低轨星座通信系统与地面IMT业务系统频率兼容性仿真方法.pdf
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1、2023 年 6 月 Space-Integrated-Ground Information Networks June 2023 第 4 卷第 2 期 天 地 一 体 化 信 息 网 络 Vol.4 No.2低轨星座通信系统与地面 IMT 业务系统 频率兼容性仿真方法 赵冬1,陈宏1,秦屹昂1,李辉2,李文越1(1.中国电信集团卫星通信有限公司,北京 100035;2.北京羽寻科技有限公司,北京 100191)摘 要:针对近年来低轨星座通信系统与地面 IMT 业务系统频率共用兼容性分析中,双方系统在时间维度、空间维度存在大尺度差异的问题,提出一种仿真建模方法,即在传统空间业务系统和地面 IM
2、T 系统建模仿真的基础上,增加以时空换算为手段的微观与宏观系统间映射关系进行建模的仿真方法。关键词:低轨星座;频率共用;仿真建模 doi:10.11959/j.issn.20968930.2023022 Simulation Method for Frequency Compatibility between LEO Constellation Communication System and Ground IMT Service System ZHAO Dong1,CHEN Hong1,QIN Yiang1,LI Hui2,LI Wenyue1 1.China Telecom Satelli
3、te Communication Co.,Ltd,Beijing 100035,China 2.Beijing Yuxun Technology Co.,Ltd,Beijing 100191,China Abstract:In response to the compatibility analysis of frequency sharing between low orbit constellations and IMT systems in recent years,which has caused large-scale differences in time and spatial
4、dimensions between the two systems,a simulation modeling method was proposed that added a mapping relationship between micro and macro systems used spatiotemporal conversion as a means of mod-eling on the basis of traditional space business system and ground IMT system modeling and simulation.Keywor
5、ds:low orbit constellation,frequency sharing,simulation modeling 0 引言 近年来,空间业务与地面业务频谱共用形势严峻,双方系统间的兼容性是决定星座通信系统与国际移动通信(IMT)业务系统各自进行全球布局的重大技术约束。传统卫星系统间、地面移动通信系统间的兼容性分析方法有各自的适用条件,在分析低轨星座通信系统与地面 IMT 业务系统的频率共用兼容性场景下具有宏观尺度仿真与微观尺度仿真缺乏融合手段的问题。地面系统(陆地移动通信系统,主要是以 5G/4G 为代表的采用 OFDM 方式的移动通信系统,以下统一称为地面系统)与空间系统(卫
6、星通信系统,以下统一称为空间系统)之间,存在系统工作时间、系统运行的空间、系统承载的用户、系统内业务特征等 4 个领域的巨大差异,如图 1 所示。进行地面系统对空间系统的干扰仿真工作时,必须进行特殊的处理和建模。本文以地面系统对空间系统的干扰场景为例,着重阐述微观与宏观相互转换的干扰建模方法,同时其也适用于空间系统对地面系统的干扰场景。由以上两个类型的系统自身特性和常用仿真手段来看,要进行地面系统对空间系统干扰的仿真分析和建模,必须解决空间系统、地面系统在上述方面的维度转换/统一的问题。1 总体解决思路 为解决上述问题,本文提出微观到宏观的建模与计算收稿日期:20230203;修回日期:202
7、30523 基金项目:民用航天技术预先研究项目(No.D030103)Foundation Item:Civil Space Technology Pre Research Project(No.D030103)第 2 期 赵冬等:低轨星座通信系统与地面 IMT 业务系统频率兼容性仿真方法 83 方法,总体思路如下。首先,在空间维度方面,卫星单次过境弧段内,跨越了多种陆地移动通信场景,如密集城区、城区、郊区等。以此维度区分移动通信场景的主要原因是,对于地面系统,这些场景内的网络拓扑和频率等参数配置存在显著差异。这些差异直接影响到对应区域产生的同频/邻频干扰强度和频度。以地面系统下行干扰空间系统
8、下行场景为例,微观系统对宏观系统干扰的空间关系如图 2 所示。图 1 空间系统(宏观系统)与地面系统(微观系统)间的时空尺度差异 图 2 微观系统对宏观系统干扰的空间关系 84 天地一体化信息网络 第 4 卷 针对微观空间维度到宏观空间维度的转换,提出以下核心解决思路:(1)以城市规模和密度为基本单位的等效过境区域建模;(2)以离散抽样为基础的地面系统干扰强度统计建模;(3)基于统计模型映射的等效干扰强度建模与仿真设计。在时间维度方面,地面系统与空间系统之间的差异是十分巨大的。微观系统对宏观系统干扰的时间关系如图3所示。地面系统仿真模型工作在毫秒量级,仿真时长约为几秒。空间系统仿真模型工作在分
9、钟量级,仿真时长在几十天,甚至一年。因此,无论在仿真步长还是仿真时长的角度,都无法直接对接两个系统。针对时域建模匹配的问题,核心解决思路如下:(1)微观系统时域统计模型建模与仿真设计;(2)宏观系统时域统计模型建模与仿真设计;(3)以时空换算为手段的微观与宏观映射建模。2 解决方案 2.1 系统特征差异分析 地面 IMT 系统和空间系统之间在时域、空域、承载用户业务方面的典型差异如下。(1)系统运行的空间领域特点分析 地面系统的拓扑单元是以基站为基本单元,按照蜂窝式连片拓展在地表区域的系统。对于每一个基站来说,其覆盖范围在几百米,甚至几千米的半径区域内。因此,地面系统仿真建模通常以若干个小区(
10、如 7 个小区、19 个小区等)组成的基站簇为网络拓扑单元。仿真关注处于这个基站簇内的多个用户的业务通信质量和干扰问题。卫星通信系统,特别是近地 NGSO 卫星通信系统,由于其卫星轨道的特性,模型的拓扑单元围绕着地球的NGSO 轨道空间。典型的 NGSO 通信链路是 NGSO 卫星与地面站之间的通信链路。卫星通信系统仿真传统建模是建立在 NGSO 星座与单个地面站之间的通信过程模拟,关注于 NGSO 星座围绕地球运行期间通信链路接受到的总的干扰强度。(2)系统工作时间域特点分析 地面系统采取的动态调度方案,以毫秒量级的时间频度灵活地分配基站与不同用户终端通信使用的无线资源。即使是与同一个用户通
11、信,其通信持续过程中,不同毫秒量级用户之间所使用的无线频率资源也会不同。且对于地面系统业务来讲,一次业务持续时间在几十秒到几分钟。受到移动通信业务本身特性的影响,一般仿真时长根据业务类型的不同在几千到上万个时间单元(毫秒量级的时间单元)。根据 NGSO 轨道特性,一般卫星一次回归周期在几十分钟到几小时。由于轨道特性导致卫星轨道并非严格回归,因此,业内进行卫星系统干扰仿真时,仿真时长相对较长。根据卫星系统干扰研究对象的差异,仿真时长最短几天,也有几十天、1 个月,最长不超过 1 年。(3)系统承载的用户 地面系统的用户持有移动手持终端,相对体积小巧。随着用户行走、乘车出行等活动,移动终端以不同速
12、度和 图 3 微观系统对宏观系统干扰的时间关系 第 2 期 赵冬等:低轨星座通信系统与地面 IMT 业务系统频率兼容性仿真方法 85 不同方向移动。因此,在进行地面系统用户建模时,以用户/业务激活率表示在全部待机的手机用户中,同时有业务产生的用户占比。NGSO 卫星通信系统的用户,主要在地球站。地球站站址普遍固定,且采取直径较大的接收和发射天线(相对于陆地移动通信的手机天线而言)。部分 NGSO 卫星通信系统也存在手持终端设备,主要用于专业通信网络的高可靠性全球通信业务。对于地球站来说,由于卫星可见的时段相对较短,因此地球站普遍以能够与一颗可见卫星建立通信链路的时段作为其业务的通信时间。(4)
13、系统内业务特征 地面系统承载的业务种类繁多,从概念上来说,分为宽带数据业务(以增强型移动宽带(eMBB)业务为典型代表)、超低时延和超高可靠性 3 种类型。根据 4G 和 5G实际业务发展情况来看,主要以eMBB业务为主。在eMBB业务中,可以根据数据内容特点进一步划分,比如视频会议、视频电话、即时短消息(例如微信)、语音通话(例如 VoNR、VoLTE)等。地面系统对数据业务普遍采用动态调度策略(语音业务采用半动态调度),动态调度周期在毫秒量级,因此,通常仿真步长按照调度周期设置,例如 1 ms 或 0.5 ms。由于 NGSO 卫星通信系统承载业务的特性差异较大,且卫星系统通信制式的限制,
14、一般卫星通信系统业务一次持续时间相对较长,使用的频率资源相对稳定。一般在干扰分析建模中,地球站与一颗卫星一次建链开始到结束的弧段内,两者间的通信链路频率不会改变。而 NGSO 卫星单次过境可见持续时间,根据轨道特性差异,从几分钟到几十分钟不等。由于上述卫星通信系统具有自身运行空间范围大、仿真时长长的特点,因此,在卫星通信系统干扰仿真建模中,通常以分钟量级为仿真步长。需要指出的是,上述无论是卫星通信系统仿真步长(分钟量级)还是地面系统仿真步长(毫秒量级),这里所说的仿真步长,以及整体仿真时长,其单位是对应于真实系统而言的,而这些时间长度并不是实际计算机软件运行每一次仿真计算的真正耗时,仅仅代表仿
15、真中不同系统的物理含义。2.2 总体架构设计 鉴于上述两个系统在空间、时间、用户和业务维度的明显差异,同时两种类型的系统在各自的行业领域关于系统级仿真均有一定的技术发展和积累,因此,本文总体架构设计,分别以地面系统独立仿真、NGSO 卫星通信系统独立仿真为核心模块,在两个核心模块的上层架设系统间干扰传递的模块,从而实现由微观的地面系统向宏观的空间系统的干扰信号传递和计算。如图 4 所示,总体架构由 3 个独立设计的模块组成。地面系统模块,核心基于地面系统的系统级仿真架构设计并实现。在参考 ITU-R M.21011完成系统架构的基础上,基于 3GPP TR 37.8422实现天线波束模型,基于
16、 ITU-R P 系列建议书或 ITU-R 报告既有模型设置传播模型,基于ITU-R M.21353计算基站与终端之间的路径损耗。此外,在对当前地面系统主要业务和发展趋势调研的基础上,针对以 eMBB 业务为典型代表的主要业务进行建模,丰富了地面系统仿真中的用户业务模型;参考采用地面蜂窝移动通信市场典型的用户渗透率、在网用户激活率等数据指标,以给定区域的人口总量为基数,折算某个时刻同时激活的用户数量,该用户数量是仿真中建模地面网络对卫星系统产生干扰量的重要技术数据。NGSO 卫星通信系统模块,以 NGSO 卫星轨道预测为空间位置计算的基础,围绕对地通信链路特征分别建模空地链路(下行)和地空链路
17、(上行)通信链路模型,建立Walker 标准星座和非标准星座的灵活星座建模方案,并建模空间系统常见的主要星座选星策略(最长可见、最大仰角等),基于 ITU 关于卫星干扰指标的相关标准分别实现C/I 等主要卫星通信系统干扰测算指标。NGSO 卫星通信系统模块接收来自微观到宏观转换模块处理的宏观等效干扰数据,并在 NGSO 卫星通信系统模型中叠加该干扰,计算最终作用在空间系统有用链路上的干扰信号强度并 图 4 总体架构示意 86 天地一体化信息网络 第 4 卷 统计干扰指标和干扰超标时间百分比。根据卫星通信系统干扰判定规则,判定干扰是否超出标准规定。微观到宏观转换模块,是整个系统的总控模块。该模块
18、负责根据卫星通信系统仿真参数(特别是轨道参数)换算出宏观系统涉及的微观场景分类。根据每种微观场景类型,首先计算微观场景下的地面系统部署场景(密集城区、城区、郊区、农村等)的数量、面积和规模;其次,针对每种部署场景设置该场景内的地面系统参数和其他仿真条件;再次,每个部署场景调用地面系统模块,得到该场景的干扰信号收集;最后,根据第一个步骤得到的微观和宏观的映射关系,叠加微观场景的干扰值(包括干扰的方向和在某方向上的等效干扰计算),输出给 NGSO 卫星通信系统模块。2.3 地面系统产生集总干扰的仿真建模 2.3.1 集总干扰的时空特征 相对于空间系统的大时空尺度,地面系统属于微观系统。其集总干扰特
19、性映射到仿真模型中主要包括如下4 个部分。(1)单元微观系统仿真调用。在一种确定的基站密度下,单元微观系统仿真是指地面系统仿真。地面系统到空间系统之间存在时空映射的需求,因此,在建立微观到宏观的干扰计算过程中,需要多次调用地面系统仿真得到不同基站密度(城区、郊区等)下的地面系统干扰结果。因此这一步骤解决如何根据待仿真的场景数量,有序调用地面系统仿真的问题。(2)统计特征等效建模。主要方法是以城市规模和密度为基本单位的等效过境区域建模。在这一步建模中,重点考虑的是过境区域所经历的城区/郊区/其他区域的规模和数量,如何将这些与具体地理位置进行等效的抽取。最终得到的统计特征,可以脱离对具体地理位置的
20、差异的个体性影响。通过这一步骤可对多个不同类型的地面网络场景区域进行配置,实现卫星可见弧段内的来自地面网络的综合干扰建模。(3)部署区域站点数目计算。在明确了以何种配置可以代表统计特征之后,需要对代表统计特征的配置内的每种部署场景(基站密度)进一步细化。细化的第一层次即计算部署场景内的基站数目。得到基站数目后,根据地面系统仿真的单次仿真基站数目可以得到该场景可以等效为调用地面系统仿真的倍数。这个步骤决定了单次运行地面仿真结果后叠加多少倍数用于得到等效干扰的问题。(4)微观系统仿真结果的统计等效。这一步骤,基于上述 3 个步骤的层层调用和换算,基于逐个仿真结果,最终计算得到统计等效后的干扰。2.
21、3.2 建模方案 上面主要解决微观系统到宏观系统映射过程的空间方位关系和集总关系。本小节主要讨论对微观系统(地面系统)和宏观系统(空间系统)进行干扰分析中的时间统计等效关系建模。对于地面系统而言,其数据业务占用的频谱资源是在毫秒量级的基础上动态变化的。尽管每一次调度占用的频率有细微的差异(在地面系统的工作带宽内,以 OFDM 子载波间隔的整数倍关系变换频率,这个变换关系取决于地面系统的同时通信用户数量和基站采用的资源调度算法)。对于空间系统而言,只要满足频率重叠即存在干扰风险,需要进行定量评估。考虑到每个 OFDM 子载波的带宽,在进行干扰计算的时候,需要根据地面系统调度分配的频率资源量决定叠
22、加的干扰频率宽度(OFDM 子载波的整数倍)。同时,地面系统一次业务的持续时间从几十秒到几分钟不等,而空间系统的业务持续时间一般是卫星地球站建链到释放的时间(仅考虑卫星地球站与所选卫星的一次连续通信时段)。根据 NGSO 卫星系统轨道参数的不同,单次可见持续的时间从十几分钟到几十分钟不等。由此可见,地面系统业务(干扰)持续的时间是远低于空间系统业务(有用信号)的。因此,不能直接将微观系统即地面系统计算得到的毫秒量级的干扰信号值直接在分钟量级的空间系统有用信号上叠加计算。由于时间维度尺度的差异,地面系统相对于空间系统又属于快变系统,因此,需要在地面系统单次仿真时长的时间范围内按照不同干扰强度持续
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