星地一體化網(wǎng)絡(luò)干擾建模與性能分析

方子希，李國彥，吳海燕，周文玉

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081；2.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050081)

0 引言

2019年6月，工信部正式向三大運(yùn)營商發(fā)放5G商用牌照，中國電信和中國聯(lián)通分別獲得3 400～3 500 MHz,3 500～3 600 MHz的sub-6授權(quán)頻段[1]。5G正以其強(qiáng)大的內(nèi)生技術(shù)手段推動人類社會從“信息化”向“智能化”轉(zhuǎn)變。衛(wèi)星通信以其優(yōu)質(zhì)的信道特性、靈活的帶寬分配能力及固定廣播等優(yōu)點(diǎn)，為各類用戶提供全域無縫覆蓋，已然成為面向全球提供互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和移動通信網(wǎng)絡(luò)的核心方案之一[2-3]?？梢灶A(yù)見，在一定時間段內(nèi)，5G移動通信系統(tǒng)與衛(wèi)星通信系統(tǒng)將處于共存與融合的態(tài)勢。國際電信聯(lián)盟(ITU)、第三代合作伙伴計(jì)劃(3GPP)及5G系統(tǒng)中衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)融合聯(lián)盟(SAT5G)等組織在已頒布的5G標(biāo)準(zhǔn)、6G愿景中均明確提出了星地融合這一發(fā)展方向，用以構(gòu)建海、陸、空、天一體化通信網(wǎng)絡(luò)，滿足用戶無處不在的多樣化業(yè)務(wù)需求[4-9]。然而，隨著5G商用化的推進(jìn)及5G終端設(shè)備的增多，5G新興頻段與傳統(tǒng)衛(wèi)星頻段的頻譜資源碰撞問題逐漸凸顯。特別地是，5G FR1頻段干擾衛(wèi)星C波段(3 400～4 200 MHz)地球站空對地固定業(yè)務(wù)的情況頻發(fā)。例如,2019年7月，中國電信位于上海臨港的5G基站干擾武警海警衛(wèi)星同頻地球站，導(dǎo)致該衛(wèi)星通信中斷50多分鐘[10]。除了頻段重疊，5G移動通信與衛(wèi)星通信固定業(yè)務(wù)所用載頻在頻譜規(guī)劃上幾近連續(xù)，由發(fā)射/接收機(jī)的非理性特性(例如功率放大器的非線性及熱噪聲所引起的頻率偏移)造成的鄰頻干擾，以及過強(qiáng)5G信號對鄰頻部署的衛(wèi)星地球站接收機(jī)產(chǎn)生的飽和干擾，都將嚴(yán)重影響衛(wèi)星下行鏈路的通信質(zhì)量[11-12]。如何有效協(xié)調(diào)衛(wèi)星與5G移動通信之間的干擾，成為現(xiàn)階段面臨的棘手難題。另外，隨著低軌道高通量衛(wèi)星數(shù)量的增多，支持Ka波段(27～40 GHz)的通信小衛(wèi)星與5G FR2頻段(24.25～52.6 GHz)也潛在頻率碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

針對上述問題，現(xiàn)有應(yīng)對手段主要參照頻管部門的干擾協(xié)調(diào)規(guī)定，采取“后用讓先用”原則進(jìn)行用頻協(xié)調(diào)[13]。通過分析地球站實(shí)測數(shù)據(jù)有針對性地利用頻譜，以規(guī)避使用過程中可能出現(xiàn)的干擾。然而，實(shí)測方法的靈活性不足且偶然性較大，易出現(xiàn)干擾躲避失敗。針對此類干擾的理論分析和數(shù)學(xué)建模較為匱乏?；诖?，本文提出利用隨機(jī)幾何理論來建模5G移動通信對衛(wèi)星地球站的干擾，通過理論推導(dǎo)和數(shù)值仿真分析此類干擾對地球站接收機(jī)的影響程度，以期為干擾協(xié)調(diào)提供相應(yīng)的理論和參數(shù)支撐。

1 系統(tǒng)模型

本文考慮衛(wèi)星與5G移動終端共存的星地一體化網(wǎng)絡(luò)場景。固定軌道衛(wèi)星的下行鏈路使用S/C波段，5G蜂窩系統(tǒng)內(nèi)各個終端的上行鏈路同樣工作在S/C波段。當(dāng)5G終端與基站建立連接時，5G上行信號會對衛(wèi)星地球站產(chǎn)生同頻或者鄰頻干擾。為了求解性能極限，此處假設(shè)地球站可以全向接收到5G干擾信號。星地一體化網(wǎng)絡(luò)場景如圖1所示。

圖1 星地一體化網(wǎng)絡(luò)場景Fig.1 Scenario of satellite-5G networks

衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)(Fixed Satellite Servic，F(xiàn)SS)受地面5G移動業(yè)務(wù)干擾的頻段如圖2所示。

圖2 5G移動業(yè)務(wù)干擾衛(wèi)星FSS頻段Fig.2 The interference frequency band between satellite FSS and 5G mobile service

FSS所使用的頻段與中國移動5G 2.515～2.535 GHz頻段存在頻譜交疊，與中國電信5G 3.4～3.5 GHz頻段以及與中國聯(lián)通5G 3.5～3.6 GHz頻段存在頻譜交疊。此外，F(xiàn)SS在4.8 GHz頻點(diǎn)與中國移動5G業(yè)務(wù)、在5.15 GHz頻點(diǎn)與中國廣電5G業(yè)務(wù)分別潛在鄰頻干擾風(fēng)險(xiǎn)。除了發(fā)射/接收機(jī)的非理性特性，鄰頻干擾還可能由5G移動端運(yùn)動或衛(wèi)星受信道影響產(chǎn)生的多普勒頻偏引起。

2 干擾建模

現(xiàn)階段，3GPP(Rel-15 TS38.821標(biāo)準(zhǔn))將衛(wèi)星在星地一體化網(wǎng)絡(luò)中所扮演的角色定位于提供透明的傳輸通道，或作為承載網(wǎng)提供部分回傳服務(wù)，即衛(wèi)星只對接收信號進(jìn)行放大、變頻和轉(zhuǎn)發(fā)[7]。由于信號未經(jīng)衛(wèi)星處理轉(zhuǎn)發(fā)而直接到達(dá)地球站接收端，衛(wèi)星信號的下行鏈路衰減未得到有效補(bǔ)償，因此更易受地面5G蜂窩系統(tǒng)的影響。下面，分別對5G蜂窩系統(tǒng)潛在干擾源的空間分布和衛(wèi)星地球站所受干擾進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

2.1 干擾源空間分布

2.2 聚合干擾模型

定義地球站所處地理位置為坐標(biāo)原點(diǎn)o。地球站接收到的5G干擾總功率可以表示為：

(1)

式中，Pm表示干擾源的發(fā)射功率，并假設(shè)所有5G終端的發(fā)射功率相同；g表示小尺度衰落；‖x‖-α表示大尺度衰落，‖·‖為歐氏距離，α為大尺度衰落系數(shù)。

3 性能分析

3.1 星地成功通信概率

地球站接收機(jī)的信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)可以表示為：

(2)

式中，S表示地球站接收到的衛(wèi)星下行信號功率；I表示5G蜂窩系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾總功率；N=k0T0B0表示噪聲功率。進(jìn)一步，S可以細(xì)化為：

(3)

式中，Pt表示衛(wèi)星發(fā)射功率；Gt和Gr分別表示衛(wèi)星發(fā)射天線增益和地球站接收天線增益；EIRP=PtGt為衛(wèi)星天線的有效全向輻射功率；λ=1/f為衛(wèi)星信號波長；RSE為衛(wèi)星與地球站的直線距離；h表示衛(wèi)星信號在下行鏈路中經(jīng)歷的小尺度衰落，h與星地信道特性有關(guān)。

S=ηh。

(4)

定義1(星地成功通信概率)：星地下行鏈路的通信成功概率定義為當(dāng)且僅當(dāng)?shù)厍蛘窘邮招盘柕腟INR大于某一閾值θ時，地球站能正確接收并解調(diào)衛(wèi)星下行信號的概率，并記為概率PSE(θ)：

PSE(θ)=Ρ(SINR>θ)，

(5)

由于地球站接收機(jī)考慮了干擾因素，傳統(tǒng)性能表征參數(shù)G/T值已無法全面衡量接收機(jī)的品質(zhì)因數(shù)。因此，有必要引入新的性能表征參數(shù)，即SINR閾值θ。這里，θ與地球站接收機(jī)的物理特性有關(guān)。θ越小，表示接收機(jī)對干擾加噪聲的容忍能力越強(qiáng)。在某一時刻，θ為一無量綱的確定比值。另外，可以用1-PSE(θ)表示地球站接收機(jī)受干擾信號影響未能成功接收到衛(wèi)星下行信號的概率，即星地通信中斷概率。

3.2 星地信道與移動信道模型

3.2.1 星地下行鏈路信道模型

相關(guān)試驗(yàn)表明，Lutz模型是最為接近衛(wèi)星信道真實(shí)狀態(tài)的一類概率統(tǒng)計(jì)模型，適用于包括鄉(xiāng)村、公路、郊區(qū)和城市在內(nèi)的幾乎所有衛(wèi)星通信環(huán)境[15]。Lutz模型將星地信道分為“好”與“壞”2種狀態(tài)。在“壞”狀態(tài)下接收信號受陰影效應(yīng)的影響不存在直射分量，其瞬時功率包絡(luò)服從Rayleigh分布，即：

(6)

在“好”狀態(tài)下，地球站接收信號由直射分量和多徑分量共同組成，接收信號瞬時功率包絡(luò)服從Rician分布，即：

(7)

3.2.2 移動信道模型

通常情況，5G移動終端所處位置具有隨機(jī)性和不確定性，因此5G移動信道的小尺度衰落g可以用Rayleigh信道來描述，即假設(shè)由5G移動終端發(fā)射并到達(dá)地球站接收機(jī)的干擾信號，其瞬時功率包絡(luò)服從均值為1的負(fù)指數(shù)分布。

3.3 性能分析

分別對“壞”狀態(tài)和“好”狀態(tài)的星地成功通信概率進(jìn)行分析，并給出如下定理。

(8)

證明：

(9)

(10)

由Laplace變換LI(z)=EI[exp(-zI)]得：

(11)

(12)

(13)

3.2.2節(jié)設(shè)定移動信道模型為Rayleigh，且小尺度衰落g服從均值為1的負(fù)指數(shù)分布，所以：

(14)

進(jìn)一步，由隨機(jī)幾何概率產(chǎn)生泛函(Probability Generating Functional，PGFL)[14]理論，即：

(15)

式中，λs表示干擾源密度。若所有干擾源均處于二維平面中，則d=2。將式(15)帶入式(14)可得：

(16)

對式(16)進(jìn)行積分，得:

(17)

取大尺度衰落系數(shù)α=2，可得:

(18)

(19)

(20)

證明完畢。

(21)

(22)

證明：

(23)

(24)

一方面，由文獻(xiàn)[18]可知，在相同功率下，自由空間內(nèi)性質(zhì)不同的噪聲熵要比干擾熵更大，即SINR分母項(xiàng)全部由噪聲組成時可獲得“好”狀態(tài)星地成功通信概率的最差情況。另一方面，由于在實(shí)測環(huán)境中陰影遮蔽時間百分比A約等于0.08[15]，即衛(wèi)星信道不受陰影效應(yīng)影響的狀態(tài)較少，推導(dǎo)下界對整體星地成功通信概率分析結(jié)果的影響較弱。因此尋求“好”狀態(tài)的下界是本文分析的折中考量。

進(jìn)一步，由于h2服從Rician分布，“好”狀態(tài)下星地成功通信概率的下界可積分為：

(25)

將式(7)帶入式(25)，得：

(26)

用MarcumQ-函數(shù)表示式(26)，可得:

(27)

證明完畢。

最后，綜合定理1與定理2，可得Lutz信道模型下星地成功通信概率的閉式解為：

(28)

4 數(shù)值仿真

仿真依次分析了“壞”狀態(tài)、“好”狀態(tài)及Lutz信道模型下星地成功通信概率隨SINR閾值的變化情況，并分析了地面5G終端聚合干擾和遮蔽因子對星地成功通信概率的影響程度。仿真參數(shù)[8,15,17-21]設(shè)置如表1所示。蒙特卡羅仿真次數(shù)為104，仿真軟件為Matlab2018b。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

圖3 “壞”狀態(tài)下星地成功通信概率變化情況，A=1Fig.3 Successful communication probability in bad case，A=1

圖4 “好”狀態(tài)下星地成功通信概率變化情況，A=0Fig.4 Successful communication probability in good case，A=0

取實(shí)測遮蔽因子A=0.08[15]。圖5給出了完整Lutz信道狀態(tài)下星地成功通信概率PSE隨SINR閾值θ的變化趨勢?？梢钥闯觯堑爻晒νㄐ鸥怕孰SSINR閾值的增加而減小，在干擾源密度為3×10-6個/m2且SINR閾值為-110 dB時，星地下行通信鏈路完全中斷。SINR閾值為-120 dB時，星地下行鏈路至少有50%的通信成功概率。SINR為-130～-120 dB，星地下行鏈路具有較好的通信質(zhì)量。國際電聯(lián)ITU-R S.2199-0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，進(jìn)入衛(wèi)星地球站接收天線的干擾信號總功率不得超過-90 dBw[22]。按此標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，地球站接收機(jī)最小可容忍SINR為-130 dB。因此，仿真所得SINR閾值區(qū)間是合理的。

圖5 Lutz信道下星地成功通信概率變化情況，A=0.08Fig.5 Successful communication probability with Lutz channel，A=0.08

取SINR閾值θ=-120 dB。圖6給出了星地成功通信概率PSE隨遮蔽因子A的變化趨勢?？梢钥闯觯堑爻晒νㄐ鸥怕孰SA的增加而逐漸增加。A的增加，表明信道狀態(tài)由無直射徑的“壞”狀態(tài)向直射徑與多徑共存的“好”狀態(tài)遷移，因此無論干擾源密度是否增加，星地成功通信概率都會改善，這與實(shí)際情況也是相符的。

圖6 星地成功通信概率隨遮蔽因子A的變化情況Fig.6 Successful communication probability vs shadowing factor A

可以看到，圖3～圖6中的蒙特卡羅仿真結(jié)果與閉式解推導(dǎo)結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)束語

星地一體化網(wǎng)絡(luò)是無線通信領(lǐng)域重要的研究方向之一，衛(wèi)星和地面5G蜂窩的融合能夠?yàn)橛脩籼峁┤?、無縫的覆蓋。然而，受頻譜資源制約，星地一體化網(wǎng)絡(luò)存在5G移動業(yè)務(wù)干擾衛(wèi)星地球站的問題。針對該問題，本文提出了基于隨機(jī)幾何理論的星地一體化網(wǎng)絡(luò)干擾分析方法，提出了干擾環(huán)境下星地下行鏈路性能衡量指標(biāo)，并構(gòu)建了聚合干擾模型。利用Lutz衛(wèi)星信道模型，數(shù)學(xué)推導(dǎo)了存在5G聚合干擾時地球站接收機(jī)的星地下行鏈路通信成功概率，并給出了閉式解。仿真結(jié)果表明，干擾源密度和SINR閾值是制約干擾環(huán)境下星地下行鏈路性能的關(guān)鍵因素。為了使地球站接收機(jī)保持50%以上的星地成功通信概率，建議在工程實(shí)踐中對接收機(jī)SINR閾值的設(shè)計(jì)應(yīng)不大于-120 dB。為了獲得更好的衛(wèi)星信道環(huán)境，在地球站選址時應(yīng)盡量避免與5G基站覆蓋區(qū)域的重疊，從而降低干擾源的數(shù)量，減少同頻或鄰頻干擾對地球站的影響。通過調(diào)節(jié)遮蔽因子，盡量保持直射徑存在，可以有效提升星地下行鏈路的通信質(zhì)量。本文研究成果具有一定的工程實(shí)踐價值。