Ka 頻段寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)間上行同頻干擾分析研究

李 偉，張 磊，嚴(yán) 康

（國家無線電監(jiān)測中心，北京 100876）

0 引言

近年來，隨著小衛(wèi)星制造和發(fā)射技術(shù)的迅猛發(fā)展，以Starlink 和OneWeb 等為代表的寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)迎來了新一波高速發(fā)展浪潮[1]。目前，Starlink 已發(fā)射1205顆衛(wèi)星，衛(wèi)星數(shù)量已超過過去幾十年人類發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量的總和。憑借空間立體廣域覆蓋、高通量大帶寬，寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座被認(rèn)為是下一代無線網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中十分有前景的解決方案，將與6G 通信、海洋通信、無人機(jī)通信等形成空天地一體化網(wǎng)絡(luò)[2]-[4]。

目前，從世界各國向國際電聯(lián)（ITU）申報(bào)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料來看，這些寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)擬使用的頻率資源都是Ku/Ka 頻段，當(dāng)然，這也是對地靜止軌道（GSO）衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳統(tǒng)頻段資源。根據(jù)ITU《無線電規(guī)則》第22.2款，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，非對地靜止軌道（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(hù)。因此，寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座都會(huì)設(shè)計(jì)干擾規(guī)避機(jī)制來減小對GSO 系統(tǒng)造成的有害干擾，如OneWeb 漸近俯仰技術(shù)等。

考慮到龐大復(fù)雜的星座構(gòu)型、全球無縫覆蓋的服務(wù)和高動(dòng)態(tài)下的鏈路時(shí)變特性等寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座特點(diǎn)[5]，寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)之間將極有可能產(chǎn)生有害干擾。目前，對于新興寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座間的干擾共存研究，ITU暫時(shí)還沒有可以參考的研究成果，學(xué)術(shù)研究也處于起步探索階段，尤其是干擾分析方法尚不明確、干擾判定準(zhǔn)則還未統(tǒng)一。各國學(xué)者正在從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)性能等方面開展寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)的研究。文獻(xiàn)[6]提出了一種大型低軌星座與地面5G 網(wǎng)絡(luò)的融合架構(gòu)，并研究了通過物理層解決融合過程中多普勒頻偏和大時(shí)延等問題；文獻(xiàn)[7]在闡述三個(gè)低軌互聯(lián)網(wǎng)星座特性的基礎(chǔ)上，通過估算地面段的數(shù)量對比了不同星座的吞吐量性能；文獻(xiàn)[8]基于傳統(tǒng)衛(wèi)星通信對低軌互聯(lián)網(wǎng)星座空間段和地面段進(jìn)行了系統(tǒng)性描述，提出了一套搭建低軌互聯(lián)網(wǎng)星座仿真平臺(tái)的方法；文獻(xiàn)[9]給出了一種低軌衛(wèi)星的波束關(guān)閉算法，在覆蓋保持不變的情況下減少波束開銷和避免系統(tǒng)內(nèi)干擾。

1 寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)用頻特點(diǎn)

全球有建設(shè)計(jì)劃的典型寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)基本信息如表1所示，寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)計(jì)劃使用的頻段非常集中，主要為Ku、Ka、Q/V 等好用可用的黃金頻段，特別地，Ka 頻段（17.7-21.2 GHz/27.5-31 GHz）能夠提供連續(xù)大帶寬，Ka 頻段器件配套的產(chǎn)業(yè)鏈也較為成熟，OneWeb、Starlink、Lightspeed、Kuiper 等典型的寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)爭相使用Ka 頻段資源，系統(tǒng)間均存在嚴(yán)重的用頻重疊，用頻矛盾十分突出。此外，由于寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)具有很強(qiáng)的頻率獨(dú)享性，系統(tǒng)間產(chǎn)生潛在嚴(yán)重干擾的可能性較大，相互間實(shí)現(xiàn)頻率共用十分困難。

表1 典型寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)參數(shù)特性

圖1給出了大于10顆的Ka 頻段NGSO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料的全球申報(bào)情況（截至2020年底），同時(shí)也給出了這些資料申報(bào)的衛(wèi)星總數(shù)的歷年趨勢。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，每份衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料包含的衛(wèi)星數(shù)量從10顆到15760顆不等，最早申報(bào)的Ka 頻段NGSO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料是2002年美國的HIBLEO-2FL（66 顆衛(wèi)星）。對比各年申報(bào)情況，Ka 頻段衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料申報(bào)數(shù)量從2016年逐漸增加，2018年達(dá)到一個(gè)高潮。單從年度申報(bào)來看，2020年全球申報(bào)的Ka 頻段NGSO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料最多，多達(dá)60份，衛(wèi)星數(shù)量總計(jì)85 936顆。由此可見，Ka 頻段NGSO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料的申報(bào)數(shù)量在近幾年內(nèi)增速尤為迅猛，而且單份衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料申報(bào)的衛(wèi)星數(shù)量也十分龐大，由數(shù)十顆逐漸增長至成百上千顆，甚至上萬顆。因此從衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料層面來看，如果申報(bào)的系統(tǒng)都實(shí)際部署的話，同頻共用的寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)更多，系統(tǒng)之間發(fā)生干擾風(fēng)險(xiǎn)的可能性更大。

圖1 Ka頻段NGSO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料（衛(wèi)星數(shù)量≥10顆）數(shù)量和資料包含衛(wèi)星總數(shù)的歷年變化趨勢

2 真場景和干擾建模

2.1 干擾場景數(shù)學(xué)模型

寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)間上行鏈路干擾場景如圖2所示，A 系統(tǒng)和B 系統(tǒng)的上行鏈路頻率重疊使用，則A 系統(tǒng)衛(wèi)星和B 系統(tǒng)衛(wèi)星都會(huì)收到來自另外一個(gè)系統(tǒng)地球站的干擾信號。干擾信號的強(qiáng)度表示為：

圖2 寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)間上行鏈路干擾場景示意圖

2.2 天線及鏈路損耗建模

為了便于分析，地球站與NGSO 衛(wèi)星之間的鏈路損耗采用自由空間模型，參考建議書ITU-R P.525[10]，具體表示為：

式中，d 為地球站與NGSO 衛(wèi)星接收端的距離，單位為km；f 為工作頻率，單位為GHz。

在分析寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)間的上行鏈路干擾時(shí)，NGSO 衛(wèi)星的天線模型參考建議書ITU-RS.1528[11]，具體的輻射天線方向圖為：

式中，ψ 為天線主軸偏離角，ψb為最大偏軸角的3 dB 角，單位均為度；Gm 為天線主瓣最大增益，Ls=-12為主波束和近旁瓣掩模低于峰值增益的交叉點(diǎn)，單位均為dBi；LF 為遠(yuǎn)旁瓣的值，單位為dBi；Y=2ψb，單位為度；Z=Y×100.04（Gm+Ls-LF）。

寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)的地球站的天線模型參考ITU AP8[12]。具體的輻射天線方向圖為：

式中，φ 為天線主軸偏離角，單位為度；Gmax為天線主瓣最大增益，為第一旁瓣增益，單位為dBi；D 為天線直徑，λ 為波長，單位均為米；單位均為度。

2.3 干擾評估準(zhǔn)則

通過分析在仿真時(shí)長內(nèi)發(fā)生干擾的強(qiáng)度和頻度來衡量衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間的干擾，評估干擾強(qiáng)度所采用的干擾指標(biāo)為I/N。參考建議書ITU-RS.1324-3，對應(yīng)的干擾閾值為-12.2 dB[13]。計(jì)算公式為：

式中，I表示被干擾衛(wèi)星系統(tǒng)接收到的干擾信號強(qiáng)度，單位為dBW；k 為玻爾茲曼常量；TS 表示被干擾衛(wèi)星系統(tǒng)接收端系統(tǒng)噪聲，單位為K；BN 表示干擾衛(wèi)星系統(tǒng)接收端噪聲等效帶寬，單位為Hz。

3 仿真建模及結(jié)果分析

以O(shè)neWeb 和O3b 系統(tǒng)作為研究對象，仿真評估這兩系統(tǒng)的上行鏈路干擾情況。兩個(gè)系統(tǒng)在27.6-28.4 GHz/28.6-29.0875 GHz/29.5-30/29.5-30 GHz 頻段完全重疊使用。

3.1 仿真流程

在Visualyse 仿真軟件中生成O3b 和OneWeb 系統(tǒng)的衛(wèi)星，仿真中兩個(gè)系統(tǒng)的衛(wèi)星跟蹤策略，均選擇接入仰角最大的衛(wèi)星建立通信鏈路。仿真時(shí)長為3天，仿真步長為10秒，仿真流程如圖3所示。

圖3 仿真流程示意圖

仿真設(shè)計(jì)兩種場景，一對一干擾仿真場景和一對多干擾仿真場景。一對一干擾場景為：OneWeb 和O3b 系統(tǒng)各配置1顆衛(wèi)星，各配置1個(gè)地球站，選取兩星座系統(tǒng)中距離該地球站最近的衛(wèi)星作為該衛(wèi)星的初始狀態(tài)。一對多干擾仿真場景為：OneWeb 星座系統(tǒng)配置720 顆衛(wèi)星，O3b 星座系統(tǒng)配置42顆衛(wèi)星，也是各配置1個(gè)地球站。這兩種場景的地球站共站址配置，初始化位置均為（120°E，0°N）。當(dāng)?shù)厍蛘竟舱局非樾蜗孪到y(tǒng)之間存在有害干擾時(shí)，仿真中將增大兩系統(tǒng)地球站的間距。

3.2 仿真參數(shù)

O3b 星座系統(tǒng)由42顆中軌衛(wèi)星組成，赤道平面32顆衛(wèi)星，另外10顆衛(wèi)星分布在70°傾角的兩個(gè)軌道面上。OneWeb 星座系統(tǒng)由720顆低軌衛(wèi)星組成，有18個(gè)軌道面，每個(gè)軌道面40顆衛(wèi)星，軌道高度為1 200 km，傾角87.9°。在ITU 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料數(shù)據(jù)庫中，O3b 和OneWeb衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料ID 分別為111520052和113520120，選取O3b 上行波束R1R 和OneWeb 上行波束GRA 的參數(shù)信息作為上行鏈路仿真參數(shù)配置[14]，[15]。如表2所示。

表2 上行鏈路仿真參數(shù)

3.3 仿真結(jié)果

3.3.1 一對一干擾仿真場景

當(dāng)兩系統(tǒng)地球站重合，圖4 給出了地球站重合時(shí)OneWeb 和O3b 系統(tǒng)的建鏈時(shí)間分布情況。在3天的仿真時(shí)長內(nèi)，OneWeb 衛(wèi)星和地球站共建鏈15次，平均建鏈時(shí)長0.25小時(shí)。O3b 衛(wèi)星和地球站共建鏈13次，平均建鏈時(shí)長1.96小時(shí)。

圖4 OneWeb與O3b系統(tǒng)建鏈時(shí)間分布圖

圖5、圖6 分別給出了O3b 衛(wèi)星和OneWeb 衛(wèi)星所受的干擾強(qiáng)度與時(shí)間分布。O3b 衛(wèi)星和OneWeb 衛(wèi)星都受到了8次不同強(qiáng)度的干擾，且都是第6次干擾與第7次干擾的間隔較短，其余7次干擾的發(fā)生在仿真時(shí)長內(nèi)分布較為均勻，時(shí)間間隔穩(wěn)定在12小時(shí)16分鐘。從干擾強(qiáng)度上看，O3b 衛(wèi)星和OneWeb 衛(wèi)星都是僅第1次干擾的I/N 峰值超過了閾值，屬于有害干擾。

圖5 O3b衛(wèi)星所受的干擾強(qiáng)度與時(shí)間分布

圖6 OneWeb衛(wèi)星所受的干擾強(qiáng)度與時(shí)間分布

3.3.2 一對多干擾場景

（1）OneWeb 對O3b 的上行鏈路干擾。OneWeb 和O3b 的地球站相距不同的經(jīng)度差時(shí)，即OneWeb 地球站逐漸遠(yuǎn)離O3b 地球站，O3b 上行鏈路I/N 最大值、最小值以及I/N 大于-12.2 dB 的概率如表3所示?？梢娫?天的仿真時(shí)長內(nèi)，當(dāng)?shù)厍蛘窘?jīng)度差較小時(shí)，兩系統(tǒng)上行鏈路干擾持續(xù)時(shí)間較長，在某些時(shí)刻的干擾強(qiáng)度較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出I/N 限值。隨著地球站經(jīng)度差的增大，干擾的強(qiáng)度和頻次顯著減小。不同經(jīng)度差下O3b 衛(wèi)星的I/N 值的互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CCDF）如圖7所示。

表3 O3b上行鏈路I/N最大值、最小值以及I/N大于-12.2 dB的概率

圖7 O3b上行鏈路I/N的CCDF曲線

（2）O3b 對OneWeb 的上行鏈路干擾。OneWeb 和O3b 地球站相距不同的經(jīng)度差時(shí)，即O3b 地球站逐漸遠(yuǎn)離OneWeb 地球站，OneWeb 上行鏈路I/N 最大值、最小值以及I/N 大于-12.2 dB 的概率如表4所示?？梢娫?天的仿真時(shí)長內(nèi)，當(dāng)?shù)厍蛘窘?jīng)度差較小時(shí)，兩系統(tǒng)上行鏈路干擾持續(xù)時(shí)間較長，在某些時(shí)刻的干擾強(qiáng)度較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出I/N 限值。隨著地球站經(jīng)度差的增大，干擾的強(qiáng)度和頻次顯著減小，當(dāng)經(jīng)度差為8°時(shí)，OneWeb 上行鏈路將不再受到干擾。不同經(jīng)度差下OneWeb 衛(wèi)星的I/N 值的CCDF 如圖8所示。

表4 OneWeb上行鏈路I/N最大值、最小值以及I/N大于-12.2dB的概率

圖8 OneWeb上行鏈路I/N的CCDF曲線

4 結(jié)束語

在充分調(diào)研OneWeb 系統(tǒng)和O3b 系統(tǒng)及其參數(shù)特性的基礎(chǔ)上，從干擾強(qiáng)度和干擾頻次兩個(gè)維度，仿真分析了兩系統(tǒng)之間相互干擾情況以及地球站間距對干擾結(jié)果的影響。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)厍蛘竟舱局凡渴饡r(shí)，兩種干擾仿真場景下OneWeb 系統(tǒng)和O3b 系統(tǒng)上行鏈路的干噪比均超過了-12.2 dB。隨著地球站經(jīng)度差的增大，OneWeb系統(tǒng)和O3b 系統(tǒng)受到干擾的強(qiáng)度和頻次顯著減小。下一步將重點(diǎn)研究多對多的仿真場景下寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)之間干擾特點(diǎn)。