成克偉，王五兔

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，陜西西安710000）

星地一體化通信系統(tǒng)同頻干擾統(tǒng)計(jì)分析

成克偉，王五兔

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，陜西西安710000）

星地一體化通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與輔助地面網(wǎng)絡(luò)共用一段頻率，這有利于提高系統(tǒng)頻譜效率，但也帶來(lái)了系統(tǒng)內(nèi)同頻干擾。為了更加準(zhǔn)確地計(jì)算同頻干擾，利用Wilkinson方法將大量干擾源等效為單一干擾源，建立了等效干擾源的統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算同頻干擾概率。

星地一體化通信系統(tǒng)；同頻干擾；輔助地面網(wǎng)絡(luò)；干擾概率

0 引言

自美國(guó)9.11事件和卡特里娜颶風(fēng)之后，研究人員開(kāi)始關(guān)注如何在突發(fā)事件中保障有效通信，由此提出了星地一體化衛(wèi)星通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如：保障突發(fā)事件中有效通信服務(wù)；增強(qiáng)高密度城市或偏遠(yuǎn)地區(qū)信號(hào)強(qiáng)度，采用地基波束形成技術(shù)為衛(wèi)星“減負(fù)”；適用于任何通信體制；能有效促進(jìn)星地網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一。為提高系統(tǒng)容量和頻譜效率，使地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)共享一段頻率，而此兩種網(wǎng)絡(luò)又分別采用頻率復(fù)用技術(shù)。這種頻率方案不可避免地帶來(lái)了系統(tǒng)內(nèi)同頻干擾，本文從統(tǒng)計(jì)角度分析地面終端對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)的同頻干擾。

1 系統(tǒng)模型

星地一體化衛(wèi)星通信系統(tǒng)由基于多波束空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)SBN（Satellite Based Network）和輔助地面網(wǎng)絡(luò)ATN（Ancillary Terrestrial Network）構(gòu)成，其中空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)SBN由衛(wèi)星與衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)站組成；輔助地面網(wǎng)絡(luò)ATN由各種協(xié)議的基站、基站控制單元、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)控制單元組成[1-2]，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 星地一體化衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)

1.1 空間網(wǎng)絡(luò)

SBN由衛(wèi)星和衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)組成，衛(wèi)星為多波束衛(wèi)星天線，衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理。

采用透明轉(zhuǎn)發(fā)靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星，并采用大型可展開(kāi)反射面多波束天線技術(shù)，提供足夠的EIRP和G/T值，實(shí)現(xiàn)地面移動(dòng)終端與衛(wèi)星的通信，這樣可以使地面終端可以采用較小口徑的天線實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸，支持衛(wèi)星移動(dòng)通信和寬帶通信業(yè)務(wù)。

反射面多波束天線的每個(gè)波束由主瓣翻蓋，其輻射方向圖為：

1.2 地面輔助網(wǎng)絡(luò)

ATN網(wǎng)絡(luò)由陸地蜂窩和各種協(xié)議的基站（GSM，CDMA2000，W-CDMA等）組成，每個(gè)蜂窩區(qū)被分配一段頻率，由一個(gè)基站（Base Station）提供服務(wù)，該基站由發(fā)射器、接收器和控制單元組成。鄰近的蜂窩被分配給不同的頻率，但是相互間距足夠遠(yuǎn)的蜂窩區(qū)可以使用相同頻段。

1.3 網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)控制中心

網(wǎng)絡(luò)控制中心動(dòng)態(tài)地對(duì)SBN和ATN進(jìn)行實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制，而終端在系統(tǒng)的控制下自動(dòng)地在ATN和SBN之間進(jìn)行無(wú)縫切換。對(duì)用戶(hù)而言覺(jué)察不出是通過(guò)ATN基站還是衛(wèi)星進(jìn)行通信。

1.4 移動(dòng)終端

系統(tǒng)服務(wù)目標(biāo)是大量的移動(dòng)終端用戶(hù)，終端設(shè)備采用衛(wèi)星/基站雙模工作模式，設(shè)備采用極化隔離的內(nèi)外置天線，內(nèi)置天線對(duì)應(yīng)基站服務(wù)模式，外置天線對(duì)應(yīng)衛(wèi)星服務(wù)模式。

2 干擾途徑

地面移動(dòng)用戶(hù)工作在衛(wèi)星服務(wù)和移動(dòng)通信服務(wù)雙模下，在這兩種模式下使用相同的一段頻率，所以不可避免地發(fā)生干擾，其干擾情況分為以下兩種情況，分別如圖2和圖3所示。

圖2 移動(dòng)終端對(duì)衛(wèi)星同頻干擾路徑

在圖2中，衛(wèi)星上行鏈路與移動(dòng)終端反向鏈路同頻，陸地終端用戶(hù)直接干擾衛(wèi)星信號(hào)；在圖3中，衛(wèi)星上行鏈路與終端前向鏈路同頻，基站的前向鏈路對(duì)衛(wèi)星信號(hào)造成同頻干擾。本文采用第一種上下行頻率分配（移動(dòng)終端信號(hào)干擾衛(wèi)星信號(hào)）并分析其干擾[1]。

圖3 基站對(duì)衛(wèi)星同頻干擾路徑

3 單干擾源統(tǒng)計(jì)模型

假設(shè)系統(tǒng)用戶(hù)位于大城市人口密度高的區(qū)域，移動(dòng)信號(hào)傳播統(tǒng)計(jì)模型由三種傳播機(jī)制描述：大尺度路徑損耗、中尺度陰影衰落和小尺度多徑衰落。以下討論移動(dòng)終端用戶(hù)信號(hào)：

（1）經(jīng)過(guò)建筑物等比發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)大得多的障礙物后的傳播陰影區(qū)而造成的陰影衰落；

（2）經(jīng)過(guò)很多散射體而使信號(hào)多徑傳播，不同的路徑到達(dá)接收機(jī)在時(shí)間上不同步而造成的多徑衰落。

3.1 大尺度衰落

假設(shè)ATN網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)（干擾源）位于人口密度高的大中城市，采用Walfisch-lkegami模型。

在非視距傳播算式如下：

其中：Lf為自由空間傳播損耗；Lrts為樓頂、街道等繞射散射損耗；Lms為屏障繞射；w=b/2為街道寬度；hr為建筑物高度；hm為終端高度；Lo為與信號(hào)、街道入射角度相關(guān)的量。

3.2 陰影衰落

陰影衰落是疊加在大尺度衰落中值上的電平平均功率變化，用分貝表示時(shí)，衰減變化趨向于正態(tài)分布。

其中：P0為陰影衰落中值；Pr為大尺度衰落中值；σ2為方差，根據(jù)測(cè)量值，在頻率為1 800 MHz，城市條件下取σ=8。

3.3 多徑衰落

由于反射、衍射和局部散射，從基站發(fā)出的信號(hào)要經(jīng)過(guò)多個(gè)路徑到達(dá)接收機(jī)，產(chǎn)生了多徑衰落，一般采用瑞利分布和賴(lài)斯分布模擬次衰落信道。由于城市環(huán)境使得終端信號(hào)多以多徑方式干擾衛(wèi)星，所以采用瑞利信道描述小尺度衰落。

在大尺度衰落和陰影衰落均值一定的條件下，接收機(jī)的信號(hào)幅值的瞬時(shí)功率服從瑞利分布，即：

由于P=r2/2和P0=σ2，得到接收信號(hào)的瞬時(shí)功率（單位：mW）服從指數(shù)分布：

同樣，干擾信號(hào)功率也服從。

而由陰影衰落可知，P0服從均值為大尺度衰落中值的正態(tài)分布，將dBm轉(zhuǎn)化為mW得到：

其中Pr為大尺度衰落中值，由上文中W-L模型描述。

4 多干擾源等效為單一干擾源

由于存在大量地面系統(tǒng)終端用戶(hù)，其陰影衰落服從正態(tài)分布，現(xiàn)將大量移動(dòng)終端干擾信號(hào)等效為單干擾源干擾。目前還不能夠找到正態(tài)分布隨機(jī)變量和統(tǒng)計(jì)特性的解析表達(dá)式，本文采用Wilkinson數(shù)值方法計(jì)算其隨機(jī)變量和的均值方差。

Wilkinson法通過(guò)匹配X和Y的一階和二階矩得到其自然對(duì)數(shù)（ln）的均值mY和方差

根據(jù)上式可得：

5 同頻干擾概率計(jì)算

由上節(jié)分析可知，干擾信號(hào)和載波信號(hào)瞬時(shí)功率滿(mǎn)足瑞利分布，則：

上文中，利用Wilkinson法已將大量地面終端干擾信號(hào)等效為單干擾源信號(hào)，滿(mǎn)足正態(tài)分布，而載波信號(hào)經(jīng)過(guò)陰影衰落之后亦滿(mǎn)足正態(tài)分布：

由條件概率公式可知：

設(shè)α=12，取PCr-PIr區(qū)間為0～30 dBm，利用Matlab仿真計(jì)算，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 靜態(tài)保護(hù)比為12時(shí)同頻干擾概率

對(duì)圖4分析可知，當(dāng)系統(tǒng)要求C/I大于12 dB時(shí)，實(shí)際的C/I為25 dB時(shí)，不發(fā)生干擾的概率約為90%，且標(biāo)準(zhǔn)差σ越大曲線越平緩。

6 結(jié)語(yǔ)

本文用統(tǒng)計(jì)的方式給出了星地一體化通信系統(tǒng)中地面大量干擾信號(hào)對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾計(jì)算方式，并利用Matlab仿真了具體結(jié)果，發(fā)現(xiàn)干擾源越大等效干擾源的方差越大，同頻干擾曲線越平滑。

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Statistic analysis for same frequency interference of integrated satellite and terrestrial communication system

CHENG Kewei，WANG Wutu
（Xi’an Branch，China Academy of Space Technology，Xi’an 710000，China）

In integrated satellite and terrestrial communication system，the satellite based network and ancillary terrestrial network share the same frequency band，which is helpful to improve the frequency spectrum efficiency while introducing the same frequency interference in the system.To calculate the same frequency interference accurately，a large number of interference sources are equivalent to a single source by means of Wilkinson method.The statistical model of the equivalent interference source was established to calculate the probability of the same frequency interference.

integrated satellite and terrestrial communication system；same frequency interference；ancillary terrestrial network；interference probability

TN911-34

A

1004-373X（2015）23-0013-03

10.16652/j.issn.1004-373x.2015.23.004

成克偉（1987—），在讀碩士研究生。研究方向?yàn)楹教炱魈炀€設(shè)計(jì)。

2015-05-25