低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)與地面物聯(lián)網(wǎng)間同頻干擾研究

吳翔洲 柏會凱 杜吉慶

南京熊貓漢達(dá)科技有限公司

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)能直接改變整個人類社會的生產(chǎn)方法，其中，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更是憑借其自身待機(jī)時(shí)間長、能耗低以及覆蓋面廣等優(yōu)勢，逐漸成為一種代表性的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用需要在地面設(shè)置基站，建設(shè)成本偏高，并且受地理?xiàng)l件等因素的影響，目前仍有部分區(qū)域無法建設(shè)地面基站和通信網(wǎng)，為此，需要將衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)成地面物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有效擴(kuò)展和延伸。

1 干擾場景分析

地面物聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)兩者之間干擾場景如下。在衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)上行鏈路中，地面物聯(lián)網(wǎng)裝置容易干擾衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)；而在地面物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)下行鏈路中，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)裝置也容易對地面物聯(lián)網(wǎng)形成下行干擾。除了LTE系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間形成上下鏈路之間的同頻干擾以外，多波束衛(wèi)星天線波束同頻復(fù)用以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)覆蓋下蜂窩小區(qū)對應(yīng)同頻復(fù)用技術(shù)也給衛(wèi)星通信系統(tǒng)帶來上下行同頻干擾。

低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中具有傳播損耗小、功耗低、傳輸時(shí)延短等特征，因此成為衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)選擇。頻譜資源有限、覆蓋范圍較廣，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)在初步接入海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的過程中，需要和地面現(xiàn)存物聯(lián)網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)共享頻譜。衛(wèi)星和地面之間物聯(lián)網(wǎng)上下行干擾成為當(dāng)下的主要研究問題。

2 干擾方法分析

2.1 上行干擾

結(jié)合衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)以及地面物聯(lián)網(wǎng)處于共享頻譜條件下上行干擾場景分析，參考銥星系統(tǒng)對應(yīng)波束覆蓋狀況，分析得知衛(wèi)星對應(yīng)點(diǎn)波束的數(shù)量一共為48個，選擇12個色頻率復(fù)用，而一個衛(wèi)星主要覆蓋范圍在4個同頻復(fù)用波束區(qū)域，單純結(jié)合衛(wèi)星小區(qū)以及地面小區(qū)兩者之間干擾考慮來看，衛(wèi)星同頻小組之間干擾并不屬于考慮范圍內(nèi)。

因?yàn)樾l(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)尚未推出統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本文主要選擇通過依次改變物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備發(fā)射功率、設(shè)備數(shù)量，來調(diào)整星下點(diǎn)方向的夾角，模擬衛(wèi)星在不同覆蓋范圍下所屬干擾場景內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)造成的干擾程度。

2.2 下行干擾

衛(wèi)星對地面物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備會形成下行干擾。結(jié)合銥星系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的單獨(dú)衛(wèi)星對應(yīng)覆蓋區(qū)域整體直徑在4 700 km左右，所以衛(wèi)星波束會進(jìn)一步覆蓋至城市區(qū)域內(nèi)的地面物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域，導(dǎo)致對相關(guān)地面設(shè)備形成某種下行干擾。同時(shí)，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)衛(wèi)星星座內(nèi)存在66顆衛(wèi)星，以6個極地圓軌道為核心繞行，大部分條件下，地面物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)運(yùn)行設(shè)備所承受的下行干擾來源，也就是說，衛(wèi)星個數(shù)并非只有一種，而是應(yīng)該與此刻覆蓋至參考地面物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備全部衛(wèi)星個數(shù)一致。

單獨(dú)衛(wèi)星對于地面物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)運(yùn)行設(shè)備所形成的干擾，在計(jì)算下行干擾鏈路過程中，基本和上行干擾鏈路計(jì)算過程一致。衛(wèi)星通信系統(tǒng)在和地面LTE系統(tǒng)處于共享頻率條件下，對應(yīng)下行干擾和上行干擾抑制，主要差異是用戶設(shè)備、地面通信基站以及衛(wèi)星多波束天線同頻復(fù)用等條件下形成的下行干擾，是衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備主要下行干擾來源，地面系統(tǒng)所承受的下行干擾源始終保持不變。為此，在計(jì)算中只需替換干擾參數(shù)。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 上行干擾仿真結(jié)果

部分衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)以及地面物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)鏈路參數(shù)如表1所示。

表1 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)以及地面物聯(lián)網(wǎng)之間鏈路參數(shù)

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備處于不同發(fā)射功率條件下，對應(yīng)衛(wèi)星接收載干比的波動變化也會有所不同。隨著衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)覆蓋區(qū)域內(nèi)設(shè)置的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量擴(kuò)大，載干比提升，則干擾程度也相繼上升。在衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備對應(yīng)發(fā)射功率的上升，對應(yīng)載干比降低，干擾水平下降。地面物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)設(shè)備設(shè)置數(shù)量主要是處于相同時(shí)刻中信號發(fā)射較為活躍的設(shè)備數(shù)量，通常在地面物聯(lián)網(wǎng)所有設(shè)備總和中大概占據(jù)10%，而室內(nèi)地面物聯(lián)網(wǎng)裝置在地面物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備總和中大概占據(jù)80%，其對衛(wèi)星形成的上行干擾功率會出現(xiàn)額外的墻壁傳播損耗，在25 dB左右。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)設(shè)備信息發(fā)射功率會超出大約5 W。

從衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)設(shè)備信號發(fā)射方向、星下點(diǎn)方向?qū)?yīng)夾角、地面設(shè)備設(shè)置數(shù)量等不同條件入手，分析其形成的上行干擾。假設(shè)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)設(shè)備發(fā)射功率是7 W，則將10 000種地面物聯(lián)網(wǎng)裝置當(dāng)成干擾源參考數(shù)量，如果系統(tǒng)要求C/I大于9 dB，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備的信號發(fā)射方向以及星下點(diǎn)之間夾角則低于20°。

3.2 下行干擾仿真結(jié)果

隨著地面物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備覆蓋范圍的不斷擴(kuò)大，其下行鏈路范圍內(nèi)的傳播損耗進(jìn)一步增加，所產(chǎn)生的干擾程度相繼提高。隨著地面物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)裝置發(fā)射角度以及星下點(diǎn)之間夾角的擴(kuò)大，衛(wèi)星下行鏈路所覆蓋內(nèi)的空間傳播損耗相繼擴(kuò)大，降低了整體干擾水平。而地面物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)C/I設(shè)定閾值是9 dB，通過分析可知，地面物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)基站小區(qū)半徑低于1.5 km。將地面物聯(lián)網(wǎng)基站對應(yīng)覆蓋面積設(shè)置為1.5 km，分析24 h之內(nèi)多個衛(wèi)星對參考地面相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備形成的下行干擾波動狀況可知，地面上的物聯(lián)網(wǎng)裝置C/I在多星覆蓋衛(wèi)星數(shù)量呈現(xiàn)出較大曲線變化的條件下，基本能夠滿足地面物聯(lián)網(wǎng)干擾要求?？紤]城市內(nèi)地面物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)小區(qū)半徑是0.5 km，城市內(nèi)地面物聯(lián)網(wǎng)小組能夠承受衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)所形成的下行干擾。至于部分人數(shù)較少的地區(qū)，比如農(nóng)村、山區(qū)等，在地面物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)數(shù)量限制以及基礎(chǔ)設(shè)施成本等因素的影響下，對應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)覆蓋半徑普遍會超出1.5 km，為此，對于部分農(nóng)村、山區(qū)等人口較少的區(qū)域，應(yīng)該對衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)以及地面物聯(lián)網(wǎng)間現(xiàn)存的地下干擾實(shí)施抗干擾優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本研究對衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)以及地面物聯(lián)網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行中處于共享頻譜條件下所形成的上下行干擾程度以及干擾場景實(shí)施仿真分析。仿真結(jié)果表明，在當(dāng)下的假設(shè)參數(shù)狀態(tài)下，為了進(jìn)一步控制衛(wèi)星物理網(wǎng)所受的上行同頻干擾，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)設(shè)備發(fā)射功率需要控制在5 W以上；衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在面向衛(wèi)星進(jìn)行信號發(fā)射時(shí)，應(yīng)盡量選擇衛(wèi)星對應(yīng)星下點(diǎn)以及地面發(fā)射方向之間夾角低于20°的衛(wèi)星實(shí)施通信。為了有效控制下行同頻對地面物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備造成的干擾和影響，需要盡量把地面物聯(lián)網(wǎng)覆蓋半徑減小到1.5 km之內(nèi)。同時(shí)，也要注重對不同場景的建設(shè)。例如，在城市環(huán)境下，對應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)覆蓋半徑滿足上述條件；處于人口密度較為稀疏的地區(qū)，地面設(shè)置的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量有限，基礎(chǔ)實(shí)施建設(shè)成本高，對應(yīng)覆蓋半徑也許會超出2 km，需要不斷優(yōu)化系統(tǒng)之間的抗干擾能力。在實(shí)際運(yùn)行中，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)需要同時(shí)接入海量設(shè)備，需要采取有效措施不斷提升系統(tǒng)抗干擾能力，并實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)之間的干擾水平，當(dāng)存在較為嚴(yán)重的干擾問題時(shí)，需要針對系統(tǒng)實(shí)施有效的協(xié)調(diào)處理，實(shí)現(xiàn)智能控制。

4 結(jié)束語

綜上所述，在實(shí)際運(yùn)行中，地面物聯(lián)網(wǎng)和低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)之間容易出現(xiàn)同頻干擾等現(xiàn)象，從而影響整個物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量，為此，需要進(jìn)行深入分析，根據(jù)實(shí)際情況制定有效的解決措施，以順利實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)為發(fā)展目標(biāo)，提高衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的可行性。