卫星移动通信系统抗干扰研究

朱礼勇

摘要：目前低轨卫星互联网正在蓬勃发展，可以预见，未来一定时期内，全球无缝覆盖、高低轨融合将成为卫星移动通信发展的新趋势。文章在分析和论述卫星移动通信系统主用的L，S频段规划和使用现状的基础上，针对卫星移动通信系统面临的电磁干扰，开展系统抗干扰技术研究，重点研究分析了扩频通信、星上处理、频谱感知与干扰规避、自适应调零天线、捷变波束通信等抗干扰技术，提出了星地一体化的体系抗干扰方案，可有效提高系统整体抗干扰能力。

关键词：抗干扰；卫星移动通信；卫星互联网

中图分类号：TN927+.2  文献标志码：A

0 引言

经过几十年的发展，卫星通信日臻成熟，因其覆盖和不受地理条件的限制等优势，应用日益广泛。但卫星通信全球覆盖、高低轨融合的发展趋势以及许多卫星通信系统的密集建设部署，加之所需频谱资源的限制，卫星通信面临的干扰问题日趋严重，因此在卫星通信系统的研制建设过程中，抗干扰成为必须解决的关键问题之一。

就卫星移动通信而言，主要面向大规模的手持式和便携式终端用户，提供较低速率的话音、数据业务等服务，主要使用L，S等频段无线资源。本文将首先介绍L，S频段的规划使用情况，再开展卫星移动通信系统抗干扰研究设计。

1 频率规划使用现状

目前全球主流的卫星移动通信系统主要使用L，S频段，各国和各组织在规划使用以上频段时主要依据国际电联的相关频段使用规划以及各自内部的规划管理。

1.1 L频段规划使用现状

1.1.1 L频段国际电联规划

IEEE 将1～2 GHz频段称为L频段。该频段主要用于卫星定位、卫星通信以及地面移动通信。根据ITU的划分，卫星移动业务可使用下列频段。

（1）带宽为34 MHz的 1 626.5～1 660.5/1 525～1 559 MHz上下行频段（其中，1 525～1 559 MHz上行频段占据优先地位，下行频段为卫星移动业务专用）。

（2）带宽为7 MHz的1 668～1 675/1 518～1 525 MHz上下行频段（优先地位低于地面固定和移动业务）。

（3）带宽为16.5 MHz的1 610～1 626.5 MHz上行频段（占优先地位，其对应的下行频段为S频段2 483.5～2 500 MHz）。

1.1.2 L频段使用情况

国际海事卫星组织（International Maritime Satellite Organization，INMARSAT）卫星通信系统等使用1 525.0～1 646.5 MHz频段，舒拉亚（Thuraya）系统使用1 626.5～1 660.5 MHz（上行）/1 525～1 559 MHz（下行）频段，铱星系统使用1 616.0～1 626.5 MHz 频段。

我国无线电管理“十二五”期间加强了对卫星频率和轨道资源的规划。综合考虑公众卫星通信业务提供者、广播电视业务提供者、各专业部门（气象、海洋、资源、减灾、测绘等）、科研单位以及军队对卫星频率和轨道的需求，进一步提高资源的有效利用。协调L频段气象辅助业务用频，研究在L频段的国内划分中增加卫星移动业务。协调小组经过长期、细致、耐心的多方协调工作，综合考虑我国国情，并与气象部门达成一致，最终完成了相关内容的修订工作。我国在1 518～1 525 MHz频段的划分中，引入作为次要业务的卫星移动（空对地）业务；我国在1 668～1 675 MHz频段的划分中，引入作为次要业务的卫星移动（地对空）业务。

1.2 S频段规划使用现状

1.2.1 S频段国际电联规划

国际电联在世界无线电大会（World Radio Congress，WRC）WRC-07和WRC-12审议国际移动通信系统（International Mobile Telecommunications，IMT）IMT-2000（3G）和IMT-Advance（4G）的发展问题时，确定了IMT系统工作频段以及IMT系统中卫星移动通信的工作频段，形成相关决议和《无线电规则》脚注如下：确定1 885～2 025 MHz和2 110～2 200 MHz頻段旨在全球范围内由IMT使用；同时，上述频段内的1 980～2 010 MHz/2 170～2 200 MHz频段被确认用于卫星移动业务，同时IMT卫星移动通信主管部门可以考虑使用现有L和S频段卫星移动业务的划分，包括1 518～1 544 MHz，1 545～1 559 MHz，1 610～1 626.5 MHz，1 626.5～1 645.5 MHz，1 646.5～1 660.5 MHz，1 668～1 675 MHz，2 483.5～2 500 MHz。

1.2.2 S频段使用情况

（1）中国S频段频率规划情况。

依据国际电联有关第三代公众移动通信系统（IMT-2000）频率划分和技术标准，按照我国无线电频率划分规定，结合我国无线电频谱使用的实际情况，我国第三代公众移动通信系统频率规划如下。

主要工作频段。频分双工方式：1 920～1 980 MHz/2 110～2 170 MHz；时分双工方式：1 880～1 920 MHz，2 010～2 025 MHz。

补充工作频率。频分双工方式：1 755～1 785 MHz/1 850～1 880 MHz；时分双工方式：2 300～2 400 MHz，与无线电定位业务共用，均为主要业务，共用标准另行制定。

卫星移动通信系统工作频段，如图1所示：1 980～2 010 MHz/2 170～2 200 MHz。

（2）其他国家S频段频率规划情况

以美国、加拿大、日本和韩国等国为首，支持地面蜂窝系统无限制条件使用S频段。例如，2013年12月发布的韩国“移动宽带规划2.0版”，明确于2018年将2.1 GHz上下行（2×30 MHz）用于地面IMT业务。根据规划，韩国明确：1 980～2 010 MHz用于地面IMT手机上行，2 170～2 200 MHz用于地面IMT基站下行。

2 抗干扰技术分析

综上所述，目前卫星移动通信系统通常使用的L，S等频段资源十分有限，而且还面临着地面通信系统和其他卫星系统的干扰，因此，为高效使用有限的频谱资源、提高系统容量，在卫星移动通信系统设计之初必须重点考虑系统的抗干扰问题。

卫星移动通信中可以采用的抗干扰技术措施包括扩频通信、基带处理转发、干扰抑制抵消、波束变换、频谱感知与干扰规避等。

2.1 扩频通信

扩频通信无疑是卫星移动通信中最常用的抗干扰技术，通过扩展信号带宽，无线信号功率被分布在很宽的频带上，功率谱幅值很低，常规频谱侦察很难检测，因此可以降低截获概率，保密性好；由于信号带宽被展宽，信噪比很低，有用信号功率远低于干扰信号功率时仍可实现高质量通信，干扰难度大；另外，扩频信号在接收端解扩时，可以将多个路径的信号分离出来并按一定规则合并以抵消多径引发的衰落，具有良好的抗多径干扰性能。扩频通信系统主要可分为直接序列扩频（DSSS）［1］、跳频扩频（FHSS）和跳时扩频（THSS）等。

2.2 星上处理技术

从抗干扰的角度来看，星上处理技术使上下行链路解耦，清除信号在上行链路中所受噪声和干扰的影响，同时还可使卫星下行链路的功率放大器保持在正常工作状态。美国第三代国防卫星系统（DSCS-Ⅲ）、“铱”卫星、先进通信技术卫星（ACTS）以及移动用户目标系统（MUOS）都采用了星上处理技术。星上处理技术主要包括［2］：星上解扩/扩频、解调/调制、编码/解码、信号多波束变换、上下行复用方式变换、自动增益控制等。这些措施都是在星上完成的，处理的直接结果是抵消了信号上行传输过程中因干扰而产生的误码。星上处理已经成为移动通信卫星抗截获、抗干扰的重要技术，随着微电子技术和数字信号处理技术的不断发展，卫星将可以承担更多的信号处理任务，基带处理将成为未来卫星抗干扰措施的重要实现环节。

2.3 频谱感知与干扰规避

频谱感知与干扰规避技术措施采用星地一体化干扰检测的方法［3］，即包含终端本地干扰检测、星上频谱感知、地面关口站频谱感知3个方面，系统综合处理分析终端、卫星和地面关口站频谱感知情况，给出感知结果，提供给系统资源管理调度模块。在终端设备研制中采用干扰检测技术，可有效分析本地的环境特性和干扰状况。星上可以实时对每个波束的上行频率信号进行采集、处理、下发，系统根据星上采集信号和终端、关口站检测的频率干扰情况，对上、下行干扰进行全面的处理分析，监测整个系统的电磁环境；同时对各信道质量进行评估、分类，为信道资源分配提供支撑，以达到规避、抑制干扰的目的。

2.4 自适应调零天线技术

自适应调零天线技术也称为空间滤波技术，它利用了扩频系统中扩频信号电平处于噪声电平以下的特点，抑制对象为强干扰源信号。自适应调零天线系统由天线阵元和算法处理器组成，系统利用多元天线的组合，控制接收端功率保持在较低的水平，最终达到限制强干扰源的目的，该技术对宽频带噪声和窄带噪声都能起到有效的抗干扰作用。干扰产生时，利用多波束天线和干扰源定位设备确定干扰源的大致方向，然后采取关闭或者区域快速选取算法形成自适应波束，使干扰源在接收方向上趋于零值。

2.5 捷变波束通信技术

捷变波束通信技术是一种变换波束技术，采用捷变波束通信除可有效利用波束方向性增益以外，还能降低信号被截获的概率、躲避干扰等。捷变波束通信技术利用相控阵天线实现波束的快速跳变，能够灵活敏捷地形成所需波束，且具有高增益、低旁瓣电平的波束特点。

2.6 干扰抵消

干扰抵消是通过估计干扰信号的方法，从接收信号中减去估计出的干扰信号，从而实现削弱干扰目的的抗干扰方案。该抗干扰技术对于强干扰信号具有较好的削弱效果，一般置于解扩处理之前。总体来说，干扰抵消方法可以分为3类：零记忆非线性处理方法、变换域处理技术和自适应滤波干扰抑制技术。

3 卫星移动通信系统抗干扰设计

衛星移动通信系统由于其星地链路的开放性，一些复杂电磁干扰可能严重影响通信质量。为增强系统的抗干扰能力，抗干扰措施不仅仅限于采用单一的抗干扰技术，而是多种抗干扰、抑制干扰技术的组合，针对不同形式的干扰具备不同的干扰抑制消除措施。总之，卫星移动通信系统需要综合运用多种抗干扰技术手段，采用星地一体化抗干扰技术措施，在拥挤竞争的电磁环境下，为用户提供高效可靠的卫星移动通信服务。本文面向系统的空间段、地面段和用户段开展星地一体抗干扰设计。

3.1 星上抗干扰设计

为增强卫星的抗干扰能力，可采用数字波束成形、信道化、星上再生处理等多种抗干扰技术，并可通过提高卫星接收机带外抑制能力、提高卫星平台波束隔离度和星载天线的旁瓣特性，提升系统空间段的抗干扰能力。

3.1.1 数字波束形成技术

数字波束形成（Digital Beam Forming，DBF）的主要处理过程要求全部信号与某个复数加权因子分别相乘，然后把这些加权量加在一起，改变加权因子可以形成各种不同的波束。DBF包括阵列天线、射频前端、数字接收机、波束运算器和波束控制器，如图2 所示。射频前端完成下变频、滤波、放大和限幅，使信号满足ADC转换器的要求；数字接收机包括ADC转换器和数字下变频抽取等，实现模拟到数字转换和频率变换；数字波束形成器进行快速的并行数学运算，实现接收阵元信号和权矢量的内积，产生波束；波束控制器主要根据各种约束条件产生最佳的矢量控制信号。DBF通过数字波束合成可大幅提高输出信号的SNR，可对杂波信号进行抑制，通过一定的算法设置可对干扰方向置零，可抑制干扰源对有用信号的干扰。

3.1.2 星上再生处理技术

星上再生处理，即对上行用户链路进行信道选路、上行解调等处理后，进行基带处理、下行调制等处理，再进行下行信道合路和射频发送处理，如图3所示。该处理方式相较星上透明转发，可以使得上行链路干扰与下行链路干扰解耦，系统空间段和用户段分别处理上行或下行链路干扰，可以避免上行链路干扰转移到下行链路，减少下行链路干扰，降低用户终端处理下行链路干扰的难度和复杂度，提升系统抗干扰能力。

3.2 地面抗干扰设计

对于地面抗干扰設计而言，主要涉及关口站和用户终端的抗干扰设计，包括以下几个方面。

3.2.1 通信体制设计

为适应拥挤竞争电磁环境，有效提高卫星移动通信系统地面的抗干扰能力，结合卫星移动通信系统主要使用的L，S频段频谱干扰情况，设计使用具有较强抗干扰能力的传输体制，例如可采用扩频通信体制。或者根据干扰的具体情况并根据卫星转发方式，统筹选择技术体制。总之，针对干扰问题，在技术体制的选择上，要么采用“抗”的方式，要么采用“躲”的方式，并据此开展相应的技术体制设计。

3.2.2 终端本地干扰检测设计

终端侧通过宽带多信号干扰检测技术，利用频谱空洞检测算法挖掘频谱空洞，并以信号检测与干扰检测技术手段完成频段内的干扰检测，将检测结果上报至关口站或卫星（采用处理转发方式时），关口站或卫星根据终端本地干扰检测情况实时调度先到资源，提升通信质量。

3.2.3 邻波束通信

如果在波束的交叠区，某一波束相关频段存在较强干扰，终端可重选到相邻的使用不同频段的未受干扰或干扰较小的波束并驻留，以便在新波束进行通信业务。若在业务过程中，信道突然受到干扰，可通过触发波束切换转换到不受干扰或干扰较小的邻波束进行通信。

3.2.4 功率控制

业务过程中，如果信道突然恶化，关口站可通过功率控制提高终端的发射功率，以达到解调信号所需的载噪比，但是这种方式受限于终端的最大功率能力。

3.3 频谱感知及干扰规避设计

针对L，S频段干扰情况，在终端研制中采用干扰检测技术，可有效分析本地的环境特性和干扰状况。星上可以实时对每个波束的上行信号进行采集、处理、下发，系统根据星上频谱感知和终端本地检测的频率干扰情况，对上、下行干扰进行全面的处理分析，监测整个系统的电磁环境；同时对各信道质量进行评估、分类，为信道资源分配提供支撑，以达到规避、抑制干扰的目的。频谱感知及干扰规避网络架构如图4所示。

充分利用卫星和地面用户终端的频谱感知能力，在卫星接收端研究卫星实时宽带频谱感知技术，确定上行可用的工作频率范围，确定工作频率范围内各个信道内有无干扰、干扰强度以及信道的可用等级等，对系统可使用的频谱资源进行认知，找到空闲的频谱资源形成预留资源池，以波束复用调度准则与业务优先级调度准则为约束，根据用户实际需求，对频谱资源进行合理的调配，提高频谱资源的使用效率。并且，利用人工智能技术，实现干扰的认知和躲避，实现智能化频谱资源动态管理，提高系统的抗干扰能力。

4 结语

卫星移动通信面向大规模用户，提供中低速率的广域移动通信服务，主要使用L，S频段资源，随着目前众多国家和企业组织等发展建设卫星通信系统的热潮，本就有限的频率资源面临着更多的制约，而仅采用单一的或孤立的几种抗干扰手段，已很难适应日趋复杂的电磁环境，必须开展星地一体化的体系抗干扰设计，综合运用多种抗干扰技术手段，为用户提供可靠的卫星移动通信服务。

参考文献

［1］韩雪谦.卫星通信系统多域协同抗干扰技术［J］.现代雷达，2016（5）：78-81.

［2］柴焱杰，孙继银，李琳琳，等.卫星通信抗干扰技术综述［J］.现代防御技术，2011（3）：113-117.

［3］成克伟，王五兔.星地一体化通信系统ATN终端卫星上行同频干扰［J］.电子设计工程，2016（10）：142-144.

（编辑 沈 强）

Research on anti-interference of satellite mobile communication system

Zhu  Liyong

（Nanjing Panda-handa Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210014， China）

Abstract： At present， the low-orbit satellite Internet is booming， and it is foreseeable that in a certain period of time in the future， seamless global coverage and high-low orbit integration will become a new trend in the development of satellite mobile communications. Based on the analysis and discussion of the main L and S frequency bands used by the satellite mobile communication system and the current situation of use， this paper conducts research on the system anti-interference technology for the electromagnetic interference faced by the satellite mobile communication system， focuses on the research and analysis of anti-interference technologies such as spread spectrum communication， on-board processing， spectrum sensing and interference avoidance， adaptive zero antenna， agile beam communication， etc.， and proposes a satellite-ground integrated anti-interference technology. The interference scheme can effectively improve the overall anti-interference ability of the system.

Key words： anti-interference; satellite mobile communication; satellite internet