船载动中通与地面固定系统间兼容性研究

林 源，田 伟，顾 娜

（31007部队，北京 100000）

1 引言

动中通是应用卫星固定通信系统开展卫星移动通信的一种应用形式，在抢险、救灾、应急、演习、保障、处理突发事件等应用领域中有广泛的发展前景。按动中通地球站的搭载平台可分为机载动中通、车载动中通和船载船载动中通动中通等应用形式。其中船载动中通可为海事用户提供宽带服务，从而改善例如实时天气数据、安全通信等业务的通信质量，是本文关注的重点。

基于国际电信联盟（ITU）无线电频率划分表，Ka频段划分给卫星固定通信业务的传统频段包括17.7-21.2GHz和27.5-31GHz上下行各3.5GHz带宽的频谱资源。2015年召开的世界无线电通信大会（WRC-15）上，通过修改《无线电规则》[1]，明确了动中通在满足一定的技术限值条件下可以在19.7-20.2GHz及29.5-30GHz频段内部署使用。当前，随着高通量卫星技术的不断进步，对动中通的应用需求也越发增长，为了满足Ka频段动中通应用的用频需求，WRC-19研究周期正在研究动中通可用频谱资源的拓展问题，即能否将17.7-19.7GHz（空对地）和27.5-29.5GHz（地对空）频段用于动中通的问题，重点研究动中通与同一频段现有业务及其系统的兼容性问题，确保动中通对现有业务及其系统的保护，同时不对其未来发展造成额外的限制。

为此，本文围绕Ka频段船载动中通与地面固定业务固定通信系统系统的兼容性问题，开展了船载动中通对固定系统的干扰分析，基于研究结论，设置两个系统间的隔离距离，从而实现两个系统间的兼容共用。

2 干扰场景设置

两个系统间典型的干扰场景如图1所示，设定船载动中通波束指向静止轨道卫星（GEO）卫星，固定通信系统系统部署在岸边，这里考虑最坏情况，假设固定通信系统基站波束指向船载动中通，考虑船载动中通在固定通信系统基站-10dB波束宽度内航行时，波束旁瓣对固定通信系统系统的干扰。这里设定固定通信系统基站的-10dB波束宽度为θFS，-10dB，船载动中通的航行速度为vESIM，出海典型值为18.3km/h，fESIM为每年落在固定通信系统接收信道带宽内的船载动中通平均穿越次数，船载动中通在固定通信系统波束内的航行距离是dESIM，船载动中通与固定通信系统基站的间距为d。

图1 系统典型场景示意图

3 固定通信系统干扰保护标准

在25GHz频段，通过采样2716条固定通信系统基站链路，得出典型点到点（P-P）固定通信系统系统链路衰落余量与天线增益之间的对应关系如表1所示：

表1 天线增益与衰减余量对应表

结果表明在采样数据中，绝大多数（76%）固定通信系统链路的天线增益集中在35-36dBi，只有少数链路的天线增益为31.5dBi（3%）和43-47dBi（2%）。高的天线增益需要高的衰落余量，如上表所示，对应于31.5dBi、35-36dBi及43-47dBi增益的20百分位（80%的衰落余量高于该值）的衰落余量分别为10dB、13dB和19dB。

ITU负责地面固定通信系统的WP 5C工作组指出，10dB和19dB的衰减余量对应的短期干扰门限I/Nth分别为9dB和18dB，允许干扰超出门限值的时间百分比不大于0.001%。仿真时分别考虑船载动中通对点到点（P-P）及点到多点（P-MP）固定通信系统系统的干扰，对于P-P系统，考虑固定通信系统最大天线增益分别为45dB、35dB及31.5dB。对于P-MP系统，选取固定通信系统典型最大天线增益分别为25.5dB和22dB，相应的干扰门限同样为9dB，从而得到两种系统下天线增益与干扰保护标准之间的对应关系如表2所示。

表2 天线增益与干扰保护标准对应表

4 干扰分析方法

4.1 传输损耗

当干扰噪声功率比的门限值（I/N）th给定时，系统允许的最大干扰功率可由公式（1）计算为：

式中，k为波尔兹曼常数；TFS为固定通信系统接收机的系统噪声温度；BFS为固定通信系统接收机带宽。

则满足干扰保护标准的最低传输损耗为：

式中，Lmin为满足干扰保护标准时的最小传输损耗；Pt，max为船载动中通天线输入端的最大发射功率；Gt为船载动中通天线在固定通信系统方向上的天线增益；Gr，ave为固定通信系统接收天线-10dB波束宽度内的平均天线增益。Imax为由公式（1）求得的最大干扰功率，F为固定通信系统天线到低噪声放大器的馈线损耗。

4.2 传播模型

在分析中，采用ITU-R P.452建议书[2]中的传播模型，由于船载动中通只是在通过固定通信系统基站-10dB波束宽度内时才对固定通信系统有干扰，这里主要考虑短期干扰对系统的影响。在模型计算中，直接将短期干扰保护标准中的时间百分比Ps作为传播模型中的输入参数P是不正确的，这里的P是指不超过所要求传输损耗的时间百分比。二者之间的换算关系与船载动中通的离岸距离d有关，具体而言：

在已知船载动中通的离岸距离d时，船载动中通在固定通信系统基站-10dB波束范围内的航行距离为：

进而求得船载动中通在固定通信系统基站-10dB波束范围内的航行时间为：

折算出的干扰概率为：

最终求得最小传输损耗Lmin（p）不被超过的时间百分比为：

4.3 迭代流程

利用离岸距离d和时间百分比P之间的换算关系，我们可以按照如图2所示的迭代流程图，反复迭代计算，换算出满足最小传输损耗，进而满足固定通信系统基站干扰保护标准的保护距离dpro及相应的时间百分ppro。在迭代过程中，设定δpro为参考门限，仿真时设为0.1km，当两次迭代的离岸距离之差小于参考门限时，迭代结束，此时的离岸距离d即为保护距离dpro。n为迭代次数，初始时（n=0）假设船载动中通对固定通信系统一直有干扰，即：pESIM（0）=1。

图2 迭代计算流程图

5 系统仿真参数设置

5.1 固定通信系统参数

仿真时设定固定通信系统基站的带宽为14MHz，其具体仿真参数和计算出的最大干扰功率Imax及时间百分比sp如表3所示：

5.2 船载动中通系统参数

按照ITU第156号决议要求，在27.5-29.5GHz 频段，无论动中通部署在什么类型平台上，其EIRP 偏轴功率谱密度需满足表4的限值要求。

为了使到达GSO处功率谱密度一致，在低仰角工作情况下，考虑到增加的距离和大气吸收的影响，动中通需要更高的EIRP发射功率。表5给出了低仰角条件下的EIRP功率谱密度修正因子。

表3 固定通信系统参数

表4 动中通的偏轴功率谱密度限值

表5 动中通功率谱密度修正因子

典型的船载动中通系统参数值由表6给出，其中水平方向最大的EIRP谱密度由表4中给出的40kHz带宽下的取值（决议156）折算得出。在估计船载动中通的穿越次数fesim时，以英国东南部业务繁忙的多佛港口为例，依据2016年的统计数字，每年到港船只到达和离开港口次数平均为17497次，即平均132次/天。假设船载动中通的工作带宽在27.5-30GHz频带内均匀分布，则工作在27.5-29.5GHz频带内的船载动中通到达和离开港口次数约为106次/天。对于14MHz的典型固定通信系统信道来说，落在固定通信系统接收带宽内的船载动中通到达和离开港口次数大约为0.74次/天，因此仿真时选取的船载动中通到达和离开港口次数分别为0.5次/天及0.98次/天。

表7 船载动中通与P-P固定通信系统基站间的保护距离

6 仿真结果

仿真时基于ITU-R P.452建议书提供的传播模型，采用100%水面路径，取ΔN=70（SF.1650中最坏情况下的取值），不考虑散射损耗及地形的影响。得到船载动中通与P-P及P-MP固定通信系统基站之间的保护距离。这里分别考虑了固定通信系统基站位于海岸线上，以及距海岸线一定距离的情况，动中通天线偏轴角分别取20度和36度。

表8 船载动中通与P-MP固定通信系统基站间的保护距离

可以看出，当固定通信系统沿海岸线布设时，离岸距离等于保护距离；当固定通信系统基站布设在距海岸线一定距离时，船载动中通的离岸距离相当于保护距离减去相应的固定通信系统布设距离，当然，如果考虑地形和地物的遮挡损耗，离岸距离将大大降低。对于点到点固定通信系统系统且基站沿海岸布设时，船载动中通的最小离岸距离分别为62.8940km（45dB）、56.5791km（35dB）和56.5791km（31.5dB）。对于点到多点固定通信系统系统，最小离岸距离分别为27.5012km（25.5dB）及24.8543（22dB）。当固定通信系统基站离岸布设时，对船载动中通所要求的离岸距离会进一步降低。

仿真结果表明，即使在最坏情况下，船载动中

7 结束语

本文分析了船载动中通地球站对地面固定业务系统的干扰情况，分别考虑了P-P及P-MP两种类型的固定通信系统，评估了船载动中通偏轴角分别为20度和36度时，二者之间的保护距离。仿真结果表明，在一定的技术和操作限值条件下，二者是可以兼容共用的。Ka频段的拓展应用，将更有利于满足动中通系统日趋增长的频率需求，有效推动我国动中通系统的发展步伐。

[1] 无线电规则，2016.

[2] ITU-R P.452-15，Prediction procedure for the evaluation of interference between stations on the surface of the Earth at frequencies above about 0.1 GHz，2013.

[3] ITU-R SF.1650-1，The minimum distance from the baseline beyond which in-motion earth stations located on board vessels would not cause unacceptable interference to the terrestrial service in the bands 5 925-6425 MHz and 14-14.5 GHz，2005.

[4] ITU-R F.1245-2，Mathematical model of average and related radiation patterns for line-of-sight point-to-point fi xed wireless system antennas for use in certain coordination studies and interference assessment in the frequency range from 1 GHz to about 70 GHz F Series Fixed，2012.

[5] ITU-R F.1336-4，Reference radiation patterns of omnidirectional，sectoral and other antennas for the fi xed and mobile services for use in sharing studies in the frequency range from 400 MHz to about 70 GHz，2014.