相邻卫星间干扰计算及协调方法

贾玉仙

（中国卫通集团有限公司，北京 100094）

1 引言

当两个频率相同、覆盖区重叠的卫星轨道间隔较近时，两个卫星上工作的网络之间将会产生相互干扰，简称邻星干扰。双方网络的卫星运营商（操作者）需要根据无线电规则的相关条款及建议进行干扰计算，并进行协调谈判。协调谈判的策略制定，跟双方之间的地位优先权有很大关系。通常而言，较早到国际电联登记的网络具有优先地位，可要求地位落后的卫星网络采取有效措施消除干扰后再行使用。协调地位的判定比较复杂，需要对两个网络登记的每个参数进行分析，包括转发器频率计划、业务性质、覆盖区域、地面天线大小等。在协调过程中，干扰的计算分析是协调谈判的基础技术依据。

频率协调是卫星运营商的日常重要工作之一，通常都配备专业的频率协调团队，与周边有潜在干扰的相邻卫星操作者进行长期艰苦的干扰分析与协调谈判工作。然而，不仅频率协调人员应该具有熟练的干扰计算与分析能力，作为卫星网络的业务管理人员、网络设计人员，也应掌握一定的邻星干扰的机理以及计算分析方法，以能够与网络设计、链路计算、业务管理融会贯通，起到有效的相互参考与指导作用。本文将介绍邻星干扰的计算与协调方法。

2 干扰计算方法及分析

邻星干扰示意图如图1所示。图中，本卫星用A表示，相邻卫星用B表示，实线部分为本星与邻星系统自身的通信链路，虚线部分为邻星系统对本星系统的干扰链路。邻星干扰分上行干扰和下行干扰，上行干扰是邻星系统中地球站发射的信号通过天线旁瓣泄露到本卫星形成的干扰，下行干扰是相邻卫星发射的信号通过本星系统中接收天线的旁瓣形成的干扰。

图1 邻星干扰示意图

根据无线电规则附录8，当邻星干扰信号对本星接收系统引起的卫星链路等效噪声温度视在增量超过6%时，则需要进行协调，反之被视为无有害干扰而无需协调。因而6%的门限通常被作为完成协调的初始目标，也作为两个网络是否存在干扰的判定标准。

当用i表示干扰信号对本卫星系统引起的卫星链路等效噪声温度（真值），n表示本卫星链路自身的等效噪声温度（真值）时，上述协调要求则表达为：

当以分贝形式（用大写字母表示）表达时，则为：

在频率协调与链路计算中，通常用载波功率与干扰功率之比（简称载干比）来表示干扰信号对工作信号的影响程度。对载干比的要求则与链路自身的载噪比（载波功率与等效噪声温度之比）门限相关，则式（2）可转换为式（3）：

式（3）中的要求是针对链路总系统，其参考点是在一条卫星链路中接收地球站。当两个卫星的上行频率和下行频率都重叠时，通常对上、下行链路的干扰分别计算。为了满足总链路的上述要求，通常采用上、下行链路载干比门限比系统要求分别增加3 dB的方法，则为：

式中，C/Iup.th为上行链路载干比门限（dB）；C/Idn.th为下行链路载干比门限（dB）；C/Nth为系统链路载噪比门限（dB）。系统C/Nth取决于载波带宽、传输体制和接收设备性能，由式（6）得出。

式中，Eb/N0为设备解调门限，为每比特信号能量与每赫兹噪声功率之比（dB）；Rs为载波信息速率（dBHz）；BWo为载波占用带宽（dBHz）；M为系统要求余量（dB）。

在一个卫星上，通常会有很多种类的载波，当一个网络在国际电联登记时，为了确保网络使用的灵活性，会申报各种不同类型的载波。但在实际频率协调中，通常会选其中几个典型载波类型进行干扰计算。当载波类型选定后，C/Nth的值则可确定，载干比门限相应确定。

以下依据该载干比门限要求分别对上行链路和下行链路的干扰进行分析。

2.1 上行链路干扰计算及协调方法

上行链路的干扰计算通常采用如下流程。当本卫星系统的某上行站发射一个载波时，在卫星接收天线输出端产生的载波功率与等效噪声温度之比（C/Tup）为：

式中，Pet为地球站功放发射功率（含馈线损耗，dBW）；Get为天线发射增益（dBi）；Lu为上行路径损耗（dB）；G/Ts为卫星接收品质因数（dB/K）。

当相邻卫星系统频率相同的某上行站对其卫星发射一载波时，由于发射天线的旁瓣泄漏，到达本卫星接收天线输出端产生的干扰载波功率与等效噪声温度之比（I/Tup）为：

式中，Pet'为干扰地球站功放发射功率（含馈线损耗，dBW）；Gфt'为干扰地球站天线在本卫星方向的偏轴发射增益（dBi）；Lu'为干扰地球站到本卫星的上行路径损耗（dB）；G/Ts'为本卫星在干扰地球站方向的接收品质因数（dB/K）。

上行链路载干比C/Iup则为C/Tup与I/Tup之差，结果为：

式（9）中假定本星系统地球站与邻星系统的地球站到达本星的距离以及路径损耗相当。

在实际业务中，两个卫星的载波带宽通常都不同，当干扰载波带宽大于工作载波时，干扰载波的功率只会有部分能量对本星载波造成干扰，此时，上行载干比则需在式（9）的基础上相应减少两个载波的带宽比例，该比例被称为带宽因子，如式（10）所示。当干扰载波带宽小于工作载波时，则有可能会有其他的载波频率落到本星工作载波频率内，而干扰到本星工作载波，假定其他载波的功率谱密度与已有干扰载波的功率谱密度相等而且频率占满时，最终载干比则需要在式（9）的基础上增加两个已知载波的比例，即为带宽因子。同样用式（10）可满足此计算要求：

式中，BWo为工作载波带宽（Hz）；BWo'为干扰载波带宽（Hz）。

在实际转发器业务频率安排中，通常会有各种不同带宽的载波分布在部分或全部转发器内，同时由于两个卫星的载波频率错位，使得相互间的干扰变得比较复杂。在频率协调中，通常会基于最坏情况，也是相对比较简单的计算条件，假定两个卫星都分别以某一特定的功率谱密度布满不同带宽的载波，此时，两个卫星间的干扰则可以不用考虑载波实际带宽与带宽因子，而是以功率谱密度的概念进行计算，式（10）则转换为式（11）：

式中，PDet为本星系统地球站功放发射的功率谱密度（含馈线损耗；dB(W/Hz)）；PDet'为邻星系统地球站发射的功率谱密度（含馈线损耗，dB(W/Hz)）；EIRPDet为本星系统地球站发射的EIRP谱密度（dB(W/Hz)）；EIRPDфt'为邻星系统地球站在本星方向发射的偏轴EIRP谱密度（dB(W/Hz)）。

该C/Iup的结果根据式（4）进行判定后，得出干扰余量Mup：

当Mup≥0时，则被视为无有害干扰；当Mup<0时，则认为会存在有害干扰。此时，通常的措施是要求EIRPDфt'加上Mup后得出对相邻卫星系统干扰地球站的限制值。考虑到该EIRPDфt'的限制大小跟干扰地球站的地理位置有关（因为跟G/Ts'有关），所以限制条件通常表现为如下形式：

位于本星接收天线等值线图-XdB圈上的干扰地球站在本星方向的偏轴EIRP谱密度不超过（EIRPDфt'+Mup）+X（dB(W/Hz)）

上述表达方式是频率协调中常用的限制条件表达形式。相邻卫星的操作者实际应用时需要应用该限制条件反推干扰地球站的发射功率，此时需要计算干扰地球站天线的偏轴发射增益，该偏轴发射增益的计算需要依据无线电规则附录8，或者建议580。这些规则和建议中，主瓣、第一旁瓣和远旁瓣的偏轴增益计算公式都不同，需要根据天线尺寸、工作频率、轨道间隔做具体计算。

从上述分析可以得出如下几种消除上行干扰的措施：

⊙ 邻星系统的发射地球站采取较大天线，此时其功放发射功率较小，从而EIRPDфt'较小。该措施只能在双方友好协商的前提下，通过个别转发器的业务安排来实现。例如，要求某转发器传输电视载波，此时上行地球站天线会较大，从而避免对其他卫星的干扰。

⊙ 邻星系统中小口径天线发射地球站位置设在本星接收天线某G/Ts等值线圈外，此时，干扰地球站的EIRPDфt'要求则可相应放宽，扣除天线旁瓣增益后，功率谱密度与指向其自身系统卫星的EIRP谱密度都相应增加，则可保证其自身链路的正常通信。

⊙ 两个卫星网络在覆盖区重叠的区域工作的地球站最小天线口径提出限制要求，选用大天线。

⊙ 在邻星系统传输VSAT业务的转发器频率上，本星安排饱和转发器业务（如电视业务）。此时，即使邻星系统中小口径天线的发射站对本星造成上行干扰，但由于其带宽较窄，同时位于覆盖重叠区的小口径干扰站的数量有限，对本星饱和转发器业务的干扰则由于实际产生的干扰少而最终不会造成有害干扰。

2.2 下行链路干扰计算及协调方法

下行链路的干扰计算思路与上行链路类似。当本星转发器传输一个载波时，在接收地球站天线输出端产生的载波功率Cdn为：

式中，EIRPs为载波卫星EIRP（dBW）；Ld为下行路径损耗（dB）；Ger为地球站接收增益（dB/K）。

当邻星转发器传输一个与本星载波频率相同的载波时，到达本卫星系统地球站接收天线输出端产生的干扰功率Idn为：

式中，EIRPS'为相邻卫星在本卫星工作地球站方向的EIRP（dBW）；Gфr为本卫星工作地球站天线在相邻卫星方向的偏轴接收增益（dBi）；Ld'为相邻卫星到本卫星工作地球站的下行路径损耗（dB），视为与Ld近似相等。

下行链路载干比C/Idn则为Cdn与Idn之差：

与上行链路的干扰计算类似，计算下行链路的干扰时，考虑到两个卫星上工作的载波带宽的差异和不确定性，为简化计算，通常也基于最坏情况，也是相对比较简单的计算方法，即假定两个卫星上的载波都分别以某一功率谱密度布满整个转发器，此时，两个卫星间的下行干扰则可以用功率谱密度的概念进行计算，式（15）则变化为：

式中，EIRPDs为本卫星在工作地球站方向的EIRP谱密度（dB(W/Hz)）；Ger为地球站主轴接收增益（dBi）；Gфr为本卫星系统接收地球站天线在相邻卫星方向的偏轴接收增益（dBi）；EIRPDs为相邻卫星在本卫星系统接收地球站方向的EIRP谱密度（dB(W/Hz)）。

该项C/Idn的结果根据式（5）进行判定后，得出干扰余量Mdn：

当Mdn≥0时，则被视为无有害干扰；当Mdn<0时，则认为会存在有害干扰需要协调。此时，通常的措施是要求干扰EIRPDs'的值加上Mdn后得出对相邻卫星的限制值。考虑到该EIRPDs'的大小跟本卫星系统工作地球站的地理位置有关，所以限制条件通常表现为如下两种形式：一种是相邻卫星在本卫星系统工作区域的任何地方的EIRP谱密度都不超过（EIRPDs'+Mdn）dB或其他值；另一种是减去相邻卫星的天线方向图后，相邻卫星转发器的功率谱密度不超过相应值。

从式（16）可以看出，对相邻卫星EIRPDs'的限制值与本卫星工作地球站的天线尺寸有关（因为与Ger，Gфr有关），所以选择接收站天线口径成为是否可以达成协调的重要条件之一。在目前VSAT业务与广播业务较多的状况下，由于大量接收天线都是小口径天线，所以频率协调中通常会在规则许可范围内选择较易受到干扰的小口径天线类型进行协调，以保护其他口径天线的业务。

从上述分析可以得出如下几种消除下行干扰的措施：

⊙ 在两卫星覆盖重叠区使用较大口径的接收天线。

⊙ 在本卫星传输饱和转发器业务的频率上，邻星系统安排非饱和转发器业务。此时本星转发器饱和工作，下行EIRP较大，邻星系统转发器由于工作在多载波状态而需要有一定功率回退而工作在线性区，此时转发器整体下行EIRP减少，同时减小了对本星接收站的干扰。

从上述分析过程可以看出，频率协调基于最坏情况也是简单的分析方法，即转发器上的功率均匀分布，在此基础上双方探讨解决干扰的措施并最终达成协调。这就给实际业务的运行管理提出了要求，即转发器业务运行管理时，也应要求各载波在卫星上占用的功率在总体功带平衡的基础上，功率谱密度也不应超过平均值。否则当某一个或多个载波功率谱密度过高时，将会打破与相邻卫星之间的协调结果，从而形成干扰。卫星运营商通常会把该超量限制在3dB以内。

2.3 其他

上述对上行链路和下行链路干扰的分析中，都基于国际电联12.2 dB的保护要求。在实际频率协调中，随着卫星的增多与轨位间隔的减小，协调难度越来越大，卫星操作者通常会本着友好协商的态度根据实际情况适当放松该条件，比如将6%的保护要求最多放松到20%，此时12.2 dB的要求则减小为7 dB。这样使双方能保证网络基本兼容的前提下达成协调的可能性大大增加。

上述计算基于两个网络上行链路和下行链路频率都重叠的情况，当其中只有一个链路方向频率重叠时，被干扰的单向链路中12.2 dB（或7 dB）的保护比则无需另外增加3 dB。

上述计算针对频率完全相重叠的转发器业务之间的干扰，对于纯粹两个载波间干扰的特殊情况，如一个遥测信号由于频率重叠造成对一个工作载波的干扰，C/Idn的计算则完全使用式（15）进行计算，而无须考虑带宽因子。毕竟C/I本质上还是最终载波功率与干扰功率的比较。

3 计算示例

以下给出一个邻星干扰计算及协调的示例。

假定两个卫星标称轨道间隔2.5°，轨位保持精度都为0.05°，上、下行频率相同，覆盖区大部分重叠，标准C频段，上行频率6 GHz，下行频率4 GHz，两个卫星覆盖区部分重叠。两个卫星都是VSAT业务，SCPC载波，C/Nth=8.47 dB。两个系统中发射站与接收站天线口径都为2.4米（基本为最坏情况）。

3.1 顶心角（ф）计算

顶心角指地球站到本星的连线和地球站到邻星的连线之间的夹角，该角度用于计算干扰站的偏轴发射增益和工作地球站的偏轴接收增益。

考虑最坏情况时，假定两个卫星都位于轨道保持精度内距离最近的位置，此时轨位最小间隔为2.4°。根据粗略的计算经验，顶心角ф大约为轨位间隔的1.1倍，即2.64°（精确计算时，顶心角则与地球站的位置有关系，详见无限的规则附录8）。

3.2 上行干扰计算

已知：

根据式（11）：

Mup<0，说明存在潜在有害干扰。

为了消除该干扰，可对邻星上行发射提出如下限制要求：位于本星接收天线等值线图-X dB圈上的干扰地球站在本星方向的偏轴EIRP谱密度不超过（EIRPDфt' +Mup）+X=-35.58+X（dB(W/Hz)）。

3.3 下行干扰计算

已知：

根据式（16）：

Mdn<0，说明存在潜在有害干扰。

为了消除该干扰，可对邻星下行发射提出如下限制要求：相邻卫星在本卫星系统工作区域的任何地方的EIRP谱密度都不超过（EIRPDs'+Mdn）=（-38.6-5.97）dB(W/Hz)。

从实际运行角度来看，让任何一家操作者的卫星功率不充分利用是不大现实的，需要双方友好妥协。对于本例而言，如果双方能够将保护门限由12.2 dB放宽到7 dB，余量则接近于0 dB，说明实际运行中基本不会产生下行有害干扰，双方网络基本可以共存。

4 结束语

频率协调是一项长期艰苦的任务，不仅代表卫星操作者的利益，也关乎国家之间的空间轨位权益。频率协调与业务运行管理之间是相辅相成的关系。频率协调的成败不仅在于准确的计算，更取决于制定正确的协调策略。而正确的协调策略制定，需要精通无线电规则以及准确的干扰计算外，还需要充分了解实际业务及运行管理，并跟踪卫星通信技术的发展。而对于用户业务管理而言，只有在了解频率协调的内涵和策略后，才能够有效指导用户网络的设计和管理，使得卫星网络的管理不拘泥于频率协调即抽象又严格的协调结果，适度突破、灵活遵守，使得卫星频率资源真正能够充分有效地利用。

频率协调的目的不是协调本身，终极目的还是使频率资源能够充分、合理、尽早地利用起来。让从事业务运行管理与网路设计的人员了解一些频率协调与干扰计算的方法，这是本文的目的所在。