NGSO互聯網星座用戶鏈路同頻干擾分析

劉子威/LIU Ziwei，李嘉穎/LI Jiaying，張更新/ZHANG Gengxin

（1.南京郵電大學，中國 南京 210003；2.中國人民解放軍軍事科學院，中國 北京 100141）

(1.Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China;2.PLA Academy of Military Sciences,Beijing 100141,China)

近年來，隨著衛星互聯網浪潮的興起，為了滿足全球全天時覆蓋和寬帶高速應用需求，非靜止軌道（NGSO）衛星星座成為發展的重點。目前，除中國外的其他國家主要依靠商業航天公司來建設NGSO寬帶衛星通信星座，例如美國Starlink星座[1]、Kuiper星座[2]，英國 OneWeb星座[3]，以及加拿大Telesat星座[4]。

天基信息系統發展的主要瓶頸之一是頻軌資源緊張。一方面，不斷增加的低軌通信星座系統，會對使用相同頻段的靜止軌道（GSO）衛星系統造成嚴重影響；另一方面，隨著Ku、Ka頻段頻率資源的逐漸枯竭，各申報星座難以避免使用重疊頻段，導致各NGSO衛星系統存在潛在同頻干擾。在國際電聯的申報框架中，存在同頻干擾的系統需要在申報階段進行頻軌協調，以保證有害干擾不超過可靠工作的閾值。協調時用到的方法是同頻干擾分析。

最初的干擾分析主要針對GSO衛星開展，并形成了一整套建議書與規范[5-7]。然而，在進行高軌衛星間的協調時，參與協調的衛星數少，星地空間關系近似恒定，干擾鏈路并不復雜。不同于GSO系統之間的干擾場景，低軌衛星與地球站的相對位置是變化的，從而導致衛星之間以及衛星與地面站之間的空間幾何關系具有時變性。當前申報的NGSO星座規模通常高達數萬顆，并且在某一指定地面區域的瞬時可見星座數量達到數十顆。無論是干擾鏈路的數量，還是干擾鏈路的時變性，均大大增加了干擾計算的復雜程度。文獻[8-9]最早對NGSO星座間的干擾計算方法進行了分析，但并沒有給出相關的仿真結果。李睿等雖然針對NGSO星座時變性的特點，對不同采樣點上的瞬時干擾進行了計算和仿真，但只考慮了NGSO星座與GSO衛星間的干擾[10-11]。對于NGSO系統間干擾，靳瑾等提出了一種衛星鏈路間夾角等效干擾指標的方式，并以OneWeb系統和O3b系統為例給出了全球范圍內系統間的可用概率[12]。此外，針對具體的干擾分析場景，基于鏈路計算的分析方法能夠得到準確的分析結果[13]。

隨著星上載荷與天線技術的發展，未來低軌衛星互聯網通信系統的一個重要發展方向是星載相控陣天線技術。該技術將使衛星節點在空域維度具備業務驅動、靈活可變的能力。用戶鏈路更要依賴相控陣多波束技術，以滿足廣域業務的服務需求。對此，本文主要對大規模NGSO星座系統之間的用戶鏈路同頻干擾問題開展研究，在完成場景分析的基礎上梳理面向多波束的干擾分析模型及計算方法，并在所搭建的仿真分析平臺中對大規模星座的用戶鏈路間同頻干擾進行仿真計算。

1 用戶鏈路干擾場景與干擾分析模型

同頻干擾的產生需要在空間和頻率上均產生重疊碰撞。其中，未來NGSO星座通常具有全球覆蓋的特性，因此空間域的碰撞是不可避免的。對于頻率維度而言，根據目前全球典型的NGSO星座的申報數據，在用戶鏈路干擾場景中，當NGSO系統衛星與地面通過上下行用戶鏈路進行通信時，處于干擾角度范圍內的不同NGSO星座的衛星就會產生干擾[14]。表1給出了用戶鏈路間潛在同頻干擾情況。

▼表1 典型非靜止軌道衛星星座使用頻率

（1）OneWeb與Starlink星座均采用Ku頻段作為用戶鏈路的頻段，與使用Ka頻段的O3b、Telesat等星座的用戶鏈路不會發生同頻干擾；

（2）OneWeb和Starlink的用戶上下行鏈路頻率產生重疊，兩者都采用傾斜軌道，因此會產生用戶鏈路碰撞；

（3）Telesat和Kuiper星座都采用不同傾斜角度的傾斜軌道，因此干擾遍布全球；

（4）O3b、Telesat和Kuiper星座的用戶鏈路都使用Ka波段，且各自系統內的通信過程都會對相鄰系統產生干擾。其中，O3b主要為赤道圓軌道星座，與其他星座的頻率重疊干擾發生在低緯度地區。

在空域和頻域都滿足潛在干擾的條件時，需要對系統間的同頻干擾進行分析。分析結果將作為頻軌協調與干擾規避的依據。

1.1 用戶鏈路干擾場景

在未來，為滿足廣覆蓋和高資源利用率的要求，衛星用戶鏈路多以相控陣下的多點波束方式進行工作。多色復用技術也會被采用以避免同一系統內相鄰波束間的干擾。同一衛星同頻工作的用戶鏈路波束數量多，而不同系統的衛星多色復用卻不同。干擾場景表現為復雜多波束間同頻波束的互相碰撞，如圖1所示。其中，多色復用策略體現在使用不同顏色的波束來代表不同的頻率。由于衛星用戶鏈路采用多波束多色復用的方式，同頻波束間會產生復雜的交叉干擾情況，因此干擾分析模型必須體現出多星、多波束的主要特點。

此外，對于寬帶互聯網星座而言，根據業務類型和形態的不同，地面終端用戶包括兩類：（1）大型固定天線、車載天線、船載天線等往往具有指向能力，可生成凝視波束；（2）小型天線、便攜式用戶天線往往不具備指向能力，可生成固定波束（多采用小口徑、弱方向性波束）。因此，在不同分析場景下，不同波束調度方式的衛星和不同類型的終端會形成不同的同頻干擾場景，需要做針對性分析。

1.2 干擾分析模型

在載干噪比、干噪比等評估指標中，載波功率、干擾功率、噪聲功率需要進行組合。這里我們分別給出多波束條件下載波功率和干擾功率的分析模型。

（1）載波分析模型

考慮衛星用戶鏈路多波束的特性，有用信號可以寫為：

其中，i為波束編號，j為地面段平臺編號，Cij表示多波束衛星第i個波束中第j個地面段平臺與衛星的有用信號功率，P0表示載波發射功率。θij(t)與φij(t)分別表示發射天線的離軸角度與接收天線的離軸角度，Gt[θij(t)]和Gr[φij(t)]則分別代表發射和接收天線在對應角度上的增益。λi表示第i個波束頻率對應的波長，dij(t)表示相應的地面終端與衛星間的距離。由于衛星具有運動特性，上述角度和斜距均隨時間變化。對于工作在凝視模式的用戶設備，可以認為其θij(t)與φij(t)均一直等于最大增益角，并且幾乎保持不變；而對于固定指向的衛星或弱指向性的地面終端，其θij(t)與φij(t)則是隨時間變化的。

（2）干擾分析模型

實際上，由于NGSO衛星星座數量較多，多個干擾衛星/地面站會對同一站點/衛星產生干擾。這種干擾稱為集總干擾。衛星系統的集總干擾功率則為通信仰角范圍內干擾衛星造成的干擾功率之和。

其中，N1表示施擾平臺造成干擾的波束數量，Ni(t)表示可視范圍內的衛星數量，Pij是帶內干擾功率。θ′ij(t)與φ′ij(t)分別表示干擾鏈路相對于通信鏈路發射天線與接收天線的離軸角度，Gt[θ′ij(t)]和Gr[φ′ij(t)]則分別代表對應的發射和接收天線在對應角度上的增益。基于上述模型計算，并結合軌道外推，我們可以對NGSO衛星的同頻干擾進行精確計算與分析。

2 仿真計算平臺

針對大規模NGSO星座的干擾分析仿真場景，我們搭建了商業軌道建模軟件+MATLAB科學計算的仿真架構，如圖2所示。其中，軌道建模軟件可以建立復雜的衛星場景，并支持衛星干擾場景全過程的步進推演。同時，MATLAB能夠通過編程便捷地獲得可供復雜邏輯和高級數學運算使用的軌道建模結果，并通過通信控制模塊實現場景的高效控制。

▲圖2 仿真平臺架構圖

同時，借助軌道建模軟件提供的顯示接口，我們使用C#語言來搭建圖形操作界面。該界面能夠實時顯示星座組成、二維/三維星座狀態，如圖3所示。其中，界面頂端的任務欄能夠進行整個系統的控制，包括場景構建、星座設計、干擾分析等。中間主要區域分為左側節點列表、中部三維顯示，以及右側二維顯示和圖表顯示。MATLAB運算集成于軟件的后臺，以支撐完整的干擾分析過程。

▲圖3 圖形操作界面截圖

3 大規模星座仿真計算

在搭建的仿真計算平臺中，我們以Starlink和OneWeb系統為分析對象，對本文所建立的分析模型和分析方法進行仿真計算。根據申報資料，我們構造了Starlink一期的4 425顆衛星星座和OneWeb系統的648顆衛星星座，如圖4所示。其中，OneWeb為受擾星座，Starlink為施擾星座。One?Web的648顆NGSO衛星和備份星分布在高度為1 200 km、傾角為87.9°的12個軌道面上，并且每個軌道面均部署49顆OneWeb衛星和5顆備用星。Starlink的軌道參數如表2所示。

▲圖4 星座布局圖

▼表2 Starlink低軌道參數

在互聯網系統中，下行用戶鏈路的傳輸速率比上行用戶鏈路更高，使得相應的干擾變得更加嚴重。本文中，我們以下行鏈路為例進行仿真。

3.1 仿真場景與參數

OneWeb采用16個高橢圓波束（并列排布），可覆蓋1 100 km2的正方形區域，如圖5（a）所示。Starlink則采用靈活波束，其相控陣波束可以實現點波束300 km2的覆蓋。對于需要較大點波束覆蓋的區域，Starlink則可實現更大波束600 km2的覆蓋。由于Starlink的頻率復用方式未知，我們以四色復用的頻率復用方式為例對16個用戶波束進行仿真（考慮4個同頻波束）。假設4個波束的覆蓋面積均為600 km2，即覆蓋半徑約為14 km，波束半錐角為1.5°。在對熱點地區進行仿真時，我們將靈活波束視為短時間內的凝視波束。此時，波束覆蓋仿真區域。由上述參數可以看出，One?Web與Starlink的波束存在完全重疊的可能，其相對離軸角受衛星間的位置關系影響，并且這種影響會隨時間發生變化。Starlink同色波束如圖5（b）所示。

▲圖5 仿真波束示意圖

對于用戶終端，我們采用隨機分布的50個Starlink終端作為干擾鏈路的終端，并采用1個OneWeb終端作為受擾鏈路的終端進行分析。這些終端的分布中心位于江蘇省南京市，如圖6所示。具體系統仿真參數如表3所示。

▼表3 星座用戶鏈路參數

▲圖6 地面終端均勻隨機分布示意圖

3.2 仿真結果

72 h內OneWeb終端的載噪比、載干噪比和干噪比的仿真結果如圖7和圖8所示。其中，干噪比-12.2 dB或等效載干噪比損失0.25 dB被作為有害干擾發生的閾值。可以看出，由于多波束、多終端、集總干擾的存在，鏈路質量受損嚴重，絕大部分時刻均處于有害干擾范圍。

▲圖7 OneWeb終端的載干噪比與載噪比比較

▲圖8 OneWeb終端的干噪比

為量化系統的可用時間，進一步得到干擾發生的概率和系統的可用時間百分比，我們對載干噪比和干噪比做進一步分析。相關累積分布曲線如圖9和圖10所示。

▲圖9 OneWeb終端的載干噪比累積分布曲線

▲圖10 OneWeb終端的干噪比累積分布曲線

通過圖10可以看出，干噪比小于-12.2 dB門限值的時間百分比接近0，即系統不存在惡意干擾的時間幾乎沒有。這將嚴重影響系統的正常工作。同時，由于地面用戶數量多、分布廣，不同區域的用戶密度不同，無法通過空間隔離來減緩干擾。因此，頻率協調面臨巨大壓力，需要更加切實可行的干擾減緩措施。

4 結束語

NGSO互聯網星座是未來空天地海網絡的必然組成部分，但頻軌資源的爭奪是目前阻礙發展的重要因素。本文中我們針對未來低軌互聯網衛星用戶鏈路的空域和頻域特點，梳理了同頻干擾場景和干擾分析模型，并搭建了仿真分析平臺，以Starlink和OneWeb星座為例進行了系統級干擾分析仿真計算。其中，所計算的衛星數達到了5 000顆以上。仿真結果表明，低軌星座間干擾十分嚴重，系統可用時間百分比不足10%，急需頻率協調與干擾減緩。這同時也說明本文所提模型能夠有效實現同頻干擾分析。未來我們將針對各種不同場景下的系統共存問題進行更多的仿真計算，以持續推進本工作的研究進展。

致謝

本文的實驗內容和仿真平臺開發主要由南京郵電大學碩士研究生趙長林和陸遠松完成，在此對他們的辛勤工作致以衷心的感謝！