衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)抗干擾研究

朱禮勇

摘要：目前低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)正在蓬勃發(fā)展，可以預(yù)見，未來一定時期內(nèi)，全球無縫覆蓋、高低軌融合將成為衛(wèi)星移動通信發(fā)展的新趨勢。文章在分析和論述衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)主用的L，S頻段規(guī)劃和使用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)面臨的電磁干擾，開展系統(tǒng)抗干擾技術(shù)研究，重點研究分析了擴頻通信、星上處理、頻譜感知與干擾規(guī)避、自適應(yīng)調(diào)零天線、捷變波束通信等抗干擾技術(shù)，提出了星地一體化的體系抗干擾方案，可有效提高系統(tǒng)整體抗干擾能力。

關(guān)鍵詞：抗干擾；衛(wèi)星移動通信；衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TN927+.2? 文獻標志碼：A

0 引言

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，衛(wèi)星通信日臻成熟，因其覆蓋和不受地理條件的限制等優(yōu)勢，應(yīng)用日益廣泛。但衛(wèi)星通信全球覆蓋、高低軌融合的發(fā)展趨勢以及許多衛(wèi)星通信系統(tǒng)的密集建設(shè)部署，加之所需頻譜資源的限制，衛(wèi)星通信面臨的干擾問題日趨嚴重，因此在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研制建設(shè)過程中，抗干擾成為必須解決的關(guān)鍵問題之一。

就衛(wèi)星移動通信而言，主要面向大規(guī)模的手持式和便攜式終端用戶，提供較低速率的話音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等服務(wù)，主要使用L，S等頻段無線資源。本文將首先介紹L，S頻段的規(guī)劃使用情況，再開展衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)抗干擾研究設(shè)計。

1 頻率規(guī)劃使用現(xiàn)狀

目前全球主流的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)主要使用L，S頻段，各國和各組織在規(guī)劃使用以上頻段時主要依據(jù)國際電聯(lián)的相關(guān)頻段使用規(guī)劃以及各自內(nèi)部的規(guī)劃管理。

1.1 L頻段規(guī)劃使用現(xiàn)狀

1.1.1 L頻段國際電聯(lián)規(guī)劃

IEEE 將1～2 GHz頻段稱為L頻段。該頻段主要用于衛(wèi)星定位、衛(wèi)星通信以及地面移動通信。根據(jù)ITU的劃分，衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)可使用下列頻段。

（1）帶寬為34 MHz的 1 626.5～1 660.5/1 525～1 559 MHz上下行頻段（其中，1 525～1 559 MHz上行頻段占據(jù)優(yōu)先地位，下行頻段為衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)專用）。

（2）帶寬為7 MHz的1 668～1 675/1 518～1 525 MHz上下行頻段（優(yōu)先地位低于地面固定和移動業(yè)務(wù)）。

（3）帶寬為16.5 MHz的1 610～1 626.5 MHz上行頻段（占優(yōu)先地位，其對應(yīng)的下行頻段為S頻段2 483.5～2 500 MHz）。

1.1.2 L頻段使用情況

國際海事衛(wèi)星組織（International Maritime Satellite Organization，INMARSAT）衛(wèi)星通信系統(tǒng)等使用1 525.0～1 646.5 MHz頻段，舒拉亞（Thuraya）系統(tǒng)使用1 626.5～1 660.5 MHz（上行）/1 525～1 559 MHz（下行）頻段，銥星系統(tǒng)使用1 616.0～1 626.5 MHz 頻段。

我國無線電管理“十二五”期間加強了對衛(wèi)星頻率和軌道資源的規(guī)劃。綜合考慮公眾衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)提供者、廣播電視業(yè)務(wù)提供者、各專業(yè)部門（氣象、海洋、資源、減災(zāi)、測繪等）、科研單位以及軍隊對衛(wèi)星頻率和軌道的需求，進一步提高資源的有效利用。協(xié)調(diào)L頻段氣象輔助業(yè)務(wù)用頻，研究在L頻段的國內(nèi)劃分中增加衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)。協(xié)調(diào)小組經(jīng)過長期、細致、耐心的多方協(xié)調(diào)工作，綜合考慮我國國情，并與氣象部門達成一致，最終完成了相關(guān)內(nèi)容的修訂工作。我國在1 518～1 525 MHz頻段的劃分中，引入作為次要業(yè)務(wù)的衛(wèi)星移動（空對地）業(yè)務(wù)；我國在1 668～1 675 MHz頻段的劃分中，引入作為次要業(yè)務(wù)的衛(wèi)星移動（地對空）業(yè)務(wù)。

1.2 S頻段規(guī)劃使用現(xiàn)狀

1.2.1 S頻段國際電聯(lián)規(guī)劃

國際電聯(lián)在世界無線電大會（World Radio Congress，WRC）WRC-07和WRC-12審議國際移動通信系統(tǒng)（International Mobile Telecommunications，IMT）IMT-2000（3G）和IMT-Advance（4G）的發(fā)展問題時，確定了IMT系統(tǒng)工作頻段以及IMT系統(tǒng)中衛(wèi)星移動通信的工作頻段，形成相關(guān)決議和《無線電規(guī)則》腳注如下：確定1 885～2 025 MHz和2 110～2 200 MHz頻段旨在全球范圍內(nèi)由IMT使用；同時，上述頻段內(nèi)的1 980～2 010 MHz/2 170～2 200 MHz頻段被確認用于衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)，同時IMT衛(wèi)星移動通信主管部門可以考慮使用現(xiàn)有L和S頻段衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)的劃分，包括1 518～1 544 MHz，1 545～1 559 MHz，1 610～1 626.5 MHz，1 626.5～1 645.5 MHz，1 646.5～1 660.5 MHz，1 668～1 675 MHz，2 483.5～2 500 MHz。

1.2.2 S頻段使用情況

（1）中國S頻段頻率規(guī)劃情況。

依據(jù)國際電聯(lián)有關(guān)第三代公眾移動通信系統(tǒng)（IMT-2000）頻率劃分和技術(shù)標準，按照我國無線電頻率劃分規(guī)定，結(jié)合我國無線電頻譜使用的實際情況，我國第三代公眾移動通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃如下。

主要工作頻段。頻分雙工方式：1 920～1 980 MHz/2 110～2 170 MHz；時分雙工方式：1 880～1 920 MHz，2 010～2 025 MHz。

補充工作頻率。頻分雙工方式：1 755～1 785 MHz/1 850～1 880 MHz；時分雙工方式：2 300～2 400 MHz，與無線電定位業(yè)務(wù)共用，均為主要業(yè)務(wù)，共用標準另行制定。

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)工作頻段，如圖1所示：1 980～2 010 MHz/2 170～2 200 MHz。

（2）其他國家S頻段頻率規(guī)劃情況

以美國、加拿大、日本和韓國等國為首，支持地面蜂窩系統(tǒng)無限制條件使用S頻段。例如，2013年12月發(fā)布的韓國“移動寬帶規(guī)劃2.0版”，明確于2018年將2.1 GHz上下行（2×30 MHz）用于地面IMT業(yè)務(wù)。根據(jù)規(guī)劃，韓國明確：1 980～2 010 MHz用于地面IMT手機上行，2 170～2 200 MHz用于地面IMT基站下行。

2 抗干擾技術(shù)分析

綜上所述，目前衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)通常使用的L，S等頻段資源十分有限，而且還面臨著地面通信系統(tǒng)和其他衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾，因此，為高效使用有限的頻譜資源、提高系統(tǒng)容量，在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)設(shè)計之初必須重點考慮系統(tǒng)的抗干擾問題。

衛(wèi)星移動通信中可以采用的抗干擾技術(shù)措施包括擴頻通信、基帶處理轉(zhuǎn)發(fā)、干擾抑制抵消、波束變換、頻譜感知與干擾規(guī)避等。

2.1 擴頻通信

擴頻通信無疑是衛(wèi)星移動通信中最常用的抗干擾技術(shù)，通過擴展信號帶寬，無線信號功率被分布在很寬的頻帶上，功率譜幅值很低，常規(guī)頻譜偵察很難檢測，因此可以降低截獲概率，保密性好；由于信號帶寬被展寬，信噪比很低，有用信號功率遠低于干擾信號功率時仍可實現(xiàn)高質(zhì)量通信，干擾難度大；另外，擴頻信號在接收端解擴時，可以將多個路徑的信號分離出來并按一定規(guī)則合并以抵消多徑引發(fā)的衰落，具有良好的抗多徑干擾性能。擴頻通信系統(tǒng)主要可分為直接序列擴頻（DSSS）［1］、跳頻擴頻（FHSS）和跳時擴頻（THSS）等。

2.2 星上處理技術(shù)

從抗干擾的角度來看，星上處理技術(shù)使上下行鏈路解耦，清除信號在上行鏈路中所受噪聲和干擾的影響，同時還可使衛(wèi)星下行鏈路的功率放大器保持在正常工作狀態(tài)。美國第三代國防衛(wèi)星系統(tǒng)（DSCS-Ⅲ）、“銥”衛(wèi)星、先進通信技術(shù)衛(wèi)星（ACTS）以及移動用戶目標系統(tǒng)（MUOS）都采用了星上處理技術(shù)。星上處理技術(shù)主要包括［2］：星上解擴/擴頻、解調(diào)/調(diào)制、編碼/解碼、信號多波束變換、上下行復(fù)用方式變換、自動增益控制等。這些措施都是在星上完成的，處理的直接結(jié)果是抵消了信號上行傳輸過程中因干擾而產(chǎn)生的誤碼。星上處理已經(jīng)成為移動通信衛(wèi)星抗截獲、抗干擾的重要技術(shù)，隨著微電子技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星將可以承擔更多的信號處理任務(wù)，基帶處理將成為未來衛(wèi)星抗干擾措施的重要實現(xiàn)環(huán)節(jié)。

2.3 頻譜感知與干擾規(guī)避

頻譜感知與干擾規(guī)避技術(shù)措施采用星地一體化干擾檢測的方法［3］，即包含終端本地干擾檢測、星上頻譜感知、地面關(guān)口站頻譜感知3個方面，系統(tǒng)綜合處理分析終端、衛(wèi)星和地面關(guān)口站頻譜感知情況，給出感知結(jié)果，提供給系統(tǒng)資源管理調(diào)度模塊。在終端設(shè)備研制中采用干擾檢測技術(shù)，可有效分析本地的環(huán)境特性和干擾狀況。星上可以實時對每個波束的上行頻率信號進行采集、處理、下發(fā)，系統(tǒng)根據(jù)星上采集信號和終端、關(guān)口站檢測的頻率干擾情況，對上、下行干擾進行全面的處理分析，監(jiān)測整個系統(tǒng)的電磁環(huán)境；同時對各信道質(zhì)量進行評估、分類，為信道資源分配提供支撐，以達到規(guī)避、抑制干擾的目的。

2.4 自適應(yīng)調(diào)零天線技術(shù)

自適應(yīng)調(diào)零天線技術(shù)也稱為空間濾波技術(shù)，它利用了擴頻系統(tǒng)中擴頻信號電平處于噪聲電平以下的特點，抑制對象為強干擾源信號。自適應(yīng)調(diào)零天線系統(tǒng)由天線陣元和算法處理器組成，系統(tǒng)利用多元天線的組合，控制接收端功率保持在較低的水平，最終達到限制強干擾源的目的，該技術(shù)對寬頻帶噪聲和窄帶噪聲都能起到有效的抗干擾作用。干擾產(chǎn)生時，利用多波束天線和干擾源定位設(shè)備確定干擾源的大致方向，然后采取關(guān)閉或者區(qū)域快速選取算法形成自適應(yīng)波束，使干擾源在接收方向上趨于零值。

2.5 捷變波束通信技術(shù)

捷變波束通信技術(shù)是一種變換波束技術(shù)，采用捷變波束通信除可有效利用波束方向性增益以外，還能降低信號被截獲的概率、躲避干擾等。捷變波束通信技術(shù)利用相控陣天線實現(xiàn)波束的快速跳變，能夠靈活敏捷地形成所需波束，且具有高增益、低旁瓣電平的波束特點。

2.6 干擾抵消

干擾抵消是通過估計干擾信號的方法，從接收信號中減去估計出的干擾信號，從而實現(xiàn)削弱干擾目的的抗干擾方案。該抗干擾技術(shù)對于強干擾信號具有較好的削弱效果，一般置于解擴處理之前。總體來說，干擾抵消方法可以分為3類：零記憶非線性處理方法、變換域處理技術(shù)和自適應(yīng)濾波干擾抑制技術(shù)。

3 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)由于其星地鏈路的開放性，一些復(fù)雜電磁干擾可能嚴重影響通信質(zhì)量。為增強系統(tǒng)的抗干擾能力，抗干擾措施不僅僅限于采用單一的抗干擾技術(shù)，而是多種抗干擾、抑制干擾技術(shù)的組合，針對不同形式的干擾具備不同的干擾抑制消除措施。總之，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)需要綜合運用多種抗干擾技術(shù)手段，采用星地一體化抗干擾技術(shù)措施，在擁擠競爭的電磁環(huán)境下，為用戶提供高效可靠的衛(wèi)星移動通信服務(wù)。本文面向系統(tǒng)的空間段、地面段和用戶段開展星地一體抗干擾設(shè)計。

3.1 星上抗干擾設(shè)計

為增強衛(wèi)星的抗干擾能力，可采用數(shù)字波束成形、信道化、星上再生處理等多種抗干擾技術(shù)，并可通過提高衛(wèi)星接收機帶外抑制能力、提高衛(wèi)星平臺波束隔離度和星載天線的旁瓣特性，提升系統(tǒng)空間段的抗干擾能力。

3.1.1 數(shù)字波束形成技術(shù)

數(shù)字波束形成（Digital Beam Forming，DBF）的主要處理過程要求全部信號與某個復(fù)數(shù)加權(quán)因子分別相乘，然后把這些加權(quán)量加在一起，改變加權(quán)因子可以形成各種不同的波束。DBF包括陣列天線、射頻前端、數(shù)字接收機、波束運算器和波束控制器，如圖2 所示。射頻前端完成下變頻、濾波、放大和限幅，使信號滿足ADC轉(zhuǎn)換器的要求；數(shù)字接收機包括ADC轉(zhuǎn)換器和數(shù)字下變頻抽取等，實現(xiàn)模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換和頻率變換；數(shù)字波束形成器進行快速的并行數(shù)學運算，實現(xiàn)接收陣元信號和權(quán)矢量的內(nèi)積，產(chǎn)生波束；波束控制器主要根據(jù)各種約束條件產(chǎn)生最佳的矢量控制信號。DBF通過數(shù)字波束合成可大幅提高輸出信號的SNR，可對雜波信號進行抑制，通過一定的算法設(shè)置可對干擾方向置零，可抑制干擾源對有用信號的干擾。

3.1.2 星上再生處理技術(shù)

星上再生處理，即對上行用戶鏈路進行信道選路、上行解調(diào)等處理后，進行基帶處理、下行調(diào)制等處理，再進行下行信道合路和射頻發(fā)送處理，如圖3所示。該處理方式相較星上透明轉(zhuǎn)發(fā)，可以使得上行鏈路干擾與下行鏈路干擾解耦，系統(tǒng)空間段和用戶段分別處理上行或下行鏈路干擾，可以避免上行鏈路干擾轉(zhuǎn)移到下行鏈路，減少下行鏈路干擾，降低用戶終端處理下行鏈路干擾的難度和復(fù)雜度，提升系統(tǒng)抗干擾能力。

3.2 地面抗干擾設(shè)計

對于地面抗干擾設(shè)計而言，主要涉及關(guān)口站和用戶終端的抗干擾設(shè)計，包括以下幾個方面。

3.2.1 通信體制設(shè)計

為適應(yīng)擁擠競爭電磁環(huán)境，有效提高衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)地面的抗干擾能力，結(jié)合衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)主要使用的L，S頻段頻譜干擾情況，設(shè)計使用具有較強抗干擾能力的傳輸體制，例如可采用擴頻通信體制。或者根據(jù)干擾的具體情況并根據(jù)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)方式，統(tǒng)籌選擇技術(shù)體制?？傊?，針對干擾問題，在技術(shù)體制的選擇上，要么采用“抗”的方式，要么采用“躲”的方式，并據(jù)此開展相應(yīng)的技術(shù)體制設(shè)計。

3.2.2 終端本地干擾檢測設(shè)計

終端側(cè)通過寬帶多信號干擾檢測技術(shù)，利用頻譜空洞檢測算法挖掘頻譜空洞，并以信號檢測與干擾檢測技術(shù)手段完成頻段內(nèi)的干擾檢測，將檢測結(jié)果上報至關(guān)口站或衛(wèi)星（采用處理轉(zhuǎn)發(fā)方式時），關(guān)口站或衛(wèi)星根據(jù)終端本地干擾檢測情況實時調(diào)度先到資源，提升通信質(zhì)量。

3.2.3 鄰波束通信

如果在波束的交疊區(qū)，某一波束相關(guān)頻段存在較強干擾，終端可重選到相鄰的使用不同頻段的未受干擾或干擾較小的波束并駐留，以便在新波束進行通信業(yè)務(wù)。若在業(yè)務(wù)過程中，信道突然受到干擾，可通過觸發(fā)波束切換轉(zhuǎn)換到不受干擾或干擾較小的鄰波束進行通信。

3.2.4 功率控制

業(yè)務(wù)過程中，如果信道突然惡化，關(guān)口站可通過功率控制提高終端的發(fā)射功率，以達到解調(diào)信號所需的載噪比，但是這種方式受限于終端的最大功率能力。

3.3 頻譜感知及干擾規(guī)避設(shè)計

針對L，S頻段干擾情況，在終端研制中采用干擾檢測技術(shù)，可有效分析本地的環(huán)境特性和干擾狀況。星上可以實時對每個波束的上行信號進行采集、處理、下發(fā)，系統(tǒng)根據(jù)星上頻譜感知和終端本地檢測的頻率干擾情況，對上、下行干擾進行全面的處理分析，監(jiān)測整個系統(tǒng)的電磁環(huán)境；同時對各信道質(zhì)量進行評估、分類，為信道資源分配提供支撐，以達到規(guī)避、抑制干擾的目的。頻譜感知及干擾規(guī)避網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

充分利用衛(wèi)星和地面用戶終端的頻譜感知能力，在衛(wèi)星接收端研究衛(wèi)星實時寬帶頻譜感知技術(shù)，確定上行可用的工作頻率范圍，確定工作頻率范圍內(nèi)各個信道內(nèi)有無干擾、干擾強度以及信道的可用等級等，對系統(tǒng)可使用的頻譜資源進行認知，找到空閑的頻譜資源形成預(yù)留資源池，以波束復(fù)用調(diào)度準則與業(yè)務(wù)優(yōu)先級調(diào)度準則為約束，根據(jù)用戶實際需求，對頻譜資源進行合理的調(diào)配，提高頻譜資源的使用效率。并且，利用人工智能技術(shù)，實現(xiàn)干擾的認知和躲避，實現(xiàn)智能化頻譜資源動態(tài)管理，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 結(jié)語

衛(wèi)星移動通信面向大規(guī)模用戶，提供中低速率的廣域移動通信服務(wù)，主要使用L，S頻段資源，隨著目前眾多國家和企業(yè)組織等發(fā)展建設(shè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的熱潮，本就有限的頻率資源面臨著更多的制約，而僅采用單一的或孤立的幾種抗干擾手段，已很難適應(yīng)日趨復(fù)雜的電磁環(huán)境，必須開展星地一體化的體系抗干擾設(shè)計，綜合運用多種抗干擾技術(shù)手段，為用戶提供可靠的衛(wèi)星移動通信服務(wù)。

參考文獻

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（編輯 沈 強）

Research on anti-interference of satellite mobile communication system

Zhu? Liyong

（Nanjing Panda-handa Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210014， China）

Abstract： At present， the low-orbit satellite Internet is booming， and it is foreseeable that in a certain period of time in the future， seamless global coverage and high-low orbit integration will become a new trend in the development of satellite mobile communications. Based on the analysis and discussion of the main L and S frequency bands used by the satellite mobile communication system and the current situation of use， this paper conducts research on the system anti-interference technology for the electromagnetic interference faced by the satellite mobile communication system， focuses on the research and analysis of anti-interference technologies such as spread spectrum communication， on-board processing， spectrum sensing and interference avoidance， adaptive zero antenna， agile beam communication， etc.， and proposes a satellite-ground integrated anti-interference technology. The interference scheme can effectively improve the overall anti-interference ability of the system.

Key words： anti-interference; satellite mobile communication; satellite internet