NGSO互聯(lián)網(wǎng)星座用戶鏈路同頻干擾分析

劉子威/LIU Ziwei，李嘉穎/LI Jiaying，張更新/ZHANG Gengxin

（1.南京郵電大學(xué)，中國 南京 210003；2.中國人民解放軍軍事科學(xué)院，中國 北京 100141）

(1.Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China;2.PLA Academy of Military Sciences,Beijing 100141,China)

近年來，隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)浪潮的興起，為了滿足全球全天時(shí)覆蓋和寬帶高速應(yīng)用需求，非靜止軌道（NGSO）衛(wèi)星星座成為發(fā)展的重點(diǎn)。目前，除中國外的其他國家主要依靠商業(yè)航天公司來建設(shè)NGSO寬帶衛(wèi)星通信星座，例如美國Starlink星座[1]、Kuiper星座[2]，英國 OneWeb星座[3]，以及加拿大Telesat星座[4]。

天基信息系統(tǒng)發(fā)展的主要瓶頸之一是頻軌資源緊張。一方面，不斷增加的低軌通信星座系統(tǒng)，會(huì)對使用相同頻段的靜止軌道（GSO）衛(wèi)星系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響；另一方面，隨著Ku、Ka頻段頻率資源的逐漸枯竭，各申報(bào)星座難以避免使用重疊頻段，導(dǎo)致各NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)存在潛在同頻干擾。在國際電聯(lián)的申報(bào)框架中，存在同頻干擾的系統(tǒng)需要在申報(bào)階段進(jìn)行頻軌協(xié)調(diào)，以保證有害干擾不超過可靠工作的閾值。協(xié)調(diào)時(shí)用到的方法是同頻干擾分析。

最初的干擾分析主要針對GSO衛(wèi)星開展，并形成了一整套建議書與規(guī)范[5-7]。然而，在進(jìn)行高軌衛(wèi)星間的協(xié)調(diào)時(shí)，參與協(xié)調(diào)的衛(wèi)星數(shù)少，星地空間關(guān)系近似恒定，干擾鏈路并不復(fù)雜。不同于GSO系統(tǒng)之間的干擾場景，低軌衛(wèi)星與地球站的相對位置是變化的，從而導(dǎo)致衛(wèi)星之間以及衛(wèi)星與地面站之間的空間幾何關(guān)系具有時(shí)變性。當(dāng)前申報(bào)的NGSO星座規(guī)模通常高達(dá)數(shù)萬顆，并且在某一指定地面區(qū)域的瞬時(shí)可見星座數(shù)量達(dá)到數(shù)十顆。無論是干擾鏈路的數(shù)量，還是干擾鏈路的時(shí)變性，均大大增加了干擾計(jì)算的復(fù)雜程度。文獻(xiàn)[8-9]最早對NGSO星座間的干擾計(jì)算方法進(jìn)行了分析，但并沒有給出相關(guān)的仿真結(jié)果。李睿等雖然針對NGSO星座時(shí)變性的特點(diǎn)，對不同采樣點(diǎn)上的瞬時(shí)干擾進(jìn)行了計(jì)算和仿真，但只考慮了NGSO星座與GSO衛(wèi)星間的干擾[10-11]。對于NGSO系統(tǒng)間干擾，靳瑾等提出了一種衛(wèi)星鏈路間夾角等效干擾指標(biāo)的方式，并以O(shè)neWeb系統(tǒng)和O3b系統(tǒng)為例給出了全球范圍內(nèi)系統(tǒng)間的可用概率[12]。此外，針對具體的干擾分析場景，基于鏈路計(jì)算的分析方法能夠得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果[13]。

隨著星上載荷與天線技術(shù)的發(fā)展，未來低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向是星載相控陣天線技術(shù)。該技術(shù)將使衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)在空域維度具備業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)、靈活可變的能力。用戶鏈路更要依賴相控陣多波束技術(shù)，以滿足廣域業(yè)務(wù)的服務(wù)需求。對此，本文主要對大規(guī)模NGSO星座系統(tǒng)之間的用戶鏈路同頻干擾問題開展研究，在完成場景分析的基礎(chǔ)上梳理面向多波束的干擾分析模型及計(jì)算方法，并在所搭建的仿真分析平臺(tái)中對大規(guī)模星座的用戶鏈路間同頻干擾進(jìn)行仿真計(jì)算。

1 用戶鏈路干擾場景與干擾分析模型

同頻干擾的產(chǎn)生需要在空間和頻率上均產(chǎn)生重疊碰撞。其中，未來NGSO星座通常具有全球覆蓋的特性，因此空間域的碰撞是不可避免的。對于頻率維度而言，根據(jù)目前全球典型的NGSO星座的申報(bào)數(shù)據(jù)，在用戶鏈路干擾場景中，當(dāng)NGSO系統(tǒng)衛(wèi)星與地面通過上下行用戶鏈路進(jìn)行通信時(shí)，處于干擾角度范圍內(nèi)的不同NGSO星座的衛(wèi)星就會(huì)產(chǎn)生干擾[14]。表1給出了用戶鏈路間潛在同頻干擾情況。

▼表1 典型非靜止軌道衛(wèi)星星座使用頻率

（1）OneWeb與Starlink星座均采用Ku頻段作為用戶鏈路的頻段，與使用Ka頻段的O3b、Telesat等星座的用戶鏈路不會(huì)發(fā)生同頻干擾；

（2）OneWeb和Starlink的用戶上下行鏈路頻率產(chǎn)生重疊，兩者都采用傾斜軌道，因此會(huì)產(chǎn)生用戶鏈路碰撞；

（3）Telesat和Kuiper星座都采用不同傾斜角度的傾斜軌道，因此干擾遍布全球；

（4）O3b、Telesat和Kuiper星座的用戶鏈路都使用Ka波段，且各自系統(tǒng)內(nèi)的通信過程都會(huì)對相鄰系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。其中，O3b主要為赤道圓軌道星座，與其他星座的頻率重疊干擾發(fā)生在低緯度地區(qū)。

在空域和頻域都滿足潛在干擾的條件時(shí)，需要對系統(tǒng)間的同頻干擾進(jìn)行分析。分析結(jié)果將作為頻軌協(xié)調(diào)與干擾規(guī)避的依據(jù)。

1.1 用戶鏈路干擾場景

在未來，為滿足廣覆蓋和高資源利用率的要求，衛(wèi)星用戶鏈路多以相控陣下的多點(diǎn)波束方式進(jìn)行工作。多色復(fù)用技術(shù)也會(huì)被采用以避免同一系統(tǒng)內(nèi)相鄰波束間的干擾。同一衛(wèi)星同頻工作的用戶鏈路波束數(shù)量多，而不同系統(tǒng)的衛(wèi)星多色復(fù)用卻不同。干擾場景表現(xiàn)為復(fù)雜多波束間同頻波束的互相碰撞，如圖1所示。其中，多色復(fù)用策略體現(xiàn)在使用不同顏色的波束來代表不同的頻率。由于衛(wèi)星用戶鏈路采用多波束多色復(fù)用的方式，同頻波束間會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的交叉干擾情況，因此干擾分析模型必須體現(xiàn)出多星、多波束的主要特點(diǎn)。

此外，對于寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座而言，根據(jù)業(yè)務(wù)類型和形態(tài)的不同，地面終端用戶包括兩類：（1）大型固定天線、車載天線、船載天線等往往具有指向能力，可生成凝視波束；（2）小型天線、便攜式用戶天線往往不具備指向能力，可生成固定波束（多采用小口徑、弱方向性波束）。因此，在不同分析場景下，不同波束調(diào)度方式的衛(wèi)星和不同類型的終端會(huì)形成不同的同頻干擾場景，需要做針對性分析。

1.2 干擾分析模型

在載干噪比、干噪比等評估指標(biāo)中，載波功率、干擾功率、噪聲功率需要進(jìn)行組合。這里我們分別給出多波束條件下載波功率和干擾功率的分析模型。

（1）載波分析模型

考慮衛(wèi)星用戶鏈路多波束的特性，有用信號(hào)可以寫為：

其中，i為波束編號(hào)，j為地面段平臺(tái)編號(hào)，Cij表示多波束衛(wèi)星第i個(gè)波束中第j個(gè)地面段平臺(tái)與衛(wèi)星的有用信號(hào)功率，P0表示載波發(fā)射功率。θij(t)與φij(t)分別表示發(fā)射天線的離軸角度與接收天線的離軸角度，Gt[θij(t)]和Gr[φij(t)]則分別代表發(fā)射和接收天線在對應(yīng)角度上的增益。λi表示第i個(gè)波束頻率對應(yīng)的波長，dij(t)表示相應(yīng)的地面終端與衛(wèi)星間的距離。由于衛(wèi)星具有運(yùn)動(dòng)特性，上述角度和斜距均隨時(shí)間變化。對于工作在凝視模式的用戶設(shè)備，可以認(rèn)為其θij(t)與φij(t)均一直等于最大增益角，并且?guī)缀醣３植蛔?；而對于固定指向的衛(wèi)星或弱指向性的地面終端，其θij(t)與φij(t)則是隨時(shí)間變化的。

（2）干擾分析模型

實(shí)際上，由于NGSO衛(wèi)星星座數(shù)量較多，多個(gè)干擾衛(wèi)星/地面站會(huì)對同一站點(diǎn)/衛(wèi)星產(chǎn)生干擾。這種干擾稱為集總干擾。衛(wèi)星系統(tǒng)的集總干擾功率則為通信仰角范圍內(nèi)干擾衛(wèi)星造成的干擾功率之和。

其中，N1表示施擾平臺(tái)造成干擾的波束數(shù)量，Ni(t)表示可視范圍內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量，Pij是帶內(nèi)干擾功率。θ′ij(t)與φ′ij(t)分別表示干擾鏈路相對于通信鏈路發(fā)射天線與接收天線的離軸角度，Gt[θ′ij(t)]和Gr[φ′ij(t)]則分別代表對應(yīng)的發(fā)射和接收天線在對應(yīng)角度上的增益。基于上述模型計(jì)算，并結(jié)合軌道外推，我們可以對NGSO衛(wèi)星的同頻干擾進(jìn)行精確計(jì)算與分析。

2 仿真計(jì)算平臺(tái)

針對大規(guī)模NGSO星座的干擾分析仿真場景，我們搭建了商業(yè)軌道建模軟件+MATLAB科學(xué)計(jì)算的仿真架構(gòu)，如圖2所示。其中，軌道建模軟件可以建立復(fù)雜的衛(wèi)星場景，并支持衛(wèi)星干擾場景全過程的步進(jìn)推演。同時(shí)，MATLAB能夠通過編程便捷地獲得可供復(fù)雜邏輯和高級(jí)數(shù)學(xué)運(yùn)算使用的軌道建模結(jié)果，并通過通信控制模塊實(shí)現(xiàn)場景的高效控制。

▲圖2 仿真平臺(tái)架構(gòu)圖

同時(shí)，借助軌道建模軟件提供的顯示接口，我們使用C#語言來搭建圖形操作界面。該界面能夠?qū)崟r(shí)顯示星座組成、二維/三維星座狀態(tài)，如圖3所示。其中，界面頂端的任務(wù)欄能夠進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的控制，包括場景構(gòu)建、星座設(shè)計(jì)、干擾分析等。中間主要區(qū)域分為左側(cè)節(jié)點(diǎn)列表、中部三維顯示，以及右側(cè)二維顯示和圖表顯示。MATLAB運(yùn)算集成于軟件的后臺(tái)，以支撐完整的干擾分析過程。

▲圖3 圖形操作界面截圖

3 大規(guī)模星座仿真計(jì)算

在搭建的仿真計(jì)算平臺(tái)中，我們以Starlink和OneWeb系統(tǒng)為分析對象，對本文所建立的分析模型和分析方法進(jìn)行仿真計(jì)算。根據(jù)申報(bào)資料，我們構(gòu)造了Starlink一期的4 425顆衛(wèi)星星座和OneWeb系統(tǒng)的648顆衛(wèi)星星座，如圖4所示。其中，OneWeb為受擾星座，Starlink為施擾星座。One?Web的648顆NGSO衛(wèi)星和備份星分布在高度為1 200 km、傾角為87.9°的12個(gè)軌道面上，并且每個(gè)軌道面均部署49顆OneWeb衛(wèi)星和5顆備用星。Starlink的軌道參數(shù)如表2所示。

▲圖4 星座布局圖

▼表2 Starlink低軌道參數(shù)

在互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，下行用戶鏈路的傳輸速率比上行用戶鏈路更高，使得相應(yīng)的干擾變得更加嚴(yán)重。本文中，我們以下行鏈路為例進(jìn)行仿真。

3.1 仿真場景與參數(shù)

OneWeb采用16個(gè)高橢圓波束（并列排布），可覆蓋1 100 km2的正方形區(qū)域，如圖5（a）所示。Starlink則采用靈活波束，其相控陣波束可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)波束300 km2的覆蓋。對于需要較大點(diǎn)波束覆蓋的區(qū)域，Starlink則可實(shí)現(xiàn)更大波束600 km2的覆蓋。由于Starlink的頻率復(fù)用方式未知，我們以四色復(fù)用的頻率復(fù)用方式為例對16個(gè)用戶波束進(jìn)行仿真（考慮4個(gè)同頻波束）。假設(shè)4個(gè)波束的覆蓋面積均為600 km2，即覆蓋半徑約為14 km，波束半錐角為1.5°。在對熱點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行仿真時(shí)，我們將靈活波束視為短時(shí)間內(nèi)的凝視波束。此時(shí)，波束覆蓋仿真區(qū)域。由上述參數(shù)可以看出，One?Web與Starlink的波束存在完全重疊的可能，其相對離軸角受衛(wèi)星間的位置關(guān)系影響，并且這種影響會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化。Starlink同色波束如圖5（b）所示。

▲圖5 仿真波束示意圖

對于用戶終端，我們采用隨機(jī)分布的50個(gè)Starlink終端作為干擾鏈路的終端，并采用1個(gè)OneWeb終端作為受擾鏈路的終端進(jìn)行分析。這些終端的分布中心位于江蘇省南京市，如圖6所示。具體系統(tǒng)仿真參數(shù)如表3所示。

▼表3 星座用戶鏈路參數(shù)

▲圖6 地面終端均勻隨機(jī)分布示意圖

3.2 仿真結(jié)果

72 h內(nèi)OneWeb終端的載噪比、載干噪比和干噪比的仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。其中，干噪比-12.2 dB或等效載干噪比損失0.25 dB被作為有害干擾發(fā)生的閾值?？梢钥闯?，由于多波束、多終端、集總干擾的存在，鏈路質(zhì)量受損嚴(yán)重，絕大部分時(shí)刻均處于有害干擾范圍。

▲圖7 OneWeb終端的載干噪比與載噪比比較

▲圖8 OneWeb終端的干噪比

為量化系統(tǒng)的可用時(shí)間，進(jìn)一步得到干擾發(fā)生的概率和系統(tǒng)的可用時(shí)間百分比，我們對載干噪比和干噪比做進(jìn)一步分析。相關(guān)累積分布曲線如圖9和圖10所示。

▲圖9 OneWeb終端的載干噪比累積分布曲線

▲圖10 OneWeb終端的干噪比累積分布曲線

通過圖10可以看出，干噪比小于-12.2 dB門限值的時(shí)間百分比接近0，即系統(tǒng)不存在惡意干擾的時(shí)間幾乎沒有。這將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常工作。同時(shí)，由于地面用戶數(shù)量多、分布廣，不同區(qū)域的用戶密度不同，無法通過空間隔離來減緩干擾。因此，頻率協(xié)調(diào)面臨巨大壓力，需要更加切實(shí)可行的干擾減緩措施。

4 結(jié)束語

NGSO互聯(lián)網(wǎng)星座是未來空天地海網(wǎng)絡(luò)的必然組成部分，但頻軌資源的爭奪是目前阻礙發(fā)展的重要因素。本文中我們針對未來低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星用戶鏈路的空域和頻域特點(diǎn)，梳理了同頻干擾場景和干擾分析模型，并搭建了仿真分析平臺(tái)，以Starlink和OneWeb星座為例進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)干擾分析仿真計(jì)算。其中，所計(jì)算的衛(wèi)星數(shù)達(dá)到了5 000顆以上。仿真結(jié)果表明，低軌星座間干擾十分嚴(yán)重，系統(tǒng)可用時(shí)間百分比不足10%，急需頻率協(xié)調(diào)與干擾減緩。這同時(shí)也說明本文所提模型能夠有效實(shí)現(xiàn)同頻干擾分析。未來我們將針對各種不同場景下的系統(tǒng)共存問題進(jìn)行更多的仿真計(jì)算，以持續(xù)推進(jìn)本工作的研究進(jìn)展。

致謝

本文的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和仿真平臺(tái)開發(fā)主要由南京郵電大學(xué)碩士研究生趙長林和陸遠(yuǎn)松完成，在此對他們的辛勤工作致以衷心的感謝！