低轨卫星物联网与地面物联网间同频干扰研究

吴翔洲 柏会凯 杜吉庆

南京熊猫汉达科技有限公司

0 引言

物联网能直接改变整个人类社会的生产方法，其中，窄带物联网技术更是凭借其自身待机时间长、能耗低以及覆盖面广等优势，逐渐成为一种代表性的低功耗广域网技术。窄带物联网技术的应用需要在地面设置基站，建设成本偏高，并且受地理条件等因素的影响，目前仍有部分区域无法建设地面基站和通信网，为此，需要将卫星物联网当成地面物联网进行有效扩展和延伸。

1 干扰场景分析

地面物联网和卫星物联网两者之间干扰场景如下。在卫星物联网对应上行链路中，地面物联网装置容易干扰卫星物联网；而在地面物联网相关下行链路中，卫星物联网装置也容易对地面物联网形成下行干扰。除了LTE系统和卫星通信系统之间形成上下链路之间的同频干扰以外，多波束卫星天线波束同频复用以及卫星通信系统覆盖下蜂窝小区对应同频复用技术也给卫星通信系统带来上下行同频干扰。

低轨卫星通信系统在实际运行中具有传播损耗小、功耗低、传输时延短等特征，因此成为卫星物联网建设实现的基础选择。频谱资源有限、覆盖范围较广，卫星物联网在初步接入海量物联网设备的过程中，需要和地面现存物联网之间实现共享频谱。卫星和地面之间物联网上下行干扰成为当下的主要研究问题。

2 干扰方法分析

2.1 上行干扰

结合卫星物联网以及地面物联网处于共享频谱条件下上行干扰场景分析，参考铱星系统对应波束覆盖状况，分析得知卫星对应点波束的数量一共为48个，选择12个色频率复用，而一个卫星主要覆盖范围在4个同频复用波束区域，单纯结合卫星小区以及地面小区两者之间干扰考虑来看，卫星同频小组之间干扰并不属于考虑范围内。

因为卫星物联网尚未推出统一的行业标准，本文主要选择通过依次改变物联网相关设备发射功率、设备数量，来调整星下点方向的夹角，模拟卫星在不同覆盖范围下所属干扰场景内的物联网设备对卫星物联网造成的干扰程度。

2.2 下行干扰

卫星对地面物联网相关设备会形成下行干扰。结合铱星系统相关运行参数，卫星物联网内的单独卫星对应覆盖区域整体直径在4 700 km左右，所以卫星波束会进一步覆盖至城市区域内的地面物联网区域，导致对相关地面设备形成某种下行干扰。同时，卫星物联网对应卫星星座内存在66颗卫星，以6个极地圆轨道为核心绕行，大部分条件下，地面物联网对应运行设备所承受的下行干扰来源，也就是说，卫星个数并非只有一种，而是应该与此刻覆盖至参考地面物联网设备全部卫星个数一致。

单独卫星对于地面物联网相关运行设备所形成的干扰，在计算下行干扰链路过程中，基本和上行干扰链路计算过程一致。卫星通信系统在和地面LTE系统处于共享频率条件下，对应下行干扰和上行干扰抑制，主要差异是用户设备、地面通信基站以及卫星多波束天线同频复用等条件下形成的下行干扰，是卫星物联网设备主要下行干扰来源，地面系统所承受的下行干扰源始终保持不变。为此，在计算中只需替换干扰参数。

3 仿真结果分析

3.1 上行干扰仿真结果

部分卫星物联网以及地面物联网对应链路参数如表1所示。

表1 卫星物联网以及地面物联网之间链路参数

卫星物联网设备处于不同发射功率条件下，对应卫星接收载干比的波动变化也会有所不同。随着卫星物联网对应覆盖区域内设置的物联网设备数量扩大，载干比提升，则干扰程度也相继上升。在卫星物联网相关设备对应发射功率的上升，对应载干比降低，干扰水平下降。地面物联网对应设备设置数量主要是处于相同时刻中信号发射较为活跃的设备数量，通常在地面物联网所有设备总和中大概占据10%，而室内地面物联网装置在地面物联网的设备总和中大概占据80%，其对卫星形成的上行干扰功率会出现额外的墙壁传播损耗，在25 dB左右。分析结果发现，卫星物联网对应设备信息发射功率会超出大约5 W。

从卫星物联网对应设备信号发射方向、星下点方向对应夹角、地面设备设置数量等不同条件入手，分析其形成的上行干扰。假设卫星物联网对应设备发射功率是7 W，则将10 000种地面物联网装置当成干扰源参考数量，如果系统要求C/I大于9 dB，卫星物联网相关设备的信号发射方向以及星下点之间夹角则低于20°。

3.2 下行干扰仿真结果

随着地面物联网相关设备覆盖范围的不断扩大，其下行链路范围内的传播损耗进一步增加，所产生的干扰程度相继提高。随着地面物联网相关装置发射角度以及星下点之间夹角的扩大，卫星下行链路所覆盖内的空间传播损耗相继扩大，降低了整体干扰水平。而地面物联网相关C/I设定阈值是9 dB，通过分析可知，地面物联网相关基站小区半径低于1.5 km。将地面物联网基站对应覆盖面积设置为1.5 km，分析24 h之内多个卫星对参考地面相关物联网设备形成的下行干扰波动状况可知，地面上的物联网装置C/I在多星覆盖卫星数量呈现出较大曲线变化的条件下，基本能够满足地面物联网干扰要求。考虑城市内地面物联网相关小区半径是0.5 km，城市内地面物联网小组能够承受卫星物联网所形成的下行干扰。至于部分人数较少的地区，比如农村、山区等，在地面物联网相关数量限制以及基础设施成本等因素的影响下，对应物联网覆盖半径普遍会超出1.5 km，为此，对于部分农村、山区等人口较少的区域，应该对卫星物联网以及地面物联网间现存的地下干扰实施抗干扰优化设计。

本研究对卫星物联网以及地面物联网在实际运行中处于共享频谱条件下所形成的上下行干扰程度以及干扰场景实施仿真分析。仿真结果表明，在当下的假设参数状态下，为了进一步控制卫星物理网所受的上行同频干扰，卫星物联网对应设备发射功率需要控制在5 W以上；卫星物联网设备在面向卫星进行信号发射时，应尽量选择卫星对应星下点以及地面发射方向之间夹角低于20°的卫星实施通信。为了有效控制下行同频对地面物联网相关设备造成的干扰和影响，需要尽量把地面物联网覆盖半径减小到1.5 km之内。同时，也要注重对不同场景的建设。例如，在城市环境下，对应物联网覆盖半径满足上述条件；处于人口密度较为稀疏的地区，地面设置的物联网设备数量有限，基础实施建设成本高，对应覆盖半径也许会超出2 km，需要不断优化系统之间的抗干扰能力。在实际运行中，卫星物联网需要同时接入海量设备，需要采取有效措施不断提升系统抗干扰能力，并实时监控系统之间的干扰水平，当存在较为严重的干扰问题时，需要针对系统实施有效的协调处理，实现智能控制。

4 结束语

综上所述，在实际运行中，地面物联网和低轨卫星物联网之间容易出现同频干扰等现象，从而影响整个物联网的运行质量，为此，需要进行深入分析，根据实际情况制定有效的解决措施，以顺利实现万物互联的物联网为发展目标，提高卫星物联网的可行性。