GMR-1卫星移动通信系统同频干扰问题分析及规避研究

丁亚南，庞文镇

(南京熊猫汉达科技有限公司，江苏 南京 210000)

0 引言

为了增加卫星移动通信系统容量，GSO卫星多采用多波束天线技术，它可以同时形成多个独立的点波束，通过波束空间隔离实现多次频率复用，从而大大增加系统使用带宽，基于GMR-1标准的卫星移动通信系统[1]采用了多波束天线技术。虽然多波束技术可以提高系统容量，但同时也带来了同频干扰问题，即相隔一定物理距离的波束内频率相同的载波相互干扰，给用户造成了很大的困扰[2]，多波束卫星移动通信系统的同频干扰研究，导致多个并行工作的终端用户无法同时接入信关站系统中，降低了系统的呼通率。

本文结合GMR-1卫星移动通信系统的特点，提出适用于该系统的同频干扰评估及干扰规避策略，系统实践显示，本文采用的干扰规避策略可极大地提高GMR-1卫星移动通信系统容量。

1 相关概念介绍

GMR-1系统[3]由卫星、地球移动站MES(Mobile Earth Station)、信关站GS(Gateway Station)和卫星操作中心SOC(Satellite Operation Center)等元素组成，在移动用户与固定用户之间，GMR-1系统提供GSM基础业务如语音、数据传输、传真、点对点短消息业务，以及小区广播短消息业务和增值业务。通过公共和私人交换电信网络如公共电话交换网(PSTN)，公共陆地移动网(PLMN)，GMR-1系统可以实现世界范围内的互联。图1所示给出了GMR-1系统的元素组成图。

图1 基于GMR-1标准的卫星通信系统网络结构

为了提高卫星通信的容量和频谱利用效率，GSO移动通信卫星采用多波束天线技术，通过使用了若干个高增益的窄波束共同覆盖较大的区域，每个波束的功率最大点即是波束中心点，这些窄波束能够以高增益来覆盖较大的地面区域，同时又能根据需要调整波束形状。但多波束天线技术的应用带来了相应的同频干扰问题，特别是当终端以最大功率随机接入信关站时，导致同频波束对应频率的干扰信号，若不加以控制规避，将导致大量用户接入失败。

1.1 GMR-1系统基本信道及要求

GMR-1系统中[4]定义了公共控制信道、专用控制信道、双向业务信道等，其中，公共控制信道主要用于终端初始同步接入，专用控制信道终端与信关站控制信令传输，业务信道主要用于用于承载编码的语音或用户数据，这些信道的基本信息[5]及Es/N0的要求如表1所示。

表1 信道类型及误帧率FER要求

1.2 GMR-1系统基本流程

GMR-1卫星移动通信系统的主要通信流程包括初始信道分配、入网、语音业务等，由于GMR-1卫星移动通信体制是基于GSM通信协议针对GSO卫星进行了适应性改造，其基本流程与GSM类似。

1.2.1 初始信道分配

初始信道分配过程发生在终端MES与GSC之间的随机接入过程，MES利用公共的随机接入信道获得后续信令交互的专用控制信道，具体流程如图2所示。

图2 初始信道分配流程

(1)卫星终端首先通过RACH信道发起与GSC的随机接入过程，获取资源并进行上行同步；

(2)卫星终端获得控制信道资源TCH后，则通过TCH向GSC发出L2层的SABM帧同步；

(3)GSC收到SABM同步帧后，向用户发出UA同步确认帧，启动后续的信令过程。

1.2.2 入网流程

入网流程即位置更新过程是由终端与GSC、MSC之间逻辑配合完成。MSC处理移动用户的位置登记进程，与移动用户对话并与位置寄存器交互信息。位置更新包括正常位置更新，周期性位置更新。具体流程如图3所示。

图3 入网流程

1.2.3 呼叫流程

呼叫流程是用户MES实现与其他卫星用户、PSTN用户等的语音业务建链过程，具体流程与GSM呼叫流程一致。

2 干扰建模与分析

2.1 干扰建模

同频干扰是指干扰信号的载频与有用信号的载频相同，并对接收同频有用信号的接收机造成的干扰，是卫星系统中干扰的主要来源。从空间角度分析，干扰主要分为同星干扰、邻星干扰。其中同星干扰影响较大。由于天线波束具有一定的宽度，地面发送天线会在同频波束上产生干扰辐射(上行同频干扰)，地面接收天线也会在同频波束上接收到干扰信号(下行同频干扰)，本文重点论证上行同频干扰，终端与卫星之间的干扰如图4所示。

图4 终端与卫星之间的干扰示意

系统内的干扰可定义为所需要的信号功率与干扰功率之比(C/I)，而控制干扰的一个重要因素就是地球站的天线辐射方向图。为了确定C/I与天线辐射方向图的关系，有必要定义系统所涉及的集合关系。终端A和终端B分别在距离较远的BeamA、BeamB两个同频波束中，上行同频干扰的线路是：终端A发送，终端B所在的卫星波束也能收到干扰信号，经卫星透明转发，信关站GS在两个同频波束内均收到终端A发送的信号，其中一个波束为干扰信号。

GS在波束BeamA接收到终端A的载波功率为[C]，则根据链路预算公式可得到：

[C]=[EIRP]A+[GGS]-[FSL]

其中[EIRP]是终端A的有效全向辐射功率，[GGS]是GS站接收天线的轴向增益。[FSL]是以分贝表示的自由空间损耗，包含了终端A到卫星、卫星到GS之间的传输路径损耗。GS在波束BeamA收到的干扰载波功率的计算与载波功率相似，但必须考虑增加一个波束隔离度[Y]DdB，终端B对终端A上行干扰信号为：

[I]=[EIRP]B-[FSL]-[Y]D

则信关站在波束BeamA处终端B对终端A的上行干扰为[C/I]=[EIRP]A-[EIRP]B+[GGS]+[Y]D。

2.2 干扰分析

为了进一步分析同频波束上的两个终端上行发射对系统接收影响，本节分析了信关站接收到终端信号的C/N，具体如下：

(1)终端用户链路上行[C/N]u=[EIRP]-[FSL]+G/T-[k]-[Bn];

(2)信关站馈电下行[C/N]d= [EIRP]-[FSL]+G/T-[k]-[Bn];

(3)信关站服务波束入口C/N=-10*log(1/([C/N]u)+1/([C/N]d)+ 1/(C/I));

(4)信关站同频波束入口C/N=信关站服务波束入口C/N-波束隔离度[Y]D。

根据以上几个公式，针对GMR-1 05.005协议[7]中提到的两类终端进行C/N分析如表2所示。

表2 终端类型及C/N分析

根据GMR-1 05.005中描述RACH信道要求的Es/N0理论值为2.12 db，实际性能要考虑实现损耗带来的恶化，因此，RACH在实际应用中C/N约为0 db左右。

当手持终端按7 dBW发射，当天气条件较好时，根据链路预算理论计算可得同频波束载噪比可达到3.04 db，最小为0.04 dB，满足RACH的信道解调门限要求，若不加以控制，终端将通过服务波束和同频波束同时接入到系统中，导致终端接入流程混乱而使得终端接入失败，严重影响终端接入成功率，如图5所示。

图5 同频干扰导致的流程错误

当手持终端发射功率为4 dBW，车载终端发射功率为11 dBW时，其手持信号在信关站侧的C/N=10 dB 左右，而车载站在同频波束的C/N可达到17.04 dB，若不针对便携站的初始发射功率加以限制，车载终端发射的接入信号将覆盖同频波束下手持终端发射的信号，严重影响手持设备接入。

由于卫星采用多波束频率复用技术，同频波束之间的隔离度无法达到理想状态，因此同频波束之间必然存在干扰，按照GMR-1标准，终端总是以最大功率发射随机接入及控制信道信号，若不对该信号进行处理，则将严重影响系统接入成功率。

3 干扰规避策略

3.1 随机接入掩码机制

为了有效规避随机接入信号对接入流程的影响，采用在随机接入消息编码过程中增加随机接入掩码，信关站通过识别随机接入消息中的接入码字来解决同频干扰带来的通信问题，该方案对收到的随机接入消息接入码字进行分析识别，有效信号并允许有效用户进入后续接入流程，无效接入消息直接在随机接入阶段丢弃。为此，其基本流程如图6所示。

图6 随机接入掩码规避流程

(1)系统根据波束复用及多颗星同频波束覆盖情况，将同频波束的随机接入掩码设置为不同的值，按照GMR-1 05.003要求[5]，同一颗卫星最多可支持256个同频波束，不同卫星同频波束的随机接入掩码可设置为同一值，可利用空间隔离及距离实现同频干扰规避；

(2)信关站根据随机接入掩码生成相应的广播信息，并通过广播信道向终端用户下发广播消息；

(3)终端收到广播信道消息后，解析相应的随机接入掩码，并在发起随机接入时，将随机接入掩码与随机接入消息编码消息生成的CRC进行异或，填入随机接入消息；

(4)信关站收到随机接入消息后，对随机接入消息进行译码并对随机接入消息进行CRC校验，校验后的CRC与该波束的随机接入掩码异或，若CRC正确则允许终端正常接入，否则，丢弃该终端的接入。

3.2 开环闭环相结合功率控制

为了有效规避便携/车载类终端对手持类终端的影响，限制终端在随机接入、专用控制信道上的最大发射功率，通过使用开环闭环相结合的功率控制策略，使得终端与终端之间的初始干扰(随机接入)影响限制到最小，当进入到专用控制信道开始使用闭环功率控制。

3.2.1 开环功率控制

终端测量当前下行信号功率情况，当下行信号较好时，终端以最低功率发射随机接入信号；当下行信号很差(终端可能处于波束边缘或者遮挡地区)，终端适当发射功率发送随机接入消息以保证信关站能够正确解析随机接入消息。具体流程如下：

(1)系统根据波束覆盖情况配置当前波束的开环参数包括开环调整门限T，开环调整增益UpGain和DnGain等；

(2)信关站根据开环调整参数生成相应的广播信息，并通过BCCH向终端用户下发广播消息；

(3)终端收到BCCH消息后，连续测量BCCH信号的链路质量，按照如下流程计算随机接入的发射增益

计算BCCH的链路质量Lsnr，并将所收到的BCCH链路质量平均得到Lsnr_avg；

计算开环功率余量：S=Lsnr_avg-Lsnr;

如果S≥T，则

发射增益= 初始发射增益-UpGain×S

如果S≤T，则

发射增益= 初始发射增益-DnGain×S

(4)若终端未收到当随机接入响应定时器超时后，重传计数器的值加1，MES随机回退后并在上次功率基础上向上调整1 dB，并再次发送。如果重传计数达到最大，取消随机接入过程，通知用户接入失败。

3.2.2 闭环功率控制

闭环功率控制是在随机接入过程后，在信关站对终端控制信道测量的基础上，对终端上行的功率进行反馈，由终端自身根据情况进行动态调整，控制信道仅调整终端发射功率，信关站下行始终以最大功率进行发射。

4 结语

本文针对基于GMR-1的多波束卫星移动通信系统同频干扰问题进行分析，利用随机接入掩码方式解决终端接入流程混乱问题，采用了开环闭环相结合的功率控制策略，降低终端随机接入及信令交互阶段的同频干扰。