成克偉，王五兔

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，陜西西安710000）

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星地一體化通信系統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)可用帶寬分析

成克偉，王五兔

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，陜西西安710000）

摘要：星地一體化通信系統(tǒng)，是由基于多波束的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面輔助網(wǎng)絡(luò)組成，它們共用一段頻率。輔助地面網(wǎng)絡(luò)的目的在于提高衛(wèi)星波束在高密度人口區(qū)域的覆蓋性能，這些區(qū)域中，衛(wèi)星通信由于高樓而受到信號(hào)陰影衰減。地面網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬隨著禁區(qū)域衛(wèi)星頻率復(fù)用改變而改變，為了更加準(zhǔn)確分析地面網(wǎng)絡(luò)可用帶寬的多少，在假定某區(qū)域人口密度均勻分布的條件下，提出了禁區(qū)的概念與一種新的全概率計(jì)算方法，并利用該方法分析衛(wèi)星波束頻率復(fù)用因子與禁區(qū)大小對(duì)地面輔助網(wǎng)絡(luò)可用帶寬的影響。

關(guān)鍵詞：星地一體化通信系統(tǒng)；禁區(qū)；地面網(wǎng)絡(luò)；可用帶寬

隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，僅靠陸地蜂窩通信系統(tǒng)無(wú)法全方位，無(wú)死角的為每個(gè)移動(dòng)設(shè)備提供服務(wù)，比如高樓林立的高密度城市、室內(nèi)信號(hào)覆蓋不佳、山區(qū)等；也無(wú)法為發(fā)生自然災(zāi)害，或者某些突發(fā)的區(qū)域提供可靠的通信服務(wù)。在緊急情況下，地面通信信號(hào)微弱甚至中斷，啟用衛(wèi)星鏈路回復(fù)通信服務(wù)是一種解決方案。

在“911”事件和卡特琳娜颶風(fēng)之后，美國(guó)MSV和TerreStar公司開(kāi)始研發(fā)基于輔助地面組件（Ancj11ary Terrestrja1 Component，ATC）技術(shù)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，并于2008年發(fā)射TerreStar-1衛(wèi)星；日本國(guó)家信息與通信技術(shù)研究所（The Natjona1 Instjtute of Informatjon and Communjcatjons Techno1ogy，NICT）也已開(kāi)始研發(fā)一種星地一體化衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)（Sate11jte-Terrestrja1 Integrated Mobj1e Communjcatjon Systems，STICS），依靠用戶(hù)的位置信息和當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)為移動(dòng)用戶(hù)提供衛(wèi)星/陸地雙模服務(wù)。

由于采用雙模系統(tǒng)，所以衛(wèi)星與陸地系統(tǒng)采用共享一定帶寬的頻率資源，這有利于降低射頻部分成本的降低，也有利于最大化利用有限的頻帶資源。而地面可用帶寬多少，決定著輔助地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量。

1　系統(tǒng)模型

星地一體化衛(wèi)星通信系統(tǒng)由基于多波束空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)SBN（Sate11jte Based Network）和輔助地面網(wǎng)絡(luò)ATN（Ancj11ary Terrestrja1 Network），空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)SBN由衛(wèi)星與衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)站組成；地面輔助網(wǎng)絡(luò)ATN由各種協(xié)議的基站、基站控制單元和網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)控制單元組成［1-3］，如圖1所示。

1.1衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

SBN由衛(wèi)星和衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)組成，衛(wèi)星為多波束衛(wèi)星天線(xiàn)，衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理。

采用透明轉(zhuǎn)發(fā)靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星，并采用大型可展開(kāi)反射面多波束天線(xiàn)技術(shù)，提供足夠的EIRP和G/T值，實(shí)現(xiàn)地面移動(dòng)終端與衛(wèi)星的通信，這樣可以使地面終端可以采用較小口徑的天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸，支持衛(wèi)星移動(dòng)通信和寬帶通信業(yè)務(wù)。

圖1　星地一體化移動(dòng)通信系統(tǒng)

反射面多波束天線(xiàn)的每個(gè)波束由主瓣翻蓋，其輻射方向圖如式（1）［4］：

1.2輔助地面網(wǎng)絡(luò)

ATN網(wǎng)絡(luò)由陸地蜂窩和各種協(xié)議的基站（GSM，CDMA2000，W-CDMA等），每個(gè)蜂窩區(qū)被分配一段頻率，由一個(gè)基站（base statjon）提供服務(wù)，該基站由發(fā)射器、接收器和控制單元組成。鄰近的蜂窩被分配給不同的頻率，但是，相互間距足夠遠(yuǎn)的蜂窩區(qū)可以使用相同頻段。

1.3網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)控制中心

網(wǎng)絡(luò)控制中心動(dòng)態(tài)的對(duì)SBN和ATN進(jìn)行實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制，而終端在系統(tǒng)的控制下自動(dòng)地在ATN和SBN之間進(jìn)行無(wú)縫切換。對(duì)用戶(hù)而言是覺(jué)察不出是通過(guò)ATN基站還是衛(wèi)星進(jìn)行通信。

1.4移動(dòng)終端

系統(tǒng)服務(wù)目標(biāo)是大量的移動(dòng)終端用戶(hù)，終端設(shè)備采用衛(wèi)星/基站雙模工作模式，設(shè)備采用極化隔離的內(nèi)外置天線(xiàn)，內(nèi)置天線(xiàn)對(duì)應(yīng)基站服務(wù)模式，外置天線(xiàn)對(duì)應(yīng)衛(wèi)星服務(wù)模式。

2　禁區(qū)的劃分

在衛(wèi)星采用多波束頻率復(fù)用技術(shù)和地面采用蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的情況下，同一位置被覆蓋兩次。一個(gè)GSM地面蜂窩區(qū)半徑大小為100 m～35 km，一個(gè)波束寬度為1°的波束半徑徑大約300 km，故一個(gè)衛(wèi)星波束范圍內(nèi)有幾百至幾十萬(wàn)個(gè)地面小蜂窩。

由于地面蜂窩移動(dòng)通信子系統(tǒng)和多波束衛(wèi)星子系統(tǒng)系統(tǒng)頻率公用，不可避免的發(fā)生系統(tǒng)內(nèi)干擾。比如某個(gè)衛(wèi)星波束中所有的地面小蜂窩在切換到基站服務(wù)模式時(shí)與該衛(wèi)星波束（-3 dB寬度）使用相同頻帶資源，就會(huì)發(fā)生同頻干擾。故對(duì)這些小蜂窩在基站服務(wù)時(shí)，不能使用覆蓋他們的衛(wèi)星波束頻率。

為減少系統(tǒng)內(nèi)同頻干擾，地面移動(dòng)終端在基站服務(wù)模式下，不能使用系統(tǒng)所有的頻率資源。而具體不能使用那些頻率，依靠該地面終端的位置信息和當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)。為方便仿真計(jì)算，引入“禁區(qū)”的概念，定義為：以波束主瓣功率下降一定值（4 dB、5 dB…）所對(duì)應(yīng)波束半徑為半徑的圓。定義“禁區(qū)”之后，3 dB波束寬度內(nèi)地面移動(dòng)終端用戶(hù)禁止使用“禁區(qū)”內(nèi)劃分的頻率資源和部分相鄰波束內(nèi)頻率資源［5-6］，如圖2所示。

圖2　禁區(qū)的定義原則

圖2中，多波束衛(wèi)星系統(tǒng)，采用七色頻率復(fù)用方案。黑點(diǎn)代表地面終端或者基站（衛(wèi)星上行鏈路與基站反向鏈路同頻，則黑點(diǎn)為地面終端，衛(wèi)星上行鏈路與基站前向鏈路同頻，則黑點(diǎn)為基站），灰色圓圈是“禁區(qū)波束”。黑點(diǎn)位置是：F7波束內(nèi)，并鄰近F4和F5波束；而其所在的“禁區(qū)波束”是：F4、F5和F7的交集中。故該黑點(diǎn)代表的地面終端用戶(hù)禁止使用F4、F5 和F7衛(wèi)星波束劃分的頻率資源；而其距離F3和F6較近，故部分禁止使用F3和F6衛(wèi)星波束劃分的頻率資源；而其距離F1和F2甚遠(yuǎn)，超過(guò)同頻干擾的閥值，可以全部使用該段頻率。如上圖右圖所示。

3　地面網(wǎng)絡(luò)可用帶寬分析

在星地一體化衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，當(dāng)?shù)孛娼K端用戶(hù)切換到基站服務(wù)模式時(shí)，會(huì)對(duì)衛(wèi)星上行造成同頻干擾，而犧牲地面終端可用用戶(hù)頻率帶寬可以滿(mǎn)足衛(wèi)星上行同頻干擾的要求。

地面移動(dòng)終端用戶(hù)可以位于衛(wèi)星波束中任何位置，以頻率復(fù)用因子7為例，其位置分為3種情況：1）終端用戶(hù)在波束圓心附近地域，此處禁止使用該波束頻率資源；2）終端用戶(hù)在波束邊緣附近，并且在兩個(gè)禁區(qū)波束交集的地域，此處禁止使用這兩個(gè)禁區(qū)波束所包含的波束的頻率資源，和禁止使用相近兩個(gè)波束的部分頻率資源，剩余3個(gè)波束的頻帶可自由使用；3）終端用戶(hù)在波束邊緣附近，且在3個(gè)禁區(qū)波束交集的地域，此處禁止使用這3個(gè)禁區(qū)的頻率，和禁止使用相鄰兩個(gè)波束的部分頻率資源，其他2個(gè)波束的頻帶資源可自由使用。

令系統(tǒng)總的可用帶寬為B，頻率復(fù)用因子為K=7，那么在多波束衛(wèi)星系統(tǒng)的一個(gè)簇內(nèi)，3種情況分別可用帶寬為：

其中，α是由地面系統(tǒng)容量與系統(tǒng)內(nèi)同頻干擾綜合得出的加權(quán)因子。

在某一個(gè)衛(wèi)星波束內(nèi)，假定移動(dòng)終端均勻分布，那么任一地面移動(dòng)終端所處位置（3種情況之一）的可能性，與其所對(duì)應(yīng)禁區(qū)波束交集面積大小在整個(gè)波束中的比例相等。令：某一個(gè)衛(wèi)星波束在面積為S，上述3種禁區(qū)波束交集的面積分別是S1、S2和S3，則任一移動(dòng)終端位置信息概率分布是：

利用全概率公式，平均某一移動(dòng)終端在基站服務(wù)模式下，可用帶寬為：

4　系統(tǒng)參數(shù)及仿真結(jié)果

在星地一體化衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，禁區(qū)的大小是一個(gè)重要的參數(shù)，其半徑的大小直接影響地面移動(dòng)蜂窩子系統(tǒng)可用的頻率資源，進(jìn)而影響該子系統(tǒng)容量。不同的衛(wèi)星覆蓋方案和衛(wèi)星天線(xiàn)輻射方向圖，也會(huì)得到地面系統(tǒng)不同的可用頻率帶寬。如果“禁區(qū)波束”越小，星地一體化系統(tǒng)內(nèi)同頻干擾越大；反之，地面系統(tǒng)可用頻率資源越少［7］。

衛(wèi)星位于靜止軌道，反射面多波束天線(xiàn)半波束寬度為1°，染色因子為3、4、7和9，口徑最大增益為45 dB，方向圖函數(shù)中貝塞爾函數(shù)階數(shù)為一階，載波中心頻率為2 GHz，系統(tǒng)總帶寬為15 M。地面系統(tǒng)平均可用頻率資源隨著不同的禁區(qū)大小而發(fā)生變化，由下圖3可以知道，禁區(qū)越大，地面系統(tǒng)可用頻率資源越?。蝗旧蜃釉酱?，地面系統(tǒng)可用頻率資源越大。

5　結(jié)論

圖3　不同禁區(qū)與頻率復(fù)用時(shí)地面網(wǎng)絡(luò)可用帶寬分析

星地一體化衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)提供終端用戶(hù)衛(wèi)星/基站雙模無(wú)縫切換，解決了緊急突發(fā)事件造成的信號(hào)中斷和偏遠(yuǎn)地區(qū)信號(hào)微弱甚至無(wú)信號(hào)的問(wèn)題。衛(wèi)星系統(tǒng)和地面系統(tǒng)共用一定頻率資源，緩解了頻率資源緊張的情況，也簡(jiǎn)化了射頻部件結(jié)構(gòu)；而頻率復(fù)用提高了系統(tǒng)容量，但也帶來(lái)了同頻干擾。本文分析了移動(dòng)終端用戶(hù)在基站服務(wù)模式下，在一定的地面系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)同頻干擾的條件下，分析了不同禁區(qū)大小，不同多波束衛(wèi)星頻率復(fù)用因子時(shí)，地面系統(tǒng)的可用帶寬。

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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

中圖分類(lèi)號(hào)：TN927+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-6236（2016）07-0090-03

收稿日期：2015-05-24稿件編號(hào)：201505212

作者簡(jiǎn)介：成克偉（1987—），男，甘肅蘭州人，碩士研究生。研究方向：航天器天線(xiàn)技術(shù)。