Ka 频段宽带互联网星座系统间上行同频干扰分析研究

李 伟，张 磊，严 康

（国家无线电监测中心，北京 100876）

0 引言

近年来，随着小卫星制造和发射技术的迅猛发展，以Starlink 和OneWeb 等为代表的宽带互联网星座系统迎来了新一波高速发展浪潮[1]。目前，Starlink 已发射1205颗卫星，卫星数量已超过过去几十年人类发射卫星数量的总和。凭借空间立体广域覆盖、高通量大带宽，宽带互联网星座被认为是下一代无线网络体系架构中十分有前景的解决方案，将与6G 通信、海洋通信、无人机通信等形成空天地一体化网络[2]-[4]。

目前，从世界各国向国际电联（ITU）申报的卫星网络资料来看，这些宽带互联网星座系统拟使用的频率资源都是Ku/Ka 频段，当然，这也是对地静止轨道（GSO）卫星通信系统的传统频段资源。根据ITU《无线电规则》第22.2款，GSO 卫星固定业务系统和卫星广播系统在Ku/Ka 频段使用上具有优先地位，非对地静止轨道（NGSO）卫星通信系统不得对这些GSO 系统造成不可接受的干扰，且不得寻求GSO 系统的保护。因此，宽带互联网星座都会设计干扰规避机制来减小对GSO 系统造成的有害干扰，如OneWeb 渐近俯仰技术等。

考虑到庞大复杂的星座构型、全球无缝覆盖的服务和高动态下的链路时变特性等宽带互联网星座特点[5]，宽带互联网星座系统之间将极有可能产生有害干扰。目前，对于新兴宽带互联网星座间的干扰共存研究，ITU暂时还没有可以参考的研究成果，学术研究也处于起步探索阶段，尤其是干扰分析方法尚不明确、干扰判定准则还未统一。各国学者正在从网络架构、关键技术和系统性能等方面开展宽带互联网星座系统的研究。文献[6]提出了一种大型低轨星座与地面5G 网络的融合架构，并研究了通过物理层解决融合过程中多普勒频偏和大时延等问题；文献[7]在阐述三个低轨互联网星座特性的基础上，通过估算地面段的数量对比了不同星座的吞吐量性能；文献[8]基于传统卫星通信对低轨互联网星座空间段和地面段进行了系统性描述，提出了一套搭建低轨互联网星座仿真平台的方法；文献[9]给出了一种低轨卫星的波束关闭算法，在覆盖保持不变的情况下减少波束开销和避免系统内干扰。

1 宽带互联网星座系统用频特点

全球有建设计划的典型宽带互联网星座系统基本信息如表1所示，宽带互联网星座系统计划使用的频段非常集中，主要为Ku、Ka、Q/V 等好用可用的黄金频段，特别地，Ka 频段（17.7-21.2 GHz/27.5-31 GHz）能够提供连续大带宽，Ka 频段器件配套的产业链也较为成熟，OneWeb、Starlink、Lightspeed、Kuiper 等典型的宽带互联网星座系统争相使用Ka 频段资源，系统间均存在严重的用频重叠，用频矛盾十分突出。此外，由于宽带互联网星座系统具有很强的频率独享性，系统间产生潜在严重干扰的可能性较大，相互间实现频率共用十分困难。

表1 典型宽带互联网星座系统参数特性

图1给出了大于10颗的Ka 频段NGSO 卫星网络资料的全球申报情况（截至2020年底），同时也给出了这些资料申报的卫星总数的历年趋势。统计发现，每份卫星网络资料包含的卫星数量从10颗到15760颗不等，最早申报的Ka 频段NGSO 卫星网络资料是2002年美国的HIBLEO-2FL（66 颗卫星）。对比各年申报情况，Ka 频段卫星网络资料申报数量从2016年逐渐增加，2018年达到一个高潮。单从年度申报来看，2020年全球申报的Ka 频段NGSO 卫星网络资料最多，多达60份，卫星数量总计85 936颗。由此可见，Ka 频段NGSO 卫星网络资料的申报数量在近几年内增速尤为迅猛，而且单份卫星网络资料申报的卫星数量也十分庞大，由数十颗逐渐增长至成百上千颗，甚至上万颗。因此从卫星网络资料层面来看，如果申报的系统都实际部署的话，同频共用的宽带互联网星座系统更多，系统之间发生干扰风险的可能性更大。

图1 Ka频段NGSO卫星网络资料（卫星数量≥10颗）数量和资料包含卫星总数的历年变化趋势

2 真场景和干扰建模

2.1 干扰场景数学模型

宽带互联网星座系统间上行链路干扰场景如图2所示，A 系统和B 系统的上行链路频率重叠使用，则A 系统卫星和B 系统卫星都会收到来自另外一个系统地球站的干扰信号。干扰信号的强度表示为：

图2 宽带互联网星座系统间上行链路干扰场景示意图

2.2 天线及链路损耗建模

为了便于分析，地球站与NGSO 卫星之间的链路损耗采用自由空间模型，参考建议书ITU-R P.525[10]，具体表示为：

式中，d 为地球站与NGSO 卫星接收端的距离，单位为km；f 为工作频率，单位为GHz。

在分析宽带互联网星座系统间的上行链路干扰时，NGSO 卫星的天线模型参考建议书ITU-RS.1528[11]，具体的辐射天线方向图为：

式中，ψ 为天线主轴偏离角，ψb为最大偏轴角的3 dB 角，单位均为度；Gm 为天线主瓣最大增益，Ls=-12为主波束和近旁瓣掩模低于峰值增益的交叉点，单位均为dBi；LF 为远旁瓣的值，单位为dBi；Y=2ψb，单位为度；Z=Y×100.04（Gm+Ls-LF）。

宽带卫星互联网星座系统的地球站的天线模型参考ITU AP8[12]。具体的辐射天线方向图为：

式中，φ 为天线主轴偏离角，单位为度；Gmax为天线主瓣最大增益，为第一旁瓣增益，单位为dBi；D 为天线直径，λ 为波长，单位均为米；单位均为度。

2.3 干扰评估准则

通过分析在仿真时长内发生干扰的强度和频度来衡量卫星通信系统之间的干扰，评估干扰强度所采用的干扰指标为I/N。参考建议书ITU-RS.1324-3，对应的干扰阈值为-12.2 dB[13]。计算公式为：

式中，I表示被干扰卫星系统接收到的干扰信号强度，单位为dBW；k 为玻尔兹曼常量；TS 表示被干扰卫星系统接收端系统噪声，单位为K；BN 表示干扰卫星系统接收端噪声等效带宽，单位为Hz。

3 仿真建模及结果分析

以OneWeb 和O3b 系统作为研究对象，仿真评估这两系统的上行链路干扰情况。两个系统在27.6-28.4 GHz/28.6-29.0875 GHz/29.5-30/29.5-30 GHz 频段完全重叠使用。

3.1 仿真流程

在Visualyse 仿真软件中生成O3b 和OneWeb 系统的卫星，仿真中两个系统的卫星跟踪策略，均选择接入仰角最大的卫星建立通信链路。仿真时长为3天，仿真步长为10秒，仿真流程如图3所示。

图3 仿真流程示意图

仿真设计两种场景，一对一干扰仿真场景和一对多干扰仿真场景。一对一干扰场景为：OneWeb 和O3b 系统各配置1颗卫星，各配置1个地球站，选取两星座系统中距离该地球站最近的卫星作为该卫星的初始状态。一对多干扰仿真场景为：OneWeb 星座系统配置720 颗卫星，O3b 星座系统配置42颗卫星，也是各配置1个地球站。这两种场景的地球站共站址配置，初始化位置均为（120°E，0°N）。当地球站共站址情形下系统之间存在有害干扰时，仿真中将增大两系统地球站的间距。

3.2 仿真参数

O3b 星座系统由42颗中轨卫星组成，赤道平面32颗卫星，另外10颗卫星分布在70°倾角的两个轨道面上。OneWeb 星座系统由720颗低轨卫星组成，有18个轨道面，每个轨道面40颗卫星，轨道高度为1 200 km，倾角87.9°。在ITU 卫星网络资料数据库中，O3b 和OneWeb卫星网络资料ID 分别为111520052和113520120，选取O3b 上行波束R1R 和OneWeb 上行波束GRA 的参数信息作为上行链路仿真参数配置[14]，[15]。如表2所示。

表2 上行链路仿真参数

3.3 仿真结果

3.3.1 一对一干扰仿真场景

当两系统地球站重合，图4 给出了地球站重合时OneWeb 和O3b 系统的建链时间分布情况。在3天的仿真时长内，OneWeb 卫星和地球站共建链15次，平均建链时长0.25小时。O3b 卫星和地球站共建链13次，平均建链时长1.96小时。

图4 OneWeb与O3b系统建链时间分布图

图5、图6 分别给出了O3b 卫星和OneWeb 卫星所受的干扰强度与时间分布。O3b 卫星和OneWeb 卫星都受到了8次不同强度的干扰，且都是第6次干扰与第7次干扰的间隔较短，其余7次干扰的发生在仿真时长内分布较为均匀，时间间隔稳定在12小时16分钟。从干扰强度上看，O3b 卫星和OneWeb 卫星都是仅第1次干扰的I/N 峰值超过了阈值，属于有害干扰。

图5 O3b卫星所受的干扰强度与时间分布

图6 OneWeb卫星所受的干扰强度与时间分布

3.3.2 一对多干扰场景

（1）OneWeb 对O3b 的上行链路干扰。OneWeb 和O3b 的地球站相距不同的经度差时，即OneWeb 地球站逐渐远离O3b 地球站，O3b 上行链路I/N 最大值、最小值以及I/N 大于-12.2 dB 的概率如表3所示。可见在3天的仿真时长内，当地球站经度差较小时，两系统上行链路干扰持续时间较长，在某些时刻的干扰强度较大，远远超出I/N 限值。随着地球站经度差的增大，干扰的强度和频次显著减小。不同经度差下O3b 卫星的I/N 值的互补累积分布函数（CCDF）如图7所示。

表3 O3b上行链路I/N最大值、最小值以及I/N大于-12.2 dB的概率

图7 O3b上行链路I/N的CCDF曲线

（2）O3b 对OneWeb 的上行链路干扰。OneWeb 和O3b 地球站相距不同的经度差时，即O3b 地球站逐渐远离OneWeb 地球站，OneWeb 上行链路I/N 最大值、最小值以及I/N 大于-12.2 dB 的概率如表4所示。可见在3天的仿真时长内，当地球站经度差较小时，两系统上行链路干扰持续时间较长，在某些时刻的干扰强度较大，远远超出I/N 限值。随着地球站经度差的增大，干扰的强度和频次显著减小，当经度差为8°时，OneWeb 上行链路将不再受到干扰。不同经度差下OneWeb 卫星的I/N 值的CCDF 如图8所示。

表4 OneWeb上行链路I/N最大值、最小值以及I/N大于-12.2dB的概率

图8 OneWeb上行链路I/N的CCDF曲线

4 结束语

在充分调研OneWeb 系统和O3b 系统及其参数特性的基础上，从干扰强度和干扰频次两个维度，仿真分析了两系统之间相互干扰情况以及地球站间距对干扰结果的影响。结果表明，当地球站共站址部署时，两种干扰仿真场景下OneWeb 系统和O3b 系统上行链路的干噪比均超过了-12.2 dB。随着地球站经度差的增大，OneWeb系统和O3b 系统受到干扰的强度和频次显著减小。下一步将重点研究多对多的仿真场景下宽带互联网星座系统之间干扰特点。