星地一体化通信系统地面网络可用带宽分析

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地面网络可用带宽分析

成克伟，王五兔

（中国空间技术研究院西安分院，陕西西安710000）

摘要：星地一体化通信系统，是由基于多波束的卫星网络与地面辅助网络组成，它们共用一段频率。辅助地面网络的目的在于提高卫星波束在高密度人口区域的覆盖性能，这些区域中，卫星通信由于高楼而受到信号阴影衰减。地面网络的可用带宽随着禁区域卫星频率复用改变而改变，为了更加准确分析地面网络可用带宽的多少，在假定某区域人口密度均匀分布的条件下，提出了禁区的概念与一种新的全概率计算方法，并利用该方法分析卫星波束频率复用因子与禁区大小对地面辅助网络可用带宽的影响。

关键词：星地一体化通信系统；禁区；地面网络；可用带宽

随着移动通信的发展，仅靠陆地蜂窝通信系统无法全方位，无死角的为每个移动设备提供服务，比如高楼林立的高密度城市、室内信号覆盖不佳、山区等；也无法为发生自然灾害，或者某些突发的区域提供可靠的通信服务。在紧急情况下，地面通信信号微弱甚至中断，启用卫星链路回复通信服务是一种解决方案。

在“911”事件和卡特琳娜飓风之后，美国MSV和TerreStar公司开始研发基于辅助地面组件（Ancj11ary Terrestrja1 Component，ATC）技术的卫星移动通信系统，并于2008年发射TerreStar-1卫星；日本国家信息与通信技术研究所（The Natjona1 Instjtute of Informatjon and Communjcatjons Techno1ogy，NICT）也已开始研发一种星地一体化卫星移动通信系统（Sate11jte-Terrestrja1 Integrated Mobj1e Communjcatjon Systems，STICS），依靠用户的位置信息和当前系统状态为移动用户提供卫星/陆地双模服务。

由于采用双模系统，所以卫星与陆地系统采用共享一定带宽的频率资源，这有利于降低射频部分成本的降低，也有利于最大化利用有限的频带资源。而地面可用带宽多少，决定着辅助地面网络系统容量。

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（Sate11jte Based Network）和辅助地面网络ATN（Ancj11ary Terrestrja1 Network），空间卫星网络SBN由卫星与卫星网关站组成；地面辅助网络ATN由各种协议的基站、基站控制单元和网络动态控制单元组成［1-3］，如图1所示。

1.1卫星网络

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。

图1　星地一体化移动通信系统

反射面多波束天线的每个波束由主瓣翻盖，其辐射方向图如式（1）［4］：

1.2辅助地面网络

ATN网络由陆地蜂窝和各种协议的基站（GSM，CDMA2000，W-CDMA等），每个蜂窝区被分配一段频率，由一个基站（base statjon）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

网络控制中心动态的对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。对用户而言是觉察不出是通过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　禁区的划分

在卫星采用多波束频率复用技术和地面采用蜂窝移动通信技术的情况下，同一位置被覆盖两次。一个GSM地面蜂窝区半径大小为100 m～35 km，一个波束宽度为1°的波束半径径大约300 km，故一个卫星波束范围内有几百至几十万个地面小蜂窝。

由于地面蜂窝移动通信子系统和多波束卫星子系统系统频率公用，不可避免的发生系统内干扰。比如某个卫星波束中所有的地面小蜂窝在切换到基站服务模式时与该卫星波束（-3 dB宽度）使用相同频带资源，就会发生同频干扰。故对这些小蜂窝在基站服务时，不能使用覆盖他们的卫星波束频率。

为减少系统内同频干扰，地面移动终端在基站服务模式下，不能使用系统所有的频率资源。而具体不能使用那些频率，依靠该地面终端的位置信息和当前的系统状态。为方便仿真计算，引入“禁区”的概念，定义为：以波束主瓣功率下降一定值（4 dB、5 dB…）所对应波束半径为半径的圆。定义“禁区”之后，3 dB波束宽度内地面移动终端用户禁止使用“禁区”内划分的频率资源和部分相邻波束内频率资源［5-6］，如图2所示。

图2　禁区的定义原则

图2中，多波束卫星系统，采用七色频率复用方案。黑点代表地面终端或者基站（卫星上行链路与基站反向链路同频，则黑点为地面终端，卫星上行链路与基站前向链路同频，则黑点为基站），灰色圆圈是“禁区波束”。黑点位置是：F7波束内，并邻近F4和F5波束；而其所在的“禁区波束”是：F4、F5和F7的交集中。故该黑点代表的地面终端用户禁止使用F4、F5 和F7卫星波束划分的频率资源；而其距离F3和F6较近，故部分禁止使用F3和F6卫星波束划分的频率资源；而其距离F1和F2甚远，超过同频干扰的阀值，可以全部使用该段频率。如上图右图所示。

3　地面网络可用带宽分析

在星地一体化卫星移动通信系统中，当地面终端用户切换到基站服务模式时，会对卫星上行造成同频干扰，而牺牲地面终端可用用户频率带宽可以满足卫星上行同频干扰的要求。

地面移动终端用户可以位于卫星波束中任何位置，以频率复用因子7为例，其位置分为3种情况：1）终端用户在波束圆心附近地域，此处禁止使用该波束频率资源；2）终端用户在波束边缘附近，并且在两个禁区波束交集的地域，此处禁止使用这两个禁区波束所包含的波束的频率资源，和禁止使用相近两个波束的部分频率资源，剩余3个波束的频带可自由使用；3）终端用户在波束边缘附近，且在3个禁区波束交集的地域，此处禁止使用这3个禁区的频率，和禁止使用相邻两个波束的部分频率资源，其他2个波束的频带资源可自由使用。

令系统总的可用带宽为B，频率复用因子为K=7，那么在多波束卫星系统的一个簇内，3种情况分别可用带宽为：

其中，α是由地面系统容量与系统内同频干扰综合得出的加权因子。

在某一个卫星波束内，假定移动终端均匀分布，那么任一地面移动终端所处位置（3种情况之一）的可能性，与其所对应禁区波束交集面积大小在整个波束中的比例相等。令：某一个卫星波束在面积为S，上述3种禁区波束交集的面积分别是S1、S2和S3，则任一移动终端位置信息概率分布是：

利用全概率公式，平均某一移动终端在基站服务模式下，可用带宽为：

4　系统参数及仿真结果

在星地一体化卫星移动通信系统中，禁区的大小是一个重要的参数，其半径的大小直接影响地面移动蜂窝子系统可用的频率资源，进而影响该子系统容量。不同的卫星覆盖方案和卫星天线辐射方向图，也会得到地面系统不同的可用频率带宽。如果“禁区波束”越小，星地一体化系统内同频干扰越大；反之，地面系统可用频率资源越少［7］。

卫星位于静止轨道，反射面多波束天线半波束宽度为1°，染色因子为3、4、7和9，口径最大增益为45 dB，方向图函数中贝塞尔函数阶数为一阶，载波中心频率为2 GHz，系统总带宽为15 M。地面系统平均可用频率资源随着不同的禁区大小而发生变化，由下图3可以知道，禁区越大，地面系统可用频率资源越小；染色因子越大，地面系统可用频率资源越大。

5　结论

图3　不同禁区与频率复用时地面网络可用带宽分析

星地一体化卫星移动通信系统提供终端用户卫星/基站双模无缝切换，解决了紧急突发事件造成的信号中断和偏远地区信号微弱甚至无信号的问题。卫星系统和地面系统共用一定频率资源，缓解了频率资源紧张的情况，也简化了射频部件结构；而频率复用提高了系统容量，但也带来了同频干扰。本文分析了移动终端用户在基站服务模式下，在一定的地面系统对卫星系统同频干扰的条件下，分析了不同禁区大小，不同多波束卫星频率复用因子时，地面系统的可用带宽。

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Analysls of terrestrlal network's avallable sPectrum ln lntegrated satelllte and terrestrlal moblle systems

CHENG Ke-wej，WANG Wu-tu
（CAST-Xi'an Institute of Space Radio Technology，Xi'an 710000，China）

Abstract:The term“jntegrated system”refers to a system composed of a mu1tjbeam sate11jte based network and a ancj11ary terrestrja1 network that reuses the same frequency band than sate11jte's ones.The terrestrja1 component ajms at jmprovjng the sate11jte coverage jn hjgh1y popu1ated areas where sate11jte communjcatjons often suffer form a hjgh b1ockjng factor caused by the buj1djngs.The avaj1ab1e terrestrja1 spectrum changes accordjng to djfferent exc1usjon zone and the sate11jte frequency reuse pattern，jn order to ana1yze more accurate1y avaj1ab1e spectrum of terrestrja1 network under the condjtjon of unjform djstrjbutjon of popu1atjon densjty，exc1usjon zone js defjned and a new ca1cu1atjng method js obtajned by tota1 probabj1jty theorem.The jnf1uence of severa1 parameters such as the sate11jte frequency reuse pattern and the exc1usjon zone sjze between terrestrja1 and sate11jte ce11s js ptesented by the method.

Key words:jntegrated sate11jte and terrestrja1 systems；exc1usjon zone；terrestrja1 network；avaj1ab1e spectrum

中图分类号：TN927+.2

文献标识码：A

文章编号：1674-6236（2016）07-0090-03

收稿日期：2015-05-24稿件编号：201505212

作者简介：成克伟（1987—），男，甘肃兰州人，硕士研究生。研究方向：航天器天线技术。