二者之間的保護(hù)距離。仿真結(jié)果表明，在一定的技術(shù)和操作限值條件下，二者是可以兼容共用的。Ka頻段的拓展應(yīng)用，將更有利于滿足動中通系統(tǒng)日趨增長的頻率需求，有效推動我國動中通系統(tǒng)的發(fā)展步伐。

[1] 無線電規(guī)則，2016.

[2] ITU-R P.452-15，Prediction procedure for the evaluation of interference between stations on the surface of the Earth at frequencies above about 0.1 GHz，2013.

[3] ITU-R SF.1650-1，The minimum distance from the baseline beyond which in-motion earth stations located on board vessels would not cause unacceptable interference to the terrestrial service in the bands 5 925-6425 MHz and 14-14.5 GHz，2005.

[4] ITU-R F.1245-2，Mathematical model of average and related radiation patterns for line-of-sight point-to-point fi xed wireless system antennas for use in certain coordination studies and interference assessment in the frequency range from 1 GHz to about 70 GHz F Series Fixed，2012.

[5] ITU-R F.1336-4，Reference radiation patterns of omnidirectional，sectoral and other antennas for the fi xed and mobile services for use in sharing studies in the frequency range from 400 MHz to about 70 GHz，2014.