丁亞南，龐文鎮(zhèn)

(南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

為了增加衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)容量，GSO衛(wèi)星多采用多波束天線技術(shù)，它可以同時(shí)形成多個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)波束，通過(guò)波束空間隔離實(shí)現(xiàn)多次頻率復(fù)用，從而大大增加系統(tǒng)使用帶寬，基于GMR-1標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)[1]采用了多波束天線技術(shù)。雖然多波束技術(shù)可以提高系統(tǒng)容量，但同時(shí)也帶來(lái)了同頻干擾問題，即相隔一定物理距離的波束內(nèi)頻率相同的載波相互干擾，給用戶造成了很大的困擾[2]，多波束衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的同頻干擾研究，導(dǎo)致多個(gè)并行工作的終端用戶無(wú)法同時(shí)接入信關(guān)站系統(tǒng)中，降低了系統(tǒng)的呼通率。

本文結(jié)合GMR-1衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出適用于該系統(tǒng)的同頻干擾評(píng)估及干擾規(guī)避策略，系統(tǒng)實(shí)踐顯示，本文采用的干擾規(guī)避策略可極大地提高GMR-1衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)容量。

1 相關(guān)概念介紹

GMR-1系統(tǒng)[3]由衛(wèi)星、地球移動(dòng)站MES(Mobile Earth Station)、信關(guān)站GS(Gateway Station)和衛(wèi)星操作中心SOC(Satellite Operation Center)等元素組成，在移動(dòng)用戶與固定用戶之間，GMR-1系統(tǒng)提供GSM基礎(chǔ)業(yè)務(wù)如語(yǔ)音、數(shù)據(jù)傳輸、傳真、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短消息業(yè)務(wù)，以及小區(qū)廣播短消息業(yè)務(wù)和增值業(yè)務(wù)。通過(guò)公共和私人交換電信網(wǎng)絡(luò)如公共電話交換網(wǎng)(PSTN)，公共陸地移動(dòng)網(wǎng)(PLMN)，GMR-1系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)世界范圍內(nèi)的互聯(lián)。圖1所示給出了GMR-1系統(tǒng)的元素組成圖。

圖1 基于GMR-1標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為了提高衛(wèi)星通信的容量和頻譜利用效率，GSO移動(dòng)通信衛(wèi)星采用多波束天線技術(shù)，通過(guò)使用了若干個(gè)高增益的窄波束共同覆蓋較大的區(qū)域，每個(gè)波束的功率最大點(diǎn)即是波束中心點(diǎn)，這些窄波束能夠以高增益來(lái)覆蓋較大的地面區(qū)域，同時(shí)又能根據(jù)需要調(diào)整波束形狀。但多波束天線技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)了相應(yīng)的同頻干擾問題，特別是當(dāng)終端以最大功率隨機(jī)接入信關(guān)站時(shí)，導(dǎo)致同頻波束對(duì)應(yīng)頻率的干擾信號(hào)，若不加以控制規(guī)避，將導(dǎo)致大量用戶接入失敗。

1.1 GMR-1系統(tǒng)基本信道及要求

GMR-1系統(tǒng)中[4]定義了公共控制信道、專用控制信道、雙向業(yè)務(wù)信道等，其中，公共控制信道主要用于終端初始同步接入，專用控制信道終端與信關(guān)站控制信令傳輸，業(yè)務(wù)信道主要用于用于承載編碼的語(yǔ)音或用戶數(shù)據(jù)，這些信道的基本信息[5]及Es/N0的要求如表1所示。

表1 信道類型及誤幀率FER要求

1.2 GMR-1系統(tǒng)基本流程

GMR-1衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要通信流程包括初始信道分配、入網(wǎng)、語(yǔ)音業(yè)務(wù)等，由于GMR-1衛(wèi)星移動(dòng)通信體制是基于GSM通信協(xié)議針對(duì)GSO衛(wèi)星進(jìn)行了適應(yīng)性改造，其基本流程與GSM類似。

1.2.1 初始信道分配

初始信道分配過(guò)程發(fā)生在終端MES與GSC之間的隨機(jī)接入過(guò)程，MES利用公共的隨機(jī)接入信道獲得后續(xù)信令交互的專用控制信道，具體流程如圖2所示。

圖2 初始信道分配流程

(1)衛(wèi)星終端首先通過(guò)RACH信道發(fā)起與GSC的隨機(jī)接入過(guò)程，獲取資源并進(jìn)行上行同步；

(2)衛(wèi)星終端獲得控制信道資源TCH后，則通過(guò)TCH向GSC發(fā)出L2層的SABM幀同步；

(3)GSC收到SABM同步幀后，向用戶發(fā)出UA同步確認(rèn)幀，啟動(dòng)后續(xù)的信令過(guò)程。

1.2.2 入網(wǎng)流程

入網(wǎng)流程即位置更新過(guò)程是由終端與GSC、MSC之間邏輯配合完成。MSC處理移動(dòng)用戶的位置登記進(jìn)程，與移動(dòng)用戶對(duì)話并與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。具體流程如圖3所示。

圖3 入網(wǎng)流程

1.2.3 呼叫流程

呼叫流程是用戶MES實(shí)現(xiàn)與其他衛(wèi)星用戶、PSTN用戶等的語(yǔ)音業(yè)務(wù)建鏈過(guò)程，具體流程與GSM呼叫流程一致。

2 干擾建模與分析

2.1 干擾建模

同頻干擾是指干擾信號(hào)的載頻與有用信號(hào)的載頻相同，并對(duì)接收同頻有用信號(hào)的接收機(jī)造成的干擾，是衛(wèi)星系統(tǒng)中干擾的主要來(lái)源。從空間角度分析，干擾主要分為同星干擾、鄰星干擾。其中同星干擾影響較大。由于天線波束具有一定的寬度，地面發(fā)送天線會(huì)在同頻波束上產(chǎn)生干擾輻射(上行同頻干擾)，地面接收天線也會(huì)在同頻波束上接收到干擾信號(hào)(下行同頻干擾)，本文重點(diǎn)論證上行同頻干擾，終端與衛(wèi)星之間的干擾如圖4所示。

圖4 終端與衛(wèi)星之間的干擾示意

系統(tǒng)內(nèi)的干擾可定義為所需要的信號(hào)功率與干擾功率之比(C/I)，而控制干擾的一個(gè)重要因素就是地球站的天線輻射方向圖。為了確定C/I與天線輻射方向圖的關(guān)系，有必要定義系統(tǒng)所涉及的集合關(guān)系。終端A和終端B分別在距離較遠(yuǎn)的BeamA、BeamB兩個(gè)同頻波束中，上行同頻干擾的線路是：終端A發(fā)送，終端B所在的衛(wèi)星波束也能收到干擾信號(hào)，經(jīng)衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)，信關(guān)站GS在兩個(gè)同頻波束內(nèi)均收到終端A發(fā)送的信號(hào)，其中一個(gè)波束為干擾信號(hào)。

GS在波束BeamA接收到終端A的載波功率為[C]，則根據(jù)鏈路預(yù)算公式可得到：

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

其中[EIRP]是終端A的有效全向輻射功率，[GGS]是GS站接收天線的軸向增益。[FSL]是以分貝表示的自由空間損耗，包含了終端A到衛(wèi)星、衛(wèi)星到GS之間的傳輸路徑損耗。GS在波束BeamA收到的干擾載波功率的計(jì)算與載波功率相似，但必須考慮增加一個(gè)波束隔離度[Y]DdB，終端B對(duì)終端A上行干擾信號(hào)為：

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

則信關(guān)站在波束BeamA處終端B對(duì)終端A的上行干擾為[C/I]=[EIRP]A-[EIRP]B+[GGS]+[Y]D。

2.2 干擾分析

為了進(jìn)一步分析同頻波束上的兩個(gè)終端上行發(fā)射對(duì)系統(tǒng)接收影響，本節(jié)分析了信關(guān)站接收到終端信號(hào)的C/N，具體如下：

(1)終端用戶鏈路上行[C/N]u=[EIRP]-[FSL]+G/T-[k]-[Bn];

(2)信關(guān)站饋電下行[C/N]d= [EIRP]-[FSL]+G/T-[k]-[Bn];

(3)信關(guān)站服務(wù)波束入口C/N=-10*log(1/([C/N]u)+1/([C/N]d)+ 1/(C/I));

(4)信關(guān)站同頻波束入口C/N=信關(guān)站服務(wù)波束入口C/N-波束隔離度[Y]D。

根據(jù)以上幾個(gè)公式，針對(duì)GMR-1 05.005協(xié)議[7]中提到的兩類終端進(jìn)行C/N分析如表2所示。

表2 終端類型及C/N分析

根據(jù)GMR-1 05.005中描述RACH信道要求的Es/N0理論值為2.12 db，實(shí)際性能要考慮實(shí)現(xiàn)損耗帶來(lái)的惡化，因此，RACH在實(shí)際應(yīng)用中C/N約為0 db左右。

當(dāng)手持終端按7 dBW發(fā)射，當(dāng)天氣條件較好時(shí)，根據(jù)鏈路預(yù)算理論計(jì)算可得同頻波束載噪比可達(dá)到3.04 db，最小為0.04 dB，滿足RACH的信道解調(diào)門限要求，若不加以控制，終端將通過(guò)服務(wù)波束和同頻波束同時(shí)接入到系統(tǒng)中，導(dǎo)致終端接入流程混亂而使得終端接入失敗，嚴(yán)重影響終端接入成功率，如圖5所示。

圖5 同頻干擾導(dǎo)致的流程錯(cuò)誤

當(dāng)手持終端發(fā)射功率為4 dBW，車載終端發(fā)射功率為11 dBW時(shí)，其手持信號(hào)在信關(guān)站側(cè)的C/N=10 dB 左右，而車載站在同頻波束的C/N可達(dá)到17.04 dB，若不針對(duì)便攜站的初始發(fā)射功率加以限制，車載終端發(fā)射的接入信號(hào)將覆蓋同頻波束下手持終端發(fā)射的信號(hào)，嚴(yán)重影響手持設(shè)備接入。

由于衛(wèi)星采用多波束頻率復(fù)用技術(shù)，同頻波束之間的隔離度無(wú)法達(dá)到理想狀態(tài)，因此同頻波束之間必然存在干擾，按照GMR-1標(biāo)準(zhǔn)，終端總是以最大功率發(fā)射隨機(jī)接入及控制信道信號(hào)，若不對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，則將嚴(yán)重影響系統(tǒng)接入成功率。

3 干擾規(guī)避策略

3.1 隨機(jī)接入掩碼機(jī)制

為了有效規(guī)避隨機(jī)接入信號(hào)對(duì)接入流程的影響，采用在隨機(jī)接入消息編碼過(guò)程中增加隨機(jī)接入掩碼，信關(guān)站通過(guò)識(shí)別隨機(jī)接入消息中的接入碼字來(lái)解決同頻干擾帶來(lái)的通信問題，該方案對(duì)收到的隨機(jī)接入消息接入碼字進(jìn)行分析識(shí)別，有效信號(hào)并允許有效用戶進(jìn)入后續(xù)接入流程，無(wú)效接入消息直接在隨機(jī)接入階段丟棄。為此，其基本流程如圖6所示。

圖6 隨機(jī)接入掩碼規(guī)避流程

(1)系統(tǒng)根據(jù)波束復(fù)用及多顆星同頻波束覆蓋情況，將同頻波束的隨機(jī)接入掩碼設(shè)置為不同的值，按照GMR-1 05.003要求[5]，同一顆衛(wèi)星最多可支持256個(gè)同頻波束，不同衛(wèi)星同頻波束的隨機(jī)接入掩碼可設(shè)置為同一值，可利用空間隔離及距離實(shí)現(xiàn)同頻干擾規(guī)避；

(2)信關(guān)站根據(jù)隨機(jī)接入掩碼生成相應(yīng)的廣播信息，并通過(guò)廣播信道向終端用戶下發(fā)廣播消息；

(3)終端收到廣播信道消息后，解析相應(yīng)的隨機(jī)接入掩碼，并在發(fā)起隨機(jī)接入時(shí)，將隨機(jī)接入掩碼與隨機(jī)接入消息編碼消息生成的CRC進(jìn)行異或，填入隨機(jī)接入消息；

(4)信關(guān)站收到隨機(jī)接入消息后，對(duì)隨機(jī)接入消息進(jìn)行譯碼并對(duì)隨機(jī)接入消息進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)后的CRC與該波束的隨機(jī)接入掩碼異或，若CRC正確則允許終端正常接入，否則，丟棄該終端的接入。

3.2 開環(huán)閉環(huán)相結(jié)合功率控制

為了有效規(guī)避便攜/車載類終端對(duì)手持類終端的影響，限制終端在隨機(jī)接入、專用控制信道上的最大發(fā)射功率，通過(guò)使用開環(huán)閉環(huán)相結(jié)合的功率控制策略，使得終端與終端之間的初始干擾(隨機(jī)接入)影響限制到最小，當(dāng)進(jìn)入到專用控制信道開始使用閉環(huán)功率控制。

3.2.1 開環(huán)功率控制

終端測(cè)量當(dāng)前下行信號(hào)功率情況，當(dāng)下行信號(hào)較好時(shí)，終端以最低功率發(fā)射隨機(jī)接入信號(hào)；當(dāng)下行信號(hào)很差(終端可能處于波束邊緣或者遮擋地區(qū))，終端適當(dāng)發(fā)射功率發(fā)送隨機(jī)接入消息以保證信關(guān)站能夠正確解析隨機(jī)接入消息。具體流程如下：

(1)系統(tǒng)根據(jù)波束覆蓋情況配置當(dāng)前波束的開環(huán)參數(shù)包括開環(huán)調(diào)整門限T，開環(huán)調(diào)整增益UpGain和DnGain等；

(2)信關(guān)站根據(jù)開環(huán)調(diào)整參數(shù)生成相應(yīng)的廣播信息，并通過(guò)BCCH向終端用戶下發(fā)廣播消息；

(3)終端收到BCCH消息后，連續(xù)測(cè)量BCCH信號(hào)的鏈路質(zhì)量，按照如下流程計(jì)算隨機(jī)接入的發(fā)射增益

計(jì)算BCCH的鏈路質(zhì)量Lsnr，并將所收到的BCCH鏈路質(zhì)量平均得到Lsnr_avg；

計(jì)算開環(huán)功率余量：S=Lsnr_avg-Lsnr;

如果S≥T，則

發(fā)射增益= 初始發(fā)射增益-UpGain×S

如果S≤T，則

發(fā)射增益= 初始發(fā)射增益-DnGain×S

(4)若終端未收到當(dāng)隨機(jī)接入響應(yīng)定時(shí)器超時(shí)后，重傳計(jì)數(shù)器的值加1，MES隨機(jī)回退后并在上次功率基礎(chǔ)上向上調(diào)整1 dB，并再次發(fā)送。如果重傳計(jì)數(shù)達(dá)到最大，取消隨機(jī)接入過(guò)程，通知用戶接入失敗。

3.2.2 閉環(huán)功率控制

閉環(huán)功率控制是在隨機(jī)接入過(guò)程后，在信關(guān)站對(duì)終端控制信道測(cè)量的基礎(chǔ)上，對(duì)終端上行的功率進(jìn)行反饋，由終端自身根據(jù)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，控制信道僅調(diào)整終端發(fā)射功率，信關(guān)站下行始終以最大功率進(jìn)行發(fā)射。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)基于GMR-1的多波束衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)同頻干擾問題進(jìn)行分析，利用隨機(jī)接入掩碼方式解決終端接入流程混亂問題，采用了開環(huán)閉環(huán)相結(jié)合的功率控制策略，降低終端隨機(jī)接入及信令交互階段的同頻干擾。