星地一体化通信系统同频干扰统计分析

成克伟，王五兔

（中国空间技术研究院西安分院，陕西西安710000）

星地一体化通信系统同频干扰统计分析

成克伟，王五兔

（中国空间技术研究院西安分院，陕西西安710000）

星地一体化通信系统中，卫星网络与辅助地面网络共用一段频率，这有利于提高系统频谱效率，但也带来了系统内同频干扰。为了更加准确地计算同频干扰，利用Wilkinson方法将大量干扰源等效为单一干扰源，建立了等效干扰源的统计模型计算同频干扰概率。

星地一体化通信系统；同频干扰；辅助地面网络；干扰概率

0 引言

自美国9.11事件和卡特里娜飓风之后，研究人员开始关注如何在突发事件中保障有效通信，由此提出了星地一体化卫星通信系统。该系统具有诸多优点，比如：保障突发事件中有效通信服务；增强高密度城市或偏远地区信号强度，采用地基波束形成技术为卫星“减负”；适用于任何通信体制；能有效促进星地网络运营商统一。为提高系统容量和频谱效率，使地面网络与卫星网络共享一段频率，而此两种网络又分别采用频率复用技术。这种频率方案不可避免地带来了系统内同频干扰，本文从统计角度分析地面终端对卫星网络用户的同频干扰。

1 系统模型

星地一体化卫星通信系统由基于多波束空间卫星网络SBN（Satellite Based Network）和辅助地面网络ATN（Ancillary Terrestrial Network）构成，其中空间卫星网络SBN由卫星与卫星网关站组成；辅助地面网络ATN由各种协议的基站、基站控制单元、网络动态控制单元组成[1-2]，系统架构如图1所示。

图1 星地一体化卫星移动通信系统

1.1 空间网络

SBN由卫星和卫星网关组成，卫星为多波束卫星天线，卫星网关实现信号的处理。

采用透明转发静止轨道移动通信卫星，并采用大型可展开反射面多波束天线技术，提供足够的EIRP和G/T值，实现地面移动终端与卫星的通信，这样可以使地面终端可以采用较小口径的天线实现高速率数据传输，支持卫星移动通信和宽带通信业务。

反射面多波束天线的每个波束由主瓣翻盖，其辐射方向图为：

1.2 地面辅助网络

ATN网络由陆地蜂窝和各种协议的基站（GSM，CDMA2000，W-CDMA等）组成，每个蜂窝区被分配一段频率，由一个基站（Base Station）提供服务，该基站由发射器、接收器和控制单元组成。邻近的蜂窝被分配给不同的频率，但是相互间距足够远的蜂窝区可以使用相同频段。

1.3 网络动态控制中心

网络控制中心动态地对SBN和ATN进行实时协调控制，而终端在系统的控制下自动地在ATN和SBN之间进行无缝切换。对用户而言觉察不出是通过ATN基站还是卫星进行通信。

1.4 移动终端

系统服务目标是大量的移动终端用户，终端设备采用卫星/基站双模工作模式，设备采用极化隔离的内外置天线，内置天线对应基站服务模式，外置天线对应卫星服务模式。

2 干扰途径

地面移动用户工作在卫星服务和移动通信服务双模下，在这两种模式下使用相同的一段频率，所以不可避免地发生干扰，其干扰情况分为以下两种情况，分别如图2和图3所示。

图2 移动终端对卫星同频干扰路径

在图2中，卫星上行链路与移动终端反向链路同频，陆地终端用户直接干扰卫星信号；在图3中，卫星上行链路与终端前向链路同频，基站的前向链路对卫星信号造成同频干扰。本文采用第一种上下行频率分配（移动终端信号干扰卫星信号）并分析其干扰[1]。

图3 基站对卫星同频干扰路径

3 单干扰源统计模型

假设系统用户位于大城市人口密度高的区域，移动信号传播统计模型由三种传播机制描述：大尺度路径损耗、中尺度阴影衰落和小尺度多径衰落。以下讨论移动终端用户信号：

（1）经过建筑物等比发射信号波长大得多的障碍物后的传播阴影区而造成的阴影衰落；

（2）经过很多散射体而使信号多径传播，不同的路径到达接收机在时间上不同步而造成的多径衰落。

3.1 大尺度衰落

假设ATN网络用户（干扰源）位于人口密度高的大中城市，采用Walfisch-lkegami模型。

在非视距传播算式如下：

其中：Lf为自由空间传播损耗；Lrts为楼顶、街道等绕射散射损耗；Lms为屏障绕射；w=b/2为街道宽度；hr为建筑物高度；hm为终端高度；Lo为与信号、街道入射角度相关的量。

3.2 阴影衰落

阴影衰落是叠加在大尺度衰落中值上的电平平均功率变化，用分贝表示时，衰减变化趋向于正态分布。

其中：P0为阴影衰落中值；Pr为大尺度衰落中值；σ2为方差，根据测量值，在频率为1 800 MHz，城市条件下取σ=8。

3.3 多径衰落

由于反射、衍射和局部散射，从基站发出的信号要经过多个路径到达接收机，产生了多径衰落，一般采用瑞利分布和赖斯分布模拟次衰落信道。由于城市环境使得终端信号多以多径方式干扰卫星，所以采用瑞利信道描述小尺度衰落。

在大尺度衰落和阴影衰落均值一定的条件下，接收机的信号幅值的瞬时功率服从瑞利分布，即：

由于P=r2/2和P0=σ2，得到接收信号的瞬时功率（单位：mW）服从指数分布：

同样，干扰信号功率也服从。

而由阴影衰落可知，P0服从均值为大尺度衰落中值的正态分布，将dBm转化为mW得到：

其中Pr为大尺度衰落中值，由上文中W-L模型描述。

4 多干扰源等效为单一干扰源

由于存在大量地面系统终端用户，其阴影衰落服从正态分布，现将大量移动终端干扰信号等效为单干扰源干扰。目前还不能够找到正态分布随机变量和统计特性的解析表达式，本文采用Wilkinson数值方法计算其随机变量和的均值方差。

Wilkinson法通过匹配X和Y的一阶和二阶矩得到其自然对数（ln）的均值mY和方差

根据上式可得：

5 同频干扰概率计算

由上节分析可知，干扰信号和载波信号瞬时功率满足瑞利分布，则：

上文中，利用Wilkinson法已将大量地面终端干扰信号等效为单干扰源信号，满足正态分布，而载波信号经过阴影衰落之后亦满足正态分布：

由条件概率公式可知：

设α=12，取PCr-PIr区间为0～30 dBm，利用Matlab仿真计算，其结果如图4所示。

图4 静态保护比为12时同频干扰概率

对图4分析可知，当系统要求C/I大于12 dB时，实际的C/I为25 dB时，不发生干扰的概率约为90%，且标准差σ越大曲线越平缓。

6 结语

本文用统计的方式给出了星地一体化通信系统中地面大量干扰信号对卫星系统的干扰计算方式，并利用Matlab仿真了具体结果，发现干扰源越大等效干扰源的方差越大，同频干扰曲线越平滑。

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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

成克伟（1987—），在读硕士研究生。研究方向为航天器天线设计。

2015-05-25