NGSO互联网星座用户链路同频干扰分析

刘子威/LIU Ziwei，李嘉颖/LI Jiaying，张更新/ZHANG Gengxin

（1.南京邮电大学，中国 南京 210003；2.中国人民解放军军事科学院，中国 北京 100141）

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

近年来，随着卫星互联网浪潮的兴起，为了满足全球全天时覆盖和宽带高速应用需求，非静止轨道（NGSO）卫星星座成为发展的重点。目前，除中国外的其他国家主要依靠商业航天公司来建设NGSO宽带卫星通信星座，例如美国Starlink星座[1]、Kuiper星座[2]，英国 OneWeb星座[3]，以及加拿大Telesat星座[4]。

天基信息系统发展的主要瓶颈之一是频轨资源紧张。一方面，不断增加的低轨通信星座系统，会对使用相同频段的静止轨道（GSO）卫星系统造成严重影响；另一方面，随着Ku、Ka频段频率资源的逐渐枯竭，各申报星座难以避免使用重叠频段，导致各NGSO卫星系统存在潜在同频干扰。在国际电联的申报框架中，存在同频干扰的系统需要在申报阶段进行频轨协调，以保证有害干扰不超过可靠工作的阈值。协调时用到的方法是同频干扰分析。

最初的干扰分析主要针对GSO卫星开展，并形成了一整套建议书与规范[5-7]。然而，在进行高轨卫星间的协调时，参与协调的卫星数少，星地空间关系近似恒定，干扰链路并不复杂。不同于GSO系统之间的干扰场景，低轨卫星与地球站的相对位置是变化的，从而导致卫星之间以及卫星与地面站之间的空间几何关系具有时变性。当前申报的NGSO星座规模通常高达数万颗，并且在某一指定地面区域的瞬时可见星座数量达到数十颗。无论是干扰链路的数量，还是干扰链路的时变性，均大大增加了干扰计算的复杂程度。文献[8-9]最早对NGSO星座间的干扰计算方法进行了分析，但并没有给出相关的仿真结果。李睿等虽然针对NGSO星座时变性的特点，对不同采样点上的瞬时干扰进行了计算和仿真，但只考虑了NGSO星座与GSO卫星间的干扰[10-11]。对于NGSO系统间干扰，靳瑾等提出了一种卫星链路间夹角等效干扰指标的方式，并以OneWeb系统和O3b系统为例给出了全球范围内系统间的可用概率[12]。此外，针对具体的干扰分析场景，基于链路计算的分析方法能够得到准确的分析结果[13]。

随着星上载荷与天线技术的发展，未来低轨卫星互联网通信系统的一个重要发展方向是星载相控阵天线技术。该技术将使卫星节点在空域维度具备业务驱动、灵活可变的能力。用户链路更要依赖相控阵多波束技术，以满足广域业务的服务需求。对此，本文主要对大规模NGSO星座系统之间的用户链路同频干扰问题开展研究，在完成场景分析的基础上梳理面向多波束的干扰分析模型及计算方法，并在所搭建的仿真分析平台中对大规模星座的用户链路间同频干扰进行仿真计算。

1 用户链路干扰场景与干扰分析模型

同频干扰的产生需要在空间和频率上均产生重叠碰撞。其中，未来NGSO星座通常具有全球覆盖的特性，因此空间域的碰撞是不可避免的。对于频率维度而言，根据目前全球典型的NGSO星座的申报数据，在用户链路干扰场景中，当NGSO系统卫星与地面通过上下行用户链路进行通信时，处于干扰角度范围内的不同NGSO星座的卫星就会产生干扰[14]。表1给出了用户链路间潜在同频干扰情况。

▼表1 典型非静止轨道卫星星座使用频率

（1）OneWeb与Starlink星座均采用Ku频段作为用户链路的频段，与使用Ka频段的O3b、Telesat等星座的用户链路不会发生同频干扰；

（2）OneWeb和Starlink的用户上下行链路频率产生重叠，两者都采用倾斜轨道，因此会产生用户链路碰撞；

（3）Telesat和Kuiper星座都采用不同倾斜角度的倾斜轨道，因此干扰遍布全球；

（4）O3b、Telesat和Kuiper星座的用户链路都使用Ka波段，且各自系统内的通信过程都会对相邻系统产生干扰。其中，O3b主要为赤道圆轨道星座，与其他星座的频率重叠干扰发生在低纬度地区。

在空域和频域都满足潜在干扰的条件时，需要对系统间的同频干扰进行分析。分析结果将作为频轨协调与干扰规避的依据。

1.1 用户链路干扰场景

在未来，为满足广覆盖和高资源利用率的要求，卫星用户链路多以相控阵下的多点波束方式进行工作。多色复用技术也会被采用以避免同一系统内相邻波束间的干扰。同一卫星同频工作的用户链路波束数量多，而不同系统的卫星多色复用却不同。干扰场景表现为复杂多波束间同频波束的互相碰撞，如图1所示。其中，多色复用策略体现在使用不同颜色的波束来代表不同的频率。由于卫星用户链路采用多波束多色复用的方式，同频波束间会产生复杂的交叉干扰情况，因此干扰分析模型必须体现出多星、多波束的主要特点。

此外，对于宽带互联网星座而言，根据业务类型和形态的不同，地面终端用户包括两类：（1）大型固定天线、车载天线、船载天线等往往具有指向能力，可生成凝视波束；（2）小型天线、便携式用户天线往往不具备指向能力，可生成固定波束（多采用小口径、弱方向性波束）。因此，在不同分析场景下，不同波束调度方式的卫星和不同类型的终端会形成不同的同频干扰场景，需要做针对性分析。

1.2 干扰分析模型

在载干噪比、干噪比等评估指标中，载波功率、干扰功率、噪声功率需要进行组合。这里我们分别给出多波束条件下载波功率和干扰功率的分析模型。

（1）载波分析模型

考虑卫星用户链路多波束的特性，有用信号可以写为：

其中，i为波束编号，j为地面段平台编号，Cij表示多波束卫星第i个波束中第j个地面段平台与卫星的有用信号功率，P0表示载波发射功率。θij(t)与φij(t)分别表示发射天线的离轴角度与接收天线的离轴角度，Gt[θij(t)]和Gr[φij(t)]则分别代表发射和接收天线在对应角度上的增益。λi表示第i个波束频率对应的波长，dij(t)表示相应的地面终端与卫星间的距离。由于卫星具有运动特性，上述角度和斜距均随时间变化。对于工作在凝视模式的用户设备，可以认为其θij(t)与φij(t)均一直等于最大增益角，并且几乎保持不变；而对于固定指向的卫星或弱指向性的地面终端，其θij(t)与φij(t)则是随时间变化的。

（2）干扰分析模型

实际上，由于NGSO卫星星座数量较多，多个干扰卫星/地面站会对同一站点/卫星产生干扰。这种干扰称为集总干扰。卫星系统的集总干扰功率则为通信仰角范围内干扰卫星造成的干扰功率之和。

其中，N1表示施扰平台造成干扰的波束数量，Ni(t)表示可视范围内的卫星数量，Pij是带内干扰功率。θ′ij(t)与φ′ij(t)分别表示干扰链路相对于通信链路发射天线与接收天线的离轴角度，Gt[θ′ij(t)]和Gr[φ′ij(t)]则分别代表对应的发射和接收天线在对应角度上的增益。基于上述模型计算，并结合轨道外推，我们可以对NGSO卫星的同频干扰进行精确计算与分析。

2 仿真计算平台

针对大规模NGSO星座的干扰分析仿真场景，我们搭建了商业轨道建模软件+MATLAB科学计算的仿真架构，如图2所示。其中，轨道建模软件可以建立复杂的卫星场景，并支持卫星干扰场景全过程的步进推演。同时，MATLAB能够通过编程便捷地获得可供复杂逻辑和高级数学运算使用的轨道建模结果，并通过通信控制模块实现场景的高效控制。

▲图2 仿真平台架构图

同时，借助轨道建模软件提供的显示接口，我们使用C#语言来搭建图形操作界面。该界面能够实时显示星座组成、二维/三维星座状态，如图3所示。其中，界面顶端的任务栏能够进行整个系统的控制，包括场景构建、星座设计、干扰分析等。中间主要区域分为左侧节点列表、中部三维显示，以及右侧二维显示和图表显示。MATLAB运算集成于软件的后台，以支撑完整的干扰分析过程。

▲图3 图形操作界面截图

3 大规模星座仿真计算

在搭建的仿真计算平台中，我们以Starlink和OneWeb系统为分析对象，对本文所建立的分析模型和分析方法进行仿真计算。根据申报资料，我们构造了Starlink一期的4 425颗卫星星座和OneWeb系统的648颗卫星星座，如图4所示。其中，OneWeb为受扰星座，Starlink为施扰星座。One⁃Web的648颗NGSO卫星和备份星分布在高度为1 200 km、倾角为87.9°的12个轨道面上，并且每个轨道面均部署49颗OneWeb卫星和5颗备用星。Starlink的轨道参数如表2所示。

▲图4 星座布局图

▼表2 Starlink低轨道参数

在互联网系统中，下行用户链路的传输速率比上行用户链路更高，使得相应的干扰变得更加严重。本文中，我们以下行链路为例进行仿真。

3.1 仿真场景与参数

OneWeb采用16个高椭圆波束（并列排布），可覆盖1 100 km2的正方形区域，如图5（a）所示。Starlink则采用灵活波束，其相控阵波束可以实现点波束300 km2的覆盖。对于需要较大点波束覆盖的区域，Starlink则可实现更大波束600 km2的覆盖。由于Starlink的频率复用方式未知，我们以四色复用的频率复用方式为例对16个用户波束进行仿真（考虑4个同频波束）。假设4个波束的覆盖面积均为600 km2，即覆盖半径约为14 km，波束半锥角为1.5°。在对热点地区进行仿真时，我们将灵活波束视为短时间内的凝视波束。此时，波束覆盖仿真区域。由上述参数可以看出，One⁃Web与Starlink的波束存在完全重叠的可能，其相对离轴角受卫星间的位置关系影响，并且这种影响会随时间发生变化。Starlink同色波束如图5（b）所示。

▲图5 仿真波束示意图

对于用户终端，我们采用随机分布的50个Starlink终端作为干扰链路的终端，并采用1个OneWeb终端作为受扰链路的终端进行分析。这些终端的分布中心位于江苏省南京市，如图6所示。具体系统仿真参数如表3所示。

▼表3 星座用户链路参数

▲图6 地面终端均匀随机分布示意图

3.2 仿真结果

72 h内OneWeb终端的载噪比、载干噪比和干噪比的仿真结果如图7和图8所示。其中，干噪比-12.2 dB或等效载干噪比损失0.25 dB被作为有害干扰发生的阈值。可以看出，由于多波束、多终端、集总干扰的存在，链路质量受损严重，绝大部分时刻均处于有害干扰范围。

▲图7 OneWeb终端的载干噪比与载噪比比较

▲图8 OneWeb终端的干噪比

为量化系统的可用时间，进一步得到干扰发生的概率和系统的可用时间百分比，我们对载干噪比和干噪比做进一步分析。相关累积分布曲线如图9和图10所示。

▲图9 OneWeb终端的载干噪比累积分布曲线

▲图10 OneWeb终端的干噪比累积分布曲线

通过图10可以看出，干噪比小于-12.2 dB门限值的时间百分比接近0，即系统不存在恶意干扰的时间几乎没有。这将严重影响系统的正常工作。同时，由于地面用户数量多、分布广，不同区域的用户密度不同，无法通过空间隔离来减缓干扰。因此，频率协调面临巨大压力，需要更加切实可行的干扰减缓措施。

4 结束语

NGSO互联网星座是未来空天地海网络的必然组成部分，但频轨资源的争夺是目前阻碍发展的重要因素。本文中我们针对未来低轨互联网卫星用户链路的空域和频域特点，梳理了同频干扰场景和干扰分析模型，并搭建了仿真分析平台，以Starlink和OneWeb星座为例进行了系统级干扰分析仿真计算。其中，所计算的卫星数达到了5 000颗以上。仿真结果表明，低轨星座间干扰十分严重，系统可用时间百分比不足10%，急需频率协调与干扰减缓。这同时也说明本文所提模型能够有效实现同频干扰分析。未来我们将针对各种不同场景下的系统共存问题进行更多的仿真计算，以持续推进本工作的研究进展。

致谢

本文的实验内容和仿真平台开发主要由南京邮电大学硕士研究生赵长林和陆远松完成，在此对他们的辛勤工作致以衷心的感谢！