吳翔洲 柏會凱 杜吉慶

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0 引言

物聯(lián)網(wǎng)能直接改變整個人類社會的生產(chǎn)方法，其中，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更是憑借其自身待機時間長、能耗低以及覆蓋面廣等優(yōu)勢，逐漸成為一種代表性的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用需要在地面設(shè)置基站，建設(shè)成本偏高，并且受地理條件等因素的影響，目前仍有部分區(qū)域無法建設(shè)地面基站和通信網(wǎng)，為此，需要將衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)成地面物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有效擴展和延伸。

1 干擾場景分析

地面物聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)兩者之間干擾場景如下。在衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)上行鏈路中，地面物聯(lián)網(wǎng)裝置容易干擾衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)；而在地面物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)下行鏈路中，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)裝置也容易對地面物聯(lián)網(wǎng)形成下行干擾。除了LTE系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間形成上下鏈路之間的同頻干擾以外，多波束衛(wèi)星天線波束同頻復(fù)用以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)覆蓋下蜂窩小區(qū)對應(yīng)同頻復(fù)用技術(shù)也給衛(wèi)星通信系統(tǒng)帶來上下行同頻干擾。

低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)在實際運行中具有傳播損耗小、功耗低、傳輸時延短等特征，因此成為衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)實現(xiàn)的基礎(chǔ)選擇。頻譜資源有限、覆蓋范圍較廣，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)在初步接入海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的過程中，需要和地面現(xiàn)存物聯(lián)網(wǎng)之間實現(xiàn)共享頻譜。衛(wèi)星和地面之間物聯(lián)網(wǎng)上下行干擾成為當(dāng)下的主要研究問題。

2 干擾方法分析

2.1 上行干擾

結(jié)合衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)以及地面物聯(lián)網(wǎng)處于共享頻譜條件下上行干擾場景分析，參考銥星系統(tǒng)對應(yīng)波束覆蓋狀況，分析得知衛(wèi)星對應(yīng)點波束的數(shù)量一共為48個，選擇12個色頻率復(fù)用，而一個衛(wèi)星主要覆蓋范圍在4個同頻復(fù)用波束區(qū)域，單純結(jié)合衛(wèi)星小區(qū)以及地面小區(qū)兩者之間干擾考慮來看，衛(wèi)星同頻小組之間干擾并不屬于考慮范圍內(nèi)。

因為衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)尚未推出統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本文主要選擇通過依次改變物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備發(fā)射功率、設(shè)備數(shù)量，來調(diào)整星下點方向的夾角，模擬衛(wèi)星在不同覆蓋范圍下所屬干擾場景內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)造成的干擾程度。

2.2 下行干擾

衛(wèi)星對地面物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備會形成下行干擾。結(jié)合銥星系統(tǒng)相關(guān)運行參數(shù)，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的單獨衛(wèi)星對應(yīng)覆蓋區(qū)域整體直徑在4 700 km左右，所以衛(wèi)星波束會進(jìn)一步覆蓋至城市區(qū)域內(nèi)的地面物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域，導(dǎo)致對相關(guān)地面設(shè)備形成某種下行干擾。同時，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)衛(wèi)星星座內(nèi)存在66顆衛(wèi)星，以6個極地圓軌道為核心繞行，大部分條件下，地面物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)運行設(shè)備所承受的下行干擾來源，也就是說，衛(wèi)星個數(shù)并非只有一種，而是應(yīng)該與此刻覆蓋至參考地面物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備全部衛(wèi)星個數(shù)一致。

單獨衛(wèi)星對于地面物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)運行設(shè)備所形成的干擾，在計算下行干擾鏈路過程中，基本和上行干擾鏈路計算過程一致。衛(wèi)星通信系統(tǒng)在和地面LTE系統(tǒng)處于共享頻率條件下，對應(yīng)下行干擾和上行干擾抑制，主要差異是用戶設(shè)備、地面通信基站以及衛(wèi)星多波束天線同頻復(fù)用等條件下形成的下行干擾，是衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備主要下行干擾來源，地面系統(tǒng)所承受的下行干擾源始終保持不變。為此，在計算中只需替換干擾參數(shù)。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 上行干擾仿真結(jié)果

部分衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)以及地面物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)鏈路參數(shù)如表1所示。

表1 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)以及地面物聯(lián)網(wǎng)之間鏈路參數(shù)

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備處于不同發(fā)射功率條件下，對應(yīng)衛(wèi)星接收載干比的波動變化也會有所不同。隨著衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)覆蓋區(qū)域內(nèi)設(shè)置的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量擴大，載干比提升，則干擾程度也相繼上升。在衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備對應(yīng)發(fā)射功率的上升，對應(yīng)載干比降低，干擾水平下降。地面物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)設(shè)備設(shè)置數(shù)量主要是處于相同時刻中信號發(fā)射較為活躍的設(shè)備數(shù)量，通常在地面物聯(lián)網(wǎng)所有設(shè)備總和中大概占據(jù)10%，而室內(nèi)地面物聯(lián)網(wǎng)裝置在地面物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備總和中大概占據(jù)80%，其對衛(wèi)星形成的上行干擾功率會出現(xiàn)額外的墻壁傳播損耗，在25 dB左右。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)設(shè)備信息發(fā)射功率會超出大約5 W。

從衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)設(shè)備信號發(fā)射方向、星下點方向?qū)?yīng)夾角、地面設(shè)備設(shè)置數(shù)量等不同條件入手，分析其形成的上行干擾。假設(shè)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)設(shè)備發(fā)射功率是7 W，則將10 000種地面物聯(lián)網(wǎng)裝置當(dāng)成干擾源參考數(shù)量，如果系統(tǒng)要求C/I大于9 dB，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備的信號發(fā)射方向以及星下點之間夾角則低于20°。

3.2 下行干擾仿真結(jié)果

隨著地面物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備覆蓋范圍的不斷擴大，其下行鏈路范圍內(nèi)的傳播損耗進(jìn)一步增加，所產(chǎn)生的干擾程度相繼提高。隨著地面物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)裝置發(fā)射角度以及星下點之間夾角的擴大，衛(wèi)星下行鏈路所覆蓋內(nèi)的空間傳播損耗相繼擴大，降低了整體干擾水平。而地面物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)C/I設(shè)定閾值是9 dB，通過分析可知，地面物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)基站小區(qū)半徑低于1.5 km。將地面物聯(lián)網(wǎng)基站對應(yīng)覆蓋面積設(shè)置為1.5 km，分析24 h之內(nèi)多個衛(wèi)星對參考地面相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備形成的下行干擾波動狀況可知，地面上的物聯(lián)網(wǎng)裝置C/I在多星覆蓋衛(wèi)星數(shù)量呈現(xiàn)出較大曲線變化的條件下，基本能夠滿足地面物聯(lián)網(wǎng)干擾要求。考慮城市內(nèi)地面物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)小區(qū)半徑是0.5 km，城市內(nèi)地面物聯(lián)網(wǎng)小組能夠承受衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)所形成的下行干擾。至于部分人數(shù)較少的地區(qū)，比如農(nóng)村、山區(qū)等，在地面物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)數(shù)量限制以及基礎(chǔ)設(shè)施成本等因素的影響下，對應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)覆蓋半徑普遍會超出1.5 km，為此，對于部分農(nóng)村、山區(qū)等人口較少的區(qū)域，應(yīng)該對衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)以及地面物聯(lián)網(wǎng)間現(xiàn)存的地下干擾實施抗干擾優(yōu)化設(shè)計。

本研究對衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)以及地面物聯(lián)網(wǎng)在實際運行中處于共享頻譜條件下所形成的上下行干擾程度以及干擾場景實施仿真分析。仿真結(jié)果表明，在當(dāng)下的假設(shè)參數(shù)狀態(tài)下，為了進(jìn)一步控制衛(wèi)星物理網(wǎng)所受的上行同頻干擾，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)設(shè)備發(fā)射功率需要控制在5 W以上；衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在面向衛(wèi)星進(jìn)行信號發(fā)射時，應(yīng)盡量選擇衛(wèi)星對應(yīng)星下點以及地面發(fā)射方向之間夾角低于20°的衛(wèi)星實施通信。為了有效控制下行同頻對地面物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備造成的干擾和影響，需要盡量把地面物聯(lián)網(wǎng)覆蓋半徑減小到1.5 km之內(nèi)。同時，也要注重對不同場景的建設(shè)。例如，在城市環(huán)境下，對應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)覆蓋半徑滿足上述條件；處于人口密度較為稀疏的地區(qū)，地面設(shè)置的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量有限，基礎(chǔ)實施建設(shè)成本高，對應(yīng)覆蓋半徑也許會超出2 km，需要不斷優(yōu)化系統(tǒng)之間的抗干擾能力。在實際運行中，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)需要同時接入海量設(shè)備，需要采取有效措施不斷提升系統(tǒng)抗干擾能力，并實時監(jiān)控系統(tǒng)之間的干擾水平，當(dāng)存在較為嚴(yán)重的干擾問題時，需要針對系統(tǒng)實施有效的協(xié)調(diào)處理，實現(xiàn)智能控制。

4 結(jié)束語

綜上所述，在實際運行中，地面物聯(lián)網(wǎng)和低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)之間容易出現(xiàn)同頻干擾等現(xiàn)象，從而影響整個物聯(lián)網(wǎng)的運行質(zhì)量，為此，需要進(jìn)行深入分析，根據(jù)實際情況制定有效的解決措施，以順利實現(xiàn)萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)為發(fā)展目標(biāo)，提高衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的可行性。