面向低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的頻率干擾仿真研究

余文科, 程 媛，李 偉

(1.中國電子學(xué)會， 北京 100036;2.國家無線電監(jiān)測中心， 北京 100037)

0 引 言

中低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座具有傳輸延遲低、全球全天時覆蓋等優(yōu)勢，近年來發(fā)展勢頭迅猛。國際電聯(lián)(International Telecommunication Union, ITU)登記的非靜止軌道(Non-GeoStationary Orbit，NGSO)互聯(lián)網(wǎng)星座衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料數(shù)量呈現(xiàn)快速增長的趨勢。國外很多衛(wèi)星通信運(yùn)營商和新興科技公司，都在致力于設(shè)計(jì)和建設(shè)低軌寬帶通信星座系統(tǒng)[1]，例如主體部分已完成建設(shè)的Starlink星座、正著手部署的OneWeb星座、正在推進(jìn)研發(fā)的Telesat星座和亞馬遜Kuiper星座等。

然而，大規(guī)模低軌互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)的爆炸式發(fā)展也引發(fā)了頻率軌道資源的爭奪[2]。一方面，目前全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)仍以靜止軌道(GeoStationary Orbit，GSO)衛(wèi)星為主，不少頻段采用了GSO為主用戶的干擾保護(hù)策略，低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的發(fā)展勢必對現(xiàn)有GSO的同頻共存提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。另一方面，在可以預(yù)見的未來，低軌互聯(lián)網(wǎng)星座將成為全球衛(wèi)星通信的重要組成部分，不同低軌星座間的同頻干擾問題將成為頻軌資源協(xié)調(diào)及頻率共用領(lǐng)域的另一主要難題。因此，開展低軌互聯(lián)網(wǎng)星座間的同頻干擾分析與仿真計(jì)算十分必要。

目前，針對非靜止軌道衛(wèi)星星座同頻干擾問題的研究主要集中在非靜止軌道衛(wèi)星星座與GSO衛(wèi)星間的同頻干擾問題[3]。文獻(xiàn)[4]通過誤碼率性能分析了非對地靜止軌道衛(wèi)星對GSO的干擾效應(yīng)，主要分析了衛(wèi)星之間角度對干擾的影響，針對LEO與GSO衛(wèi)星之間由于頻率共享引起的干擾。文獻(xiàn)[5]根據(jù)LEO、GSO衛(wèi)星與地面站的位置關(guān)系，提出了通過功率控制的方式達(dá)到減小干擾的目的。文獻(xiàn)[6]構(gòu)建了GSO衛(wèi)星不同場景下的干擾評估和分析計(jì)算模型，提出了一種基于干擾函數(shù)機(jī)制的評估方法，對全球布設(shè)場景下的干擾分布情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。文獻(xiàn)[7]則針對LEO與GSO衛(wèi)星頻譜共用的場景，在空間隔離的干擾規(guī)避方法的基礎(chǔ)上，提出了GSO帶的概念，仿真了干擾隔離角、GSO帶和LEO星座密度的關(guān)系。上述文獻(xiàn)都在ITU相關(guān)規(guī)則及我國頻率軌道資源相關(guān)管理規(guī)定[8-9]的基礎(chǔ)上討論了GSO系統(tǒng)與低軌星座間的干擾分析和協(xié)調(diào)措施。

然而，相較于GSO與NGSO系統(tǒng)間的干擾，在NGSO互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)之間的同頻干擾場景更加復(fù)雜，LEO衛(wèi)星之間以及衛(wèi)星與地球站的相對位置、空間幾何關(guān)系均是時變的，從而導(dǎo)致干擾鏈路特性也是時變的。再者，未來低軌互聯(lián)網(wǎng)星座中的衛(wèi)星平臺多采用多波束體制，致使干擾鏈路數(shù)量多、集總干擾時變且呈現(xiàn)弱周期性。因此，低軌互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)之間的干擾計(jì)算尤為復(fù)雜[7-8]。針對低軌通信星座系統(tǒng)間的干擾分析，目前國內(nèi)外尚處于起步和摸索階段。文獻(xiàn)[10]提出了一種估算非靜止軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)間的下行同頻干擾分析方法，但未給出相關(guān)的仿真驗(yàn)證。文獻(xiàn)[11]針對NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)與GSO衛(wèi)星的下行同頻干擾場景，對不同采樣點(diǎn)上的瞬時干擾進(jìn)行了計(jì)算和仿真。對于低軌星座系統(tǒng)間干擾，文獻(xiàn)[12]提出了一種通過衛(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。同時對于具體的干擾分析場景，基于鏈路計(jì)算的分析方法也能夠得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果。

針對上述問題，本文將研究低軌互聯(lián)網(wǎng)通信星座系統(tǒng)之間的同頻干擾情況。在總結(jié)歸納傳統(tǒng)靜態(tài)干擾場景以及干擾分析指標(biāo)的基礎(chǔ)上，梳理大規(guī)模低軌通信星座系統(tǒng)間同頻干擾場景的特點(diǎn)，建立面向多波束低軌互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)的統(tǒng)一干擾模型，搭建基于Matlab和衛(wèi)星軌道仿真軟件的干擾分析仿真平臺，仿真評估低軌互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)間的下行同頻干擾規(guī)律，旨在為評估大規(guī)模低軌互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)間同頻干擾提供一種思路和方法。

1 系統(tǒng)模型

基于干擾場景的梳理，本節(jié)將建立面向多波束的動態(tài)干擾分析模型。其中，饋電鏈路中衛(wèi)星波束與地面站波束多采用凝視模式，且地面站通常具備多天線收發(fā)能力，能夠囊括或兼容所有潛在干擾場景中的主要特點(diǎn)。而上行傳輸與下行傳輸在鏈路指標(biāo)計(jì)算中存在互異性，因此，以饋電鏈路下行為例建立模型。此模型經(jīng)過合理轉(zhuǎn)化或簡化，能夠滿足第1節(jié)中各干擾場景的建模要求。干擾場景如圖1所示。

圖1 通信鏈路間下行干擾場景

有用信號接收端接收到的功率計(jì)算公式為

式中：Ptx為衛(wèi)星的發(fā)射功率；Gtmax為衛(wèi)星發(fā)射天線最大增益；Grmax為地球站接收天線的最大增益；λ為載波頻率對應(yīng)波長；d(t)為發(fā)射端與接收端之間的距離。由于衛(wèi)星下行鏈路大多使用互相指向的凝視波束，因此在計(jì)算有用信號功率時，發(fā)射接收天線的軸線方向與鏈路之間的夾角可以近似為0°，發(fā)射接收增益都為最大值。

由于低軌互聯(lián)網(wǎng)星座規(guī)模較大，有用信號接收天線的主瓣與旁瓣易接收到來自其他系統(tǒng)的干擾信號。接收端接收到的單顆干擾衛(wèi)星信號功率可以表示為

式中：Ii(t)為第i顆衛(wèi)星造成的干擾信號功率；Pt為干擾信號的發(fā)射功率；Gt(·)為干擾信號發(fā)射天線在偏離其主軸一定角度上的天線增益；Gr(·)為受干擾系統(tǒng)接收端天線在偏離其主軸一定角度上的天線增益；θi(t)和φi(t)分別為干擾星座中第i顆干擾衛(wèi)星發(fā)射天線主軸與干擾鏈路間的夾角以及接收天線主軸與干擾鏈路間的夾角。

實(shí)際中，由于低軌星座數(shù)量多，大多干擾體現(xiàn)為多個干擾衛(wèi)星對同一地球站產(chǎn)生干擾，稱為集總干擾。因此，衛(wèi)星系統(tǒng)受到的集總干擾功率為通信仰角范圍內(nèi)干擾衛(wèi)星造成的干擾功率之和，即

考慮衛(wèi)星的大規(guī)模特性和多波束體制，可以將有用信號改寫為

式中：i為衛(wèi)星編號；j為表示波束編號；Cij為地球站接收到的第i顆衛(wèi)星的第j個波束的信號功率，由于多波束覆蓋某片區(qū)域，因此覆蓋區(qū)域的地球站與衛(wèi)星天線不一定為互相指向；θij與φij分別為發(fā)射天線的離軸角度與接收天線的離軸角度；Gt(θij)和Gr(φij)則分別為發(fā)射和接收天線在對應(yīng)角度上的增益；λi為第j個波束頻率對應(yīng)的波長；dij(t)為相應(yīng)的地球站與衛(wèi)星間的距離。

同理，在多波束體制下地球站接收到的干擾信號也可能來自同一顆衛(wèi)星的不同波束，干擾信號的集總干擾模型可以改寫為

式中：i為衛(wèi)星編號；j為波束編號。Si(t)為可視范圍內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量；S為與有用信號產(chǎn)生頻率重疊的波束個數(shù)，由于同一系統(tǒng)的不同衛(wèi)星多波束編排相同，S為常數(shù)。

系統(tǒng)噪聲功率表示為N=K·T·B，其中K為玻耳茲曼常數(shù)，T為系統(tǒng)等效噪聲溫度，B為重疊帶寬。

2 干擾評估指標(biāo)

目前，國際電聯(lián)關(guān)于GSO衛(wèi)星系統(tǒng)之間的干擾評估指標(biāo)非常明確。常用的干擾指標(biāo)有載干比、載噪比、載干噪比、干噪比、等效噪聲增量比、功率通量密度等[13-14]。針對低軌通信星座系統(tǒng)間的動態(tài)干擾場景，可以基于靜態(tài)干擾指標(biāo)，結(jié)合多波束集總干擾，應(yīng)用到低軌星座間干擾的場景中。

從上述指標(biāo)中選用觸發(fā)頻率協(xié)調(diào)相關(guān)的指標(biāo)干噪比和反映系統(tǒng)通信質(zhì)量的指標(biāo)載干噪比。

干噪比是指干擾信號功率I與接收機(jī)內(nèi)部噪聲功率N的比值，干噪比是國際電聯(lián)提供的最常用干擾保護(hù)準(zhǔn)則, 通常用于業(yè)務(wù)與業(yè)務(wù)間或受擾系統(tǒng)特性未知的干擾分析中。以下行饋電鏈路為例，計(jì)算公式為

考慮到低軌系統(tǒng)間多顆衛(wèi)星干擾的情況，集總干擾條件下的干噪比指標(biāo)計(jì)算公式為

載干噪比定義為載波功率C對干擾信號功率I與噪聲功率N之和的比值，載干噪比考慮了在噪聲和干擾情況下通信系統(tǒng)的整體性能，該值越大，鏈路性能越好。

同理，集總情況下的載干噪比為

一般情況下，干擾判別指標(biāo)來自受擾系統(tǒng)自身的特性參數(shù)或技術(shù)指標(biāo)，在受擾系統(tǒng)未提供該參數(shù)的情況下，也可根據(jù)相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、ITU建議書等規(guī)定來確定。

3 高效干擾分析平臺搭建

對于仿真計(jì)算平臺而言，關(guān)鍵模塊主要包括星座場景構(gòu)建與干擾分析計(jì)算兩部分。其中，星座場景構(gòu)建采用了商用軟件的功能，而核心算法全部在Matlab中完成。最后，通過C#編程語言實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面。仿真平臺完整的仿真流程如圖3所示。

圖2 分析仿真平臺架構(gòu)

圖3 仿真流程

在運(yùn)算性能方面，通過充分利用Matlab的計(jì)算功能能夠顯著的減少運(yùn)算量以及增加運(yùn)算速度。如圖4所示，主要體現(xiàn)在兩方面：1)預(yù)處理：通過預(yù)先對場景設(shè)置參數(shù)的處理來有效減少干擾場景的復(fù)雜程度，包括軌道篩選、地面可見性分析等措施；2)高效計(jì)算：通過利用Matlab本身自帶的功能提高運(yùn)算速度，例如在數(shù)據(jù)計(jì)算過程中使用并行計(jì)算功能或者充分利用Matlab矩陣運(yùn)算的高效性。

圖4 高效性設(shè)計(jì)流程

4 仿真參數(shù)與分析

4.1 干擾場景和仿真參數(shù)設(shè)置

對現(xiàn)有典型低軌互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析[16]，選取OneWeb和Starlink系統(tǒng)作為干擾仿真對象，分析Starlink系統(tǒng)對OneWeb系統(tǒng)的下行饋電干擾。其中OneWeb星座共有648顆衛(wèi)星，位于高度為1 200 km，傾角為87.9°的圓軌道；Starlink星座由高度分布在540 km～570 km，傾角為53°～97.6°的4 408顆圓軌道衛(wèi)星組成。設(shè)置關(guān)口站位置為重合的極端干擾情況，其余仿真參數(shù)設(shè)置如表1～表2所示。

表1 OneWeb系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

表2 Starlink系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

4.1.1單星干擾仿真場景

考慮單顆Starlink衛(wèi)星對單顆OneWeb衛(wèi)星的下行饋電干擾，選取相鄰軌道傾角為70°的Starlink衛(wèi)星和傾角為87.9°的OneWeb衛(wèi)星。設(shè)置關(guān)口站重合，位置為29°N 114.3°E,通信仰角設(shè)置為20°。仿真時長為48 h，步長為60 s。場景如圖5所示。

圖5 單星間干擾場景

4.1.2星座間干擾仿真場景

仿真Starlink星座對OneWeb星座的集總干擾，設(shè)置關(guān)口站站重合，位置為0°N 103.4°E，通信仰角為20°。仿真時長為24 h，步長為60 s。場景如圖6所示，其中，藍(lán)色極軌道衛(wèi)星為OneWeb星座，其余顏色為Starlink軌道高度不同的衛(wèi)星。

圖6 星座間干擾場景

4.2 仿真結(jié)果及分析

4.2.1單星間干擾仿真結(jié)果

由于低軌衛(wèi)星軌道相對位置具有時變的特性，兩顆衛(wèi)星只有在同時與相應(yīng)關(guān)口站建立通信鏈路時才會發(fā)生干擾。OneWeb和Starlink均為低軌衛(wèi)星系統(tǒng)，OneWeb的運(yùn)行周期為109 min，Starlink的運(yùn)行周期為96 min，兩顆衛(wèi)星與關(guān)口站鏈路建立時長分布如圖7所示，其中，橫坐標(biāo)為48 h的仿真時間，綠色和紅色線段分別表示Starlink和OneWeb衛(wèi)星在關(guān)口站處的可視時間，即當(dāng)兩者同時處于關(guān)口站可視時間范圍內(nèi)時就會對彼此造成干擾。

圖7 單顆衛(wèi)星通信鏈路建立時長分布

由于傾斜軌道衛(wèi)星相對關(guān)口站位置不固定，每次干擾產(chǎn)生時對應(yīng)的干擾鏈路的相對空間位置不同，因此每次干擾出現(xiàn)的總時長和峰值也不相同。

此處只研究Starlink對OneWeb衛(wèi)星造成的干擾。經(jīng)過計(jì)算，在48 h的仿真時間里，共發(fā)生了4次干擾。圖8給出了4次干擾的干噪比的峰值與時間分布。

圖8 干擾信號干噪比峰值和時間分布

可以看出第2、3、4次干擾的干噪比在-25 dB以下未超過干噪比-12.2 dB的門限值，即不造成有害干擾。僅有第1次干擾超過門限值產(chǎn)生有害干擾。第1次干擾的載噪比和載干噪比如圖9所示。

圖9 OneWeb衛(wèi)星載噪比與載干噪比

單次干擾持續(xù)時間約為2 min，最嚴(yán)重時載噪比約衰減12 dB，可以看出單顆低軌衛(wèi)星由于運(yùn)行周期短，造成干擾的時長也較短。同時由圖7中干噪比時間峰值分布可以看出大部分情況下不造成有害干擾，只有兩顆衛(wèi)星的通信鏈路接近共線時才會造成較大的功率衰減。單星間的干擾具有干擾時長短，峰值分布不均勻等特點(diǎn)。

4.2.2星座間干擾仿真結(jié)果

考慮4 408顆Starlink衛(wèi)星對648顆OneWeb衛(wèi)星的下行饋電干擾情況，計(jì)算得到OneWeb關(guān)口站接收端的載噪比與載干噪比比較如圖10所示。

圖10 載噪比與載干噪比比較

衛(wèi)星接收端載干噪比在24 h內(nèi)的所有時刻都存在不同程度的衰減。由于低軌星座系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量多分布密集，所以關(guān)口站可視范圍內(nèi)一直存在干擾衛(wèi)星，接收端一直會接收到來自其他系統(tǒng)衛(wèi)星的干擾。衛(wèi)星星座產(chǎn)生的集總干擾更為密集，同時干擾強(qiáng)度也更大。

其中圖11給出了干噪比的曲線，紅線表示ITU建議書中的有害干擾門限值-12.2 dB，其中干擾最嚴(yán)重時的干噪比為28 dB，發(fā)生在17.4 h時刻。可以看出大部分時間I/N都超出了門限值，即在極端情況下，Starlink星座在大部分時間都會對OneWeb星座造成有害干擾，系統(tǒng)的可用性大大降低。

圖11 干噪比及門限值

圖12和圖13分別給出了干噪比和載干噪比的累積概率分布。

圖12 干噪比的累積概率分布

圖13 載干噪比的累積概率分布

由圖12可知干噪比為12.2 dB時對應(yīng)的累計(jì)概率為0.154 1，即干噪比低于門限值即系統(tǒng)可用時間占比為15.41%。在1天的仿真時長內(nèi)，干擾不超過可容忍門限的時長為3.7 h，產(chǎn)生有害干擾的時長為20.3 h。

由于載干噪比門限值與系統(tǒng)特性參數(shù)有關(guān)，通常載干噪比下降3 dB可以理解為信號載噪比受干擾影響下降至原來的一半。由圖13可知載干噪比衰減3 dB以內(nèi)對應(yīng)的累積概率約為0.2，即20%的時間里不可通信，80%的時間里通信質(zhì)量下降3 dB以內(nèi)。

Starlink星座在大部分時間內(nèi)都會對OneWeb星座造成有害干擾，同時引起通信質(zhì)量的大幅度惡化，存在20%的不可通信時間。

5 結(jié) 語

本文研究了低軌通信系統(tǒng)之間的干擾情形，對低軌衛(wèi)星間的潛在同頻干擾場景進(jìn)行梳理，同時借鑒ITU的經(jīng)典評估指標(biāo)，針對低軌通信系統(tǒng)干擾場景建立分析模型和評估方法，對低軌通信星座間同頻干擾進(jìn)行分析。以Starlink星座和OneWeb星座為例，建立了5 056顆衛(wèi)星的干擾仿真場景，對Starlink衛(wèi)星和OneWeb衛(wèi)星單點(diǎn)和集總干擾進(jìn)行了仿真。給出了載干噪比和干噪比的曲線，對大規(guī)模低軌通信星座間的干擾特性和時間可用性進(jìn)行了分析。由于低軌星座通信系統(tǒng)的運(yùn)動特性，低軌星座通信系統(tǒng)間的干擾較為嚴(yán)重且干擾情形也更加復(fù)雜。因此在實(shí)際大規(guī)模低軌星座的部署中，需要根據(jù)不同的場景采取有效的干擾規(guī)避措施。

對大規(guī)模低軌通信星座系統(tǒng)間干擾分析的方法，還需要進(jìn)一步的研究，例如基于空間位置劃分的方法或基于概率統(tǒng)計(jì)的方法，高效評估面向萬顆以上規(guī)模星座系統(tǒng)之間的干擾特征，為后續(xù)研究提供思路。