作者：匡麟玲 靳瑾 姜春晓 吴胜 陆建华 于全
出版社：人民邮电出版社有限公司
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空间信息网络协同传输与资源管理试读：
前言
空间信息网络是以空间运动平台（包括卫星、飞艇和飞机）为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统，向上可支持深空探测，向下可支持对地观测、通信传输、时空基准等应用。空间信息网络具有不依赖地面站点、全球化广域覆盖、带宽分配灵活、业务应用多样、网络可拓展性强等独特优势。为了抢占未来网络的发展先机，各大国纷纷启动了空间信息网络相关的研究项目，研究涉及空间信息系统的基础理论和关键技术、相关的基础设施以及系统应用等各个层面。
与地面信息网络相比，空间信息网络仍处于早期研究阶段，尚未形成特定的网络体系架构。发展空间信息网络的困难在于大时空尺度下的网络与信息理论尚未建立，面临受限空间资源下的大时空跨度网络体系结构、动态网络环境下的高速信息传输、稀疏观测数据的连续反演与高时效应用等基础性的科学挑战。其核心基础难题在于大时空跨度下的空间信息网络建模和动态组网、时变空变网络的高速信息传输以及稀疏观测数据与连续信息服务的矛盾。此外，空间信息网络的系统容量、响应时间、安全性能等指标设计及优化也面临着新的挑战，迫切需要技术架构、协议体系和应用服务等创新。
在空间信息网络中，信息传输技术是提升信息时效性的重要手段，需要在大尺度时变、空变的环境下提供端到端高速可靠传输。相比于传统传输理论研究考虑的平稳链路、独立同分布噪声、泊松无记忆业务的场景，空间信息网络中信息传输场景更加复杂：首先在辐射/接收机制方面，由于距离远且方位变化频繁，链路体现出显著的非平稳特性；其次，在网络节点环境，由于空间信息网络的广域覆盖和空间开放等特点，节点的耦合干扰特征显著；最后，在业务需求上，需要从无记忆随机请求模式转变为可规划的过程模式。空间信息网络发展面临新的科学与技术难题，需要突破常规框架。本书主要研究成果在国家自然科学基金委员会“空间信息网络基础理论与关键技术”重大研究计划支持下完成。围绕空间动态网络高速传输理论与方法的科学问题，从空间动态网络传输和资源优化方法出发，重点关注了3个关键基本问题：空间频谱资源使用和共享方法、空间多波束信号协同处理方法，以及空间资源管理和优化。
本书的第一部分为空间信息网络频谱共享。第2章介绍系统间同频共存的相关无线电规则框架及同频干扰分析模型；第3章主要研究GEO与NGEO通信系统的频谱共享问题；第4章讨论NGEO通信系统间的同频干扰问题；第5章针对GEO系统、感知NGEO系统和干扰NGEO系统共存的场景，考虑卫星通信系统多级功率控制的实际工作方式，研究了频谱感知技术的应用。第二部分为空间信息网络多用户信号协同处理问题。第6章建立空间信息网络多波束模型；第7章介绍多波束多用户协同信号处理方法，提出反向波束内和波束间干扰处理技术；第8章研究星地协同网络中的干扰估计与消除方法。第三部分为空间信息网络资源管理与优化。第9章以中继卫星系统为例，研究了空间天线资源的任务调度问题；第10章研究了空间异构网络一体化资源管理方法；第11章研究空间信息网络用户的资源竞争行为，提出了基于重复博弈的资源管理架构；第12章针对星地协同网络的联合资源管理问题，提出了两种星地协同网络资源分配方法。
本书作者所在的科研团队多年来一直致力于空间信息网络协同传输与资源管理等方面的相关研究工作，具有较好的理论及工程实践基础。
在此，我们要感谢一起奋斗的同事们，包括葛宁研究员、殷柳国研究员、晏坚副研究员、倪祖耀副研究员等，他们对本书的完成给予了诸多建议和帮助。此外，还要特别感谢为本书的整理及校对而辛勤工作的学生们，包括张弛、朱向明、贾浩歌、王磊、林新聪、钟远智、李婷等。
另外，感谢国家自然科学基金项目（编号：91438206，91538203，91638205，61621091，91738101）对本书的资助。
最后，十分感谢家人对作者工作的大力支持和理解。
由于作者水平有限，书中难免存在错误和不当之处，敬请读者批评指正。作者第1章 绪论为全书的绪论，本章首先介绍了空间信息网络概念和内涵；其次，通过分析国内外的发展现状，指出了当前空间信息网作络发展存在的问题，并探究了未来的发展方向；同时，本章还分析了空间信息网络在空间动态网络高速传输方面所面临的科学和技术难题；最后介绍了本书的基本研究内容和总体结构。1.1 空间信息网络的概念与内涵
空间信息网络是以空间运动平台（包括卫星、飞艇和飞机）为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统，向上可支持深空探测，向下可支持对地观测等应用。空间信息网络具有全球化广域覆盖、带宽分配灵活、业务应用多样、网络可拓展性强等独特优势。空间信息网络向下可支持陆地、海洋、大气空间等全方位应用，向上可延伸到星际科学研究，从而将人类科学、文化、生产活动拓展至前所未有的领域。
与地面信息网络相比，空间信息网络仍处于早期研究阶段，尚未形成特定的网络体系架构。空间信息网络在发展中的困难在于大时空尺度下的网络与信息理论尚未建立，面临受限空间资源下的大时空跨度网络体系结构、动态网络环境下的高速信息传输、稀疏观测数据的连续反演与高时效应用等基础性的科学挑战。其核心基础难题在于大时空跨度下的空间信息网络建模和动态组网、时变空变网络的高速信息传输以及稀疏观测数据与连续信息服务的矛盾。1.2 国内外发展现状
地面Internet发展50年来，已形成以自治互联和TCP/IP协议分层为核心的网络架构。移动蜂窝网发展30余年，形成了蜂窝接入网和IP核心网相结合的架构。当前，空间信息网络还处于早期研究阶段，尚未形成特定的网络体系架构。
现有卫星移动通信网络提供的业务类型分为固定卫星服务（Fixed Satellite Service，FSS）和移动卫星服务（Mobile Satellite Service，MSS）。FSS通常扮演着“无线光纤”的角色，如Spaceway3、WGS、ViaSat、Ka-Sat等，采用频分多址/时分多址（FDMA/TDMA）技术体制框架，下行多基于DVB-S/DVB-S2标准或类似协议，上行采用运营商各自的多频时分多址（MF-TDMA）协议，尚未形成统一标准。MSS通常扮演着“空间基站”的角色，其技术体制一般基于地面移动通信网络技术经过适应性改进而成，如铱星系统采用类似全球移动通信系统（GSM）的技术体制、全球星采用类似窄带码分多址（NCDMA）的技术方案、海事卫星系统的卫星移动业务采用类似地面移动通信3G技术、美国的移动用户目标系统（MUOS）采用宽带码分多址（WCDMA）的技术方案等。
随着全球移动宽带互联需求的不断增长，FSS正试图将原有的宽带业务移动化，如WGS、ViaSat等；MSS正试图将原有的移动业务宽带化，如铱星二代（Iridium-Next）、Inmarsat-5。实际上，两者也正在逐步融合，以期提供全球化的宽窄带灵活服务。但与地面Internet和移动蜂窝网发展不同的是，地面网络正逐步走向协议标准化，而卫星通信服务运营商普遍采用各自的协议，要形成全球统一的空间信息网络协议架构尚待时日，同时也潜在巨大的发展空间。
近年来，世界发达国家正通过商业资本、空间资源和科技优势整合互联网服务与卫星网络资源，大力发展全球化的互联网业务，为在利用卫星提供互联网服务的竞争中占得先机，国际上一些新兴科技公司已纷纷行动起来。2013年6月，谷歌（Google）公司投资的O3b卫星网络8颗卫星发射入轨，打造服务偏远地区和海洋用户的“空中光纤”，投入商用半年便获得1亿美元收入，2018年5月，O3b星座在轨卫星数升至16颗，总容量达到240 Gbit/s，并计划在2019年继续发射下一代4颗mPower卫星。谷歌公司的商业成功促使了大量科技公司投入空间信息网络这个新兴领域。
2017年2月，美国OneWeb公司在其总容量达5 Tbit/s的720颗低轨卫星星座计划基础上，提出了未来2 000颗卫星组成的“星座互联网”计划，这一计划获得了美国联邦通讯委员会（Federal Communications Commission，FCC）的批准，被允许进入美国市场。2017年3月，美国SpaceX公司在此前不少于4 257颗小卫星的STEAM互联网星座基础上，又提出了发展基于V频段的由7 518颗卫星组成的低轨（VLEO）星座。2018年3月，FCC批准了SpaceX公司的卫星星座计划“StarLink”，星座共计11 943颗卫星（4 425颗低轨道（Low Earth Orbit，LEO）卫星和7 518颗VLEO卫星）。该系统将可为每个用户提供最高容量达1 Gbit/s的宽带服务。
与此同时，传统卫星通信运营公司也不甘落后。2017年5月，美国铱星公司宣布成功部署首批10颗“下一代”铱星，开始提供基于Ka频段的通信服务。截至2018年5月，铱星公司已累积发射50颗“下一代”铱星，并预计在2018年年底前完成全部部署。2017年6月，美国卫讯公司部署了下一代大容量宽带卫星ViaSat-2，整星容量为300 Gbit/s，服务70万终端用户。SES、IntelSat和Inmarsat等卫星运营商也均开展了互联网接入等验证和测试。
可以看到，上述卫星网络计划大多从商业和资本运作角度考虑，以直接接入地面互联网的方式提供服务，主要是作为地面互联网的延伸，是简单形态的空间信息网络。
纵观国内，我国卫星通信在21世纪进入蓬勃发展期，国家大力推动空间信息网络的发展。通过国家自然科学基金空间信息网络重大研究计划、“863”计划等，我国已经开始布局相关基础研究、关键技术研究、应用架构与系统设计等工作。2014年9月，我国第一颗低轨通信卫星“灵巧通信试验卫星”成功发射和测试，验证了基于星上处理交换的移动互联网接入等关键创新技术。2016年8月，我国第一颗同步轨道移动通信卫星“天通一号01星”发射，2018年5月开始正式放号应用，解决了我国国土范围内移动话音和窄带数据通信的问题。2017年4月，我国首颗高通量通信试验卫星“实践十三号”（中星16号）发射，覆盖我国东南、西南陆地和近海海域，在宽带卫星通信和互联网接入领域迈出了坚实的一步。
对比美、欧、日、俄等发达国家，我国通信卫星的发展还存在较大差距，难以适应快速增长的全球化宽带互联需要。由于轨道及频率的限制，我国现有的静止轨道通信卫星仍以提供区域性服务为主。以天通卫星为例，其用于卫星移动业务的S频段1 980 MHz～2 010 MHz（上行）和2 170 MHz～2 200 MHz（下行）在境外很多地区都被用于地面业务，海外频率落地存在极大的协调难度，很难在该频段实现全球服务。中星16号等高通量卫星则以提供区域地面互联网接入的透明转发为主要业务，难以构建真正意义的空间信息网络。
2016年，国务院正式印发《“十三五”国家科技创新规划》，面向2030年，将选择一批体现国家战略意图的重大科技项目，力争有所突破。其中，天地一体化信息网络作为重点方向。其目标是推进天基信息网、未来互联网、移动通信网的全面融合，形成覆盖全球的天地一体化信息网络。受限于地面布站、频率和轨位资源、发射和运行规模、海外业务应用需求等约束，我国天地一体化信息网络的发展不能简单地照搬国外的模式，需要针对我国现实条件，重新审视和思考基础网络架构与技术发展路线，在国际空间信息网络发展的凶猛浪潮中找准定位、重点突破，大力发展以星间组网技术为核心的空间信息网络，减少对地面站点的依赖，充分挖掘新的频率和轨位资源，将网络接入、互联和服务能力拓展至全球，逐步增强国际竞争能力。1.3 空间信息网络发展面临的科学和技术难题
空间信息网络的信息传输技术是大幅提升信息时效性的有效手段，需要在时变空变的环境下提供端到端高速可靠传输。支撑传输理论研究的传统香农信息论考虑的是平稳链路、独立同分布噪声、泊松无记忆业务的场景。但空间信息网络面临一系列的本质变化：首先在辐射/接收机制方面，由于距离远且方位变化频繁，链路体现出显著的非平稳特性，需要从常规宽波束预定覆盖变革为高精度窄波束的动态跟瞄式覆盖；其次，在网络节点环境方面，由于空间信息网络的广域覆盖和空间开放等特点，节点的高维耦合干扰特征显著，需要考虑多星多波束场景下的协同传输、处理和干扰消除等问题；最后，在业务需求上，需要从无记忆随机请求模式转变为可规划的过程模式。空间信息网络发展面临新的科学与技术难题，需要突破常规框架。
非香农信息论框架由于链路模型、节点分布模型以及业务承载模式的不同，在链路、节点环境和业务三要素上呈现新的难题，即链路非平稳性、高维耦合干扰和业务过程记忆性。由于上述应用模式与条件的变革，需要重点围绕链路、节点环境和业务三要素展开，突破点到点链路级的资源分割使用方法，发展多点到多点网络级的资源综合使用新模式，大幅提升频谱/功率等无线资源与体积/功耗等载荷资源的综合使用效率。1.4 本书内容
针对空间动态网络高速传输理论与方法的研究，本书重点关注空间信息网络物理层和数据链路层中的3个关键基本问题：电磁频谱利用和共享、开放复杂空间中多用户信号的协同处理和网络资源管理与优化。首先，电磁频谱是支撑空间网络数据传输的媒介和基础，为提高有限频谱资源的利用效率，本书重点研究空间网络不同轨道星座之间以及空间网络与地面网络之间的同频干扰特征规律，提出有效的空间信息网络频谱使用与共享方法，目标是使各种网络系统能够有效同频共存。在此基础上，进一步分析开放复杂空间中多星多用户信号干扰这一制约通信网络容量的瓶颈，本书重点研究空间信息网络中多星多波束间的干扰机理及协同机制，提出星间与星地的协同干扰消除方法。最后，本书进一步讨论空间信息网络资源管理和优化配置问题。为实现空间网络受限资源的最大化效用挖掘和智能化管理，本书重点研究空间网络资源的相互耦合和约束关系，建立异构网络资源统筹规划模型，提出星地一体化资源管理方法。
全书分为3个部分，共12章，具体安排如下。
第一部分为空间信息网络频谱共享。首先在第2章详细介绍了国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）关于空间网络的频谱划分、频谱共享以及频率协调的相关规则。同时，在当前ITU的规则框架下，介绍了卫星通信系统间同频干扰分析模型及一些通用的同频干扰规避方法和策略。第3～5章则在第2章空间信息网络频谱干扰模型的基础上，对不同通信系统间的同频干扰问题展开研究。第3章讨论了地球同步轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）卫星与非静止轨道（Non GEO，NGEO）卫星通信系统的频谱共享问题，第4章则针对NGEO卫星通信系统间的同频干扰问题展开分析。针对各通信系统的特点，提出了相应的干扰分析方法和解决方案，实现频谱共享。第5章针对GEO卫星系统、感知NGEO卫星系统和干扰NGEO卫星系统共存的场景，考虑卫星通信系统多级功率控制的实际工作方式，研究了频谱感知技术的应用。
第二部分为空间信息网络多用户信号协同处理。第6章考虑了地面波束成形和多波束协同处理等方面，建立了空间信息网络多波束模型。第7章介绍了多波束多用户协同信号处理方法，提出了反向波束内和波束间干扰处理技术。第8章研究了星地协同网络中的干扰估计与消除方法。
第三部分为空间信息网络资源管理与优化。第9章以中继卫星系统为例，研究了空间天线资源的任务调度问题，通过设计一种改进的贪婪随机自适应算法对系统资源分配模型求解，提高中继卫星系统效能。第10章研究了空间异构网络一体化资源管理方法，可以支持各类用户资源的按需分配和用户无感实时接入，还分析了空间信息网络中存在的应急资源调度问题。第11章研究了空间信息网络的用户资源竞争行为，提出了基于重复博弈的资源管理架构促使用户保持合作，提升网络整体收益。第12章研究了星地协同网络的联合资源管理问题，提出了两种星地协同网络资源分配方法，提高了空间信息网络的资源利用效率。第一部分 空间信息网络频谱共享部分详细介绍空间信息网络的频谱使用和共享问题。从卫星通信系统同频干扰分析模型出发，探讨通用的同频干扰规避本方法和策略，并对不同通信系统之间的同频干扰问题展开研究，包括GEO卫星通信系统与地面移动通信系统间的频谱共享问题、NGEO卫星通信系统之间的同频干扰问题，以及相应的软件仿真平台的搭建过程。第2章 空间信息网络频谱干扰特征与模型间频谱的使用规则以及同频干扰的基本场景是实现空间信息网络频谱共享的基础。本章首先介绍了ITU关于频谱使用的空相关规则，在此基础上，介绍了卫星通信系统间同频干扰场景分析模型及一些通用的同频干扰规避方法和策略。2.1 ITU空间信息网络频谱相关规则2.1.1 频谱划分
频率资源是国际共享且不可再生的有限资源。随着社会经济的不断发展，各类无线电业务被广泛地应用于通信、广播、导航、航天等领域，无线电频谱资源也成为社会发展过程中各国抢占的重要战略资源。ITU对频率资源有着严格统一的分配。无线电业务覆盖广泛，为了更高效地完成全球无线电业务频率的统一规划以及区域性业务的频率复用，提高频谱利用率，ITU在其发布的《无线电规则》中依据各［1］地区的经济发展及业务分布情况，将全球划分成3个用频区域，如图2-1所示：第一区包括欧洲、非洲、西亚、俄罗斯及蒙古等；第二区包括美洲大陆及格陵兰岛部分；第三区包括东亚（包括中国）、东南亚、南亚以及澳洲。在3个用频区域内针对空间业务的频谱划分基本一致，均涵盖了低至2 501 kHz的空间研究业务，高至275 GHz的卫星固定业务（地对空）。图2-1 ITU频率区域划分
根据波长和用途的不同，无线电频谱可分为多个频段。空间业务常用的频段及范围为：高频（High Frequency，HF）、甚高频（Very High Frequency，VHF）、特高频（Ultra High Frequency，UHF）、超高频（Super High Frequency，SHF）和极高频（Extremely High Frequency，EHF）。
以我国所在的第三区为例，HF频段（3 MHz～30 MHz）主要涉及空间研究业务和卫星业余业务；VHF频段（30 MHz～300 MHz）包含空间研究业务、卫星业余业务、空间操作业务、卫星气象业务及卫星移动业务等；UFH频段（300 MHz～3 GHz）和SHF频段（3 GHz～30 GHz）应用较为广泛，涉及空间研究业务、空间操作业务、卫星气象业务、卫星移动业务、卫星固定业务、卫星广播业务、卫星地球探测业务及卫星无线电导航业务等多项空间业务；而EHF频段（30 GHz～300 GHz）除SHF频段所涉及的业务外，还包括卫星间业务和卫星业余业务。其中，UHF频段可细分为L频段（1 GHz～2 GHz）和S频段（2 GHz～4 GHz），大部分应用于静止卫星测控链路的指令传输，以及特殊卫星业务，如卫星导航等。SHF频段可进一步划分为更常用的S频段（2 GHz～4 GHz）、C频段（4 GHz～8 GHz）、X频段（8 GHz～12 GHz）、Ku频段（12 GHz～18 GHz）及Ka频段（18 GHz～40 GHz），大部分卫星固定业务使用C频段和Ku频段，而近年来Ka频段的空间业务应用也在不断增多，成为宽带卫星业务发展的主流。此外，为了获取更高的传输速率，EHF频段所包含的Q频段（36 GHz～46 GHz）和V频段（46 GHz～56 GHz）也成为未来空间业务的开发方向。2.1.2 频谱共享约束
为了提高频率资源的有效利用率，ITU在划分和指配频率时允许多种业务、多个电台间在规则框架内合理地共享频谱。随着卫星数量的不断增多，全球性卫星星座的不断提出和建设，卫星系统间、卫星系统与地面系统之间频谱重叠的情况愈发常见，频谱重叠的系统间可能存在不同程度的同频干扰问题。针对这一问题，ITU在不同频段对频谱的使用做出了详细的规定：当多种业务共享同一频段时，次要业务应当保证对主要业务不造成有害干扰；非静止轨道卫星系统不得对静止轨道卫星系统产生有害干扰；后建设的卫星系统需要对在轨的卫星系统实施干扰保护，不得对其产生有害干扰。卫星系统的用频应根据具体的业务类型和频段范围，符合相应的干扰保护限制。根据ITU［1］的相关规定，主要存在以下4种干扰保护限制指标。
1. 等效全向辐射功率（Equivalent Isotropic Radiated Power，EIRP）限制
根据ITU《无线电规则》第21条第21.2和21.8款，对于共用1 GHz以上频段的固定和移动业务，在不同频段内等效全向辐射功率的最大值应符合表2-1所列的限制，如果超过所限制的定值，应当尽可能保证发射天线的最大辐射方向与对地静止卫星轨道至少偏离表2-1内对应的角度。表2-1 1 GHz以上的卫星固定和移动业务等效全向辐射功率的最大值限制
除了遵守上述等效全向辐射功率限制外，具体地，地球站在不同频段和水平仰角θ范围内也应当遵守功率的限制，在任一4 kHz频段内，有以下限制。
在1 GHz～15 GHz的频段内：等效全向辐射功率值在任一4 kHz频带内，在θ＜10°范围内小于+40 dBW；在0°＜θ＜5°范围内小于40+3θ dBW。
在15 GHz以上的频段内：等效全向辐射功率值在任一1 MHz频带内，在θ＜10°范围内小于+64 dBW；在0°＜θ＜5°范围内小于64+3θ dBW。
2. 功率通量密度（Power Flux Density，PFD）限制
对于包括卫星在内的空间电台，其发射在地球表面所产生的功率通量密度，在所有条件和调制方法下不得超过ITU《无线电规则》第21条第21.16款表21-4中关于“空间电台的发射在地球表面所产生的功率通量密度限值”。以Ka频段为例，所涉及卫星相关业务的pfd限制见表2-2所列。表2-2 无线电规则关于功率通量密度限制的表21-4的Ka频段节选
3. 等效功率通量密度（Equivalent Power Flux Density，EPFD）限制
等效功率通量密度限制是针对非静止轨道卫星系统的，对其上、下行链路的epfd均有一定的限制。在非对地静止卫星系统范围内，所有发射电台在地球表面或在地球静止轨道中的对地静止卫星系统的接收电台产生的功率通量密度的总和，即epfd，对于所有条件和所有调制方法，在给定的百分比时间内不得超过《无线电规则》第22条第22.5款表22-1中给定的限值。非对地静止卫星系统的所有地球站的发射，在对地静止卫星轨道的任何点产生的等效功率通量密度，epfd，对于所有条件和所有调制方法，在给定的百分比时间内不得超过《无线电规则》第22条第22.5款表22-2中给定的限制。若超过对应限制，则认为该非静止轨道卫星系统会对静止轨道卫星系统产生有害干扰。以Ka频段为例，常用频段的epfd限制见表2-3所列。表2-3 无线电规则关于等效功率通量密度限制的表22-1及表22-2的Ka频段节选
4. I/N限制《无线电规则》附录8规定，对于卫星系统而言，受发射干扰而引起的卫星链路等效噪声温度的视在增量∆T/T超过6％的门限，则认［2］为该卫星系统受到了有害干扰。ITU-R S.1432-1建议书将系统噪声的百分比表示的干扰容限转换成对应的干扰噪声比I/N，并将其转化成对数的形式，对应任何月份的100％时间，得到−12.2 dB的I/N，即此时来自固定业务和其他共同主用分配业务的干扰占晴空系统噪声的6％。若某一卫星系统卫星的接收端接收到的来自另一卫星系统的干扰噪声比I/N超过了−12.2 dB的门限值，则认为其受到了有害干扰。2.1.3 卫星频率协调
1. 卫星频率协调概述
鉴于ITU对于卫星频率及轨位资源的分配与管理需要，ITU所有成员国在规划建设卫星网络系统时，需要向ITU申报、提交相应的卫星网络资料（包括卫星网络正常工作过程中所涉及的无线电频率和空间轨道等相关信息），并遵守相应程序完成频率的协调工作。在频率协调中，所定义的卫星网络（或卫星系统）是指由卫星（包括人造卫星、飞船、空间站、深空探测器等航天器）及相应地球站组成的卫星无线电系统或卫星无线电系统的一部分。只有在完成相应频率协调程序后，该卫星网络（或系统）才可获得相应频率和轨位资源的使用权及保护地位。在频率使用方面，采取“先登先占”的原则，即最先向ITU申报成功的卫星网络（或系统）将获取所申请频段的优先使用权，通常后申报的网络和系统在进行频率协调时应确保不得对其产生有害干扰。频率协调是卫星网络设计和建设初期的重要工作之一，通常由专业的频率协调团队完成，分析与周边高优先级卫星系统的潜在干扰情况，并开展协调谈判。
2. 卫星频率协调流程
根据ITU的相关规定，卫星网络频率协调具有一套完整的程序和流程，在为卫星网络指配频率时，需要提前2～7年完成卫星网络资料的国际申报、协调、频率指配的通知与登记等程序。在ITU-R每两周发布更新的卫星网络资料SRS数据库中，包括提前公布的A资料、协调使用的C资料以及最终公布的N资料，分别对应频率协调程序的3［3］个阶段。
提前公布资料阶段：在开始卫星网络频率协调程序时，首先需要向ITU的无线电通信局送交卫星网络的说明性文件，说明文件包括轨道、波束、链路等信息，无线电通信局在收到相关资料后，3个月内将在其国际频率信息通报（BR IFIC）中公布该资料，即提前公布的A资料。
协调资料阶段：根据无线电通信局的要求，申请国家在公布A资料后的两年内需要提交详细的卫星网络资料，ITU将提交的协调C资料公布出来。在C资料公布之后，若其他卫星网络所属单位认为该资料对某些频段的使用会对现有的卫星网络产生不可接受的有害干扰，则需要在收到资料4个月内向公布资料的主管部门提出相关协调意见。提出协调要求后，双方进入具体的频率协调流程，直至达成一致的协调意见。
最终公布资料阶段：完成相应的协调工作后，申请国家需要在规定的时间内提交N资料，供无线电通信局审查。经审查确认符合ITU的频率划分、使用及频率共享的相关规则和建议书后，该卫星网络将被登记入《登记总表》，自此获得国际保护地位。N资料公布之后，应于7年之内完成卫星发射，否则资料将自动作废。
按照最新的《无线电规则》，根据网络资料申报的具体频段不同，适用于不同的协调流程，包括“A-N流程”和“C-N流程”。非对地静止轨道卫星固定业务按照《无线电规则》第9.11A款走协调程序，即“C-N流程”；其他则不走协调程序，“A-N流程”即可。
值得注意的是，在协调过程中，卫星系统间干扰的计算与分析是频率协调过程中的基础数据依据。下一节将介绍两个卫星系统间干扰的通用计算方法。2.2 同频干扰建模方法2.2.1 卫星系统间干扰分析数学模型
当两个卫星系统的工作频段存在重叠的情况时，就存在相互干扰［4］的可能性。下面针对两个卫星通信系统之间相互干扰的情形，分别对上行干扰场景和下行干扰场景建立相应的数学模型，分析卫星系统2对卫星系统1的干扰情况。
1. 上行干扰
如图2-2所示，考虑卫星系统2对卫星系统1的干扰，当两个系统的上行工作链路存在频段重叠时，地球站2的部分发射功率会被卫星1的接收天线捕获，形成“地球站2—卫星1”的干扰链路。图2-2 上行干扰场景示意
由于两卫星系统间通常存在的是部分频段重叠的情况，此时只考［5］虑带内干扰。首先需要计算卫星通信系统2发射功率的功率谱密度，再计算重叠频带内的功率值，将重叠频带内的功率值作为干扰信号链路的发射功率。两卫星系统的频率使用情况如图2-3所示。图2-3 卫星系统1、2频段重叠示意
假设干扰信号的功率谱密度在带宽内均匀分布。W为上行场景1中卫星系统1的通信带宽，W为卫星系统2的上行通信带宽，Overlap2为两系统上行链路的重叠频带宽度。若地球站2的发射功率为P，TX2则带内干扰信号发射功率为
在计算得到带内干扰信号的发射功率后，卫星1接收到的干扰信号功率I为up其中，为上行干扰场景中地球站2在重叠频带内的发射功率，G（θ）为地球站2的发射天线在偏离其主轴θ角度的天线增益，TX211θ为卫星系统2的上行工作链路与干扰链路之间的夹角；G（θ）1RX12为卫星1的接收天线在偏离其主轴θ角度的天线增益，θ为卫星系统122的上行工作链路与干扰链路之间的夹角；λ为上行干扰场景中卫星系1统的通信载波波长，d为上行干扰场景中干扰链路的距离，即地球站12到卫星1的距离。
卫星系统2对卫星系统1的干扰可以通过干扰噪声比I/N来衡量，在上行干扰场景中，卫星系统1在接收端的干扰噪声比为其中，K为玻尔兹曼常数，T为上行场景中卫星系统1的接收噪声温1度。
除干扰噪声比I/N外，epfd也是衡量卫星系统干扰的另一重要指标。上行干扰场景中，地球站2的发射功率在卫星1处产生的等效功2率通量密度epfd可通过式（2-4）计算，单位为dB（W/m）。其中，G为卫星1的接收天线峰值增益。RX1,max
2. 下行干扰
下行干扰场景与上行干扰场景类似。如图2-4所示，考虑卫星系统2对卫星系统1的干扰，当两个系统的下行工作链路存在频段重叠时，卫星2的部分发射功率会被地球站1的接收天线捕获，形成“卫星2—地球站1”的干扰链路。参考上行干扰场景下的干扰信号的数学模型，地球站1接收到的干扰信号为其中，为下行干扰场景中卫星2在重叠频带内的发射功率，G′（θ）为卫星2的发射天线在偏离其主轴θ角度时的天线增益，θTX2333为卫星系统2的下行工作链路与干扰链路之间的夹角；G′（θ）为RX14地球站1的接收天线在偏离其主轴θ角度时的天线增益，θ为卫星系44统1的下行工作链路与干扰链路之间的夹角；λ为下行干扰场景中卫2星系统的通信载波波长，d为下行干扰场景中干扰链路的距离，即卫2星2到地球站1的距离。图2-4 下行干扰场景示意
两个干扰指标的计算表达式分别为其中，T′为下行场景中卫星系统1的接收噪声温度，W′为下行场景11中卫星系统1的通信带宽，G′为地球站1的接收天线峰值增益。RX1, max
以上建立了在上行干扰场景和下行干扰场景下，两个卫星系统间的干扰分析数学模型。可以将衡量系统受到干扰的两个指标与ITU规定的干扰保护限制结合起来，判断是否产生干扰，并划定可能产生干［6］扰的区域范围。此外，可以通过分析干扰信号随各参数的变化规律，从干扰抑制的角度对卫星系统的参数设计提供参考意见。2.2.2 干扰分析软件建模的相关介绍
Visualyse Professional（简称为Visualyse）是经ITU认证指定的干扰分析软件工具，目前已经更新到了7.0版本。该软件含有多个对象模块，包括天线、站点、链路、载波、传播模型、跟踪策略、业务量等，可以通过多个对象模块的组合建立干扰仿真系统，来分析各种无线电系统间的潜在干扰情况，例如卫星通信系统间的干扰、卫星通信系统与地面通信系统间的干扰、地面通信系统间的干扰等，实时输出工作链路与干扰链路的各项指标。软件建模分为系统建模和干扰建模两部分：系统建模包括干扰产生系统和被干扰系统的建立，每个系统包括站点、天线、链路等对象；干扰建模主要是建立系统间的干扰与被干扰关系。图2-5为在Visualyse软件中建立的干扰仿真场景。在ITU的卫星网络资料申报和频率协调过程中，为避免对其他高优先级的卫星网络产生有害干扰，通常会通过Visualyse软件建模来完成相应的干扰仿真分析。图2-5 Visualyse软件干扰仿真场景2.3 频谱干扰规避方法及策略2.3.1 空域分隔
此种规避方法是在卫星系统设计之初从轨道设计的角度与可能受到有害干扰的卫星系统实现空域分隔，从而最大限度地规避对其的干扰。对于两个同处于对地静止轨道（GEO）的卫星系统而言，可通过设置对地静止卫星间的相对弧度间隔来规避干扰，不同的卫星系统间的弧度间隔可以通过干扰分析的结果来确定。
近年来，随着宽带卫星网络的发展，中低轨卫星系统的数量逐渐增多，非静止轨道（NGEO）卫星系统对GEO卫星系统的潜在干扰问题愈发复杂。由于NGEO卫星时空特性的变化范围较大，卫星相对地球站的位置是实时变化的，其空域分隔的干扰规避方法较GEO卫星［7］系统间的规避方法更为复杂，主要包括以下两种形式。（1）基于禁区技术的空域分隔
如图2-6所示，GEO卫星位于赤道平面的静止轨道上。参考赤道平面，设置±X°的纬度间隔来确定相应禁区的范围，当NGEO卫星位于禁区外时，认为其不会对GEO地球站产生有害干扰；当NGEO卫星进入禁区时，应采取相应措施避免由于该NGEO卫星天线的主波束与GEO地球站天线主波束耦合引发干扰。图2-6 空域分隔禁区、链路分离角设置示意（2）基于链路分离角的空域分隔
如图2-6所示，对于在地球上的任意位置的地球站，规定相应的角度间隔阈值，当从地球站观察到的GEO卫星与NGEO卫星的角度间隔（即两系统的链路夹角）小于规定的角度间隔阈值时，需要采取相应措施来避免对GEO系统的干扰。
此外，还可将两种形式的空域分隔方法结合起来，在设置禁区的基础上额外考虑链路分离角，充分规避NGEO卫星系统对GEO卫星系统的干扰。
上述空域分隔方法通常配合跳星策略使用。NGEO卫星网络通常是由多颗NGEO卫星构成的星座，一旦地球站接入的NGEO卫星进入了禁区或对应链路分离角小于规定的角度阈值，地球站可以切换到其他未进入分隔区域的替代卫星以避免主波束耦合带来的干扰。在设计跳星策略时，需要选取适当的选星准则，主要包括以下两种。
① 最大仰角准则。通常情况下，地球站会在可用卫星集合中选择可获取最大工作仰角的卫星接入，从而获得较好的链路质量。
② 最长覆盖时间准则，也可以理解为最长剩余服务时间准则。将剩余服务时长作为卫星的一个属性，在任意时刻，地球站在可用卫星集合中选择拥有最长剩余服务时间的卫星接入，从而获取最长时间的覆盖。通过增加算法的复杂性来换取较低的卫星切换频率。2.3.2 功率控制
在不考虑切换其他卫星的前提下，卫星系统可以通过降低发射功率、关闭波束等功率控制的方式来减轻甚至是规避对其他卫星系统的干扰。然而，此种干扰规避方式需要牺牲系统的工作链路质量，可能会付出信号覆盖中断或者损失的代价。文献［8］提出了一种“功率自适应”的方法，通过计算干扰值及时调整干扰系统的发射功率，从而避免有害干扰。此外，还在“功率自适应”的基础上提出了在两系［9］统地球站间设置最小安全距离，在保证干扰系统自身的工作链路质量的前提下规避对其他卫星系统的干扰。2.3.3 其他方法（1）使用低旁瓣增益天线
假设某卫星系统的上行和下行链路均可能对另一卫星系统产生有害干扰。针对下行链路，干扰系统的卫星使用低旁瓣增益的卫星天线可以降低对于被干扰系统地球站主瓣的干扰。同理，对上行链路而言，干扰系统的地球站终端使用低旁瓣增益天线可使得被干扰系统的卫星主瓣接收到的干扰降低。使用低旁瓣增益天线可以有效地缩小系统间可能发生有害干扰的区域。（2）频率通道化
将允许使用的频带划分成更小频段的过程称为频率通道化［10］。在此方案中，每个子信道可被分配给不同卫星系统的单独的波束，从而保证最近的两个同频波束在空间上是隔离开的，以增大载波干扰比（C/I）。采用频率通道化措施可从以下两方面改善干扰情况。● 通过降低频率重叠概率来减少干扰。● 将干扰分散到一个带宽更宽的信号中，从而降低干扰噪声比（I/N）。（3）偏振隔离
当存在频段重叠的两个卫星系统的天线在给定区域内采用相反的极化方式时，两个系统能够有效地同频共存。但由于不存在与其他两个系统的天线的极化方向均正交的第三种极化方向，此种偏振隔离的干扰规避方法仅对抑制两个卫星系统间同频共享引发的干扰情况有效，对于抑制两个以上卫星系统间的同频干扰无法取得较好的效果。2.4 本章小结
本章首先介绍ITU关于空间信息网络的频谱划分、频谱共享以及卫星频率协调的规则。在此规则框架下，介绍了频谱干扰建模的方法，包括两个同频干扰的卫星系统间的干扰通用计算方法以及干扰分析软件建模。最后介绍一些通用的频谱干扰规避方法和策略。参考文献
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［3］LIU C，SHI H P，LI W. Analysis of international coordination of satellite networks［C］// WMC' 14. 2014.
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［6］JIANG C，WANG B，HAN Y，et al. Exploring spatial focusing effect for spectrum sharing and network association［J］. IEEE transactions on wireless communications，2017，16（7）：4216-4231.
［7］Rec. ITU-R S.1325-3. Simulation methodologies for determining statistics of short-term interference between co-frequency，co-directional non-geostationary-satellite orbit fixed-satellite service systems in circular orbits and other non-geostationary fixed-satellite service systems in circular orbits or geostationary-satellite orbit fixed-satellite service networks［M］. 2003.
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［9］POURMOGHADAS A，SHARMA S K，CHATZINOTAS S，et al. Cognitive interference management techniques for the spectral co-existence of GSO and NGSO satellites［C］//International Conference on Wireless and Satellite Systems. Springer，Cham，2016：178-190.
［10］Rec. ITU-R S. 1431. Methods to enhance sharing between NON-GSO FSS systems（except MSS feeder links）in the frequency bands between 10～30 GHz［M］. 2000.第3章 GEO卫星通信系统与NGEO卫星通信系统频谱共享着NGEO卫星系统数量的逐渐增多，GEO卫星系统受到来自NGEO卫星系统的干扰也在不断增长。由于GEO卫星系统享随有频谱使用优先权，确定NGEO卫星系统对GEO卫星系统的干扰保护边界成为两者频谱共享的关键技术。本章将针对GEO卫星通信系统与NGEO卫星通信系统的干扰分析及频谱共享问题展开讨论。3.1 引言
近年来，随着中、低轨卫星通信系统的发展，在轨NGEO卫星系统数量越来越多。对于GEO卫星系统而言，其受到的干扰不仅来自地面网络，更多地来自NGEO卫星通信网络。根据无线电规则（RR）［1］中的静态频谱分配原则，GEO和NGEO卫星系统频率共用，NGEO卫星系统不得对在轨的GEO卫星系统造成有害干扰，特别是在某些特定频段，GEO卫星系统享有优先权，NGEO卫星系统不得对GEO卫星系统造成有害干扰，同时也不能寻求GEO卫星系统的干扰保护。因此，分析NGEO卫星系统对GEO卫星系统干扰，研究GEO卫星通信网络和NGEO卫星通信网络之间的频谱共享技术成为空间信息网络未来发展的重要问题。
目前，GEO卫星系统与NGEO卫星系统之间的频谱共享技术研究还主要集中在干扰分析方面。在早期阶段，文献［2］描述了NGEO卫星移动业务信关站和反向链路中的GEO卫星固定业务地球站之间的干扰特性，文献［3］提出了一种不同NGEO卫星网络间评估干扰的解析方法。后来，文献［4］通过改变间隔角度大小和NGEO卫星的数量，利用误码率（BER）分析NGEO卫星系统对GEO卫星系统的干扰。最近，文献［5］提出了联合干扰和噪声估计算法来检测和评估主用户信号。文献［6］研究了FSS地球站在有遮挡和没遮挡两种场景下，仰角对FSS地球站和BSS信关站之间所需保护距离的影响。文献［7］利用自适应功率控制来减轻GEO卫星系统和NGEO卫星系［8-10］统之间的共线干扰。此外，ITU-R的建议书提出了若干种干扰减轻策略，以实现NGEO和GEO FSS系统之间的频率共用，例如切换到其他卫星、采用较低的NGEO卫星系统天线旁瓣、频率信道化等。相比已有文献，本章主要内容可以归纳如下。
本章总结了卫星系统干扰仿真分析的流程步骤，为获得GEO卫星系统可接受的干扰分析结果，提出了“干扰最恶劣”的系统参数选取原则。在此基础上，选取典型的GEO卫星通信系统（SINOSAT-5系统）和NGEO卫星通信系统（O3b系统），通过软件建模仿真，分析了NGEO卫星通信系统对GEO卫星通信系统的干扰情形。具体地，对于上、下行干扰场景，分析了干扰产生条件、GEO卫星通信系统受到干扰具体情况以及地球站位置的变化对干扰的影响。
提出了分析单颗卫星构成的NGEO卫星通信系统对单颗卫星构成的GEO卫星通信系统干扰的相轨迹分析方法，并与软件仿真结果进行比较。
在上述干扰分析的基础上，针对GEO卫星系统和NGEO卫星系统共存的实际场景，研究频谱共享技术，尤其是在频谱共享区域，如何确定干扰保护的边界。针对单个NGEO地球站的场景，设计了基于角度隔离的干扰规避方法，即当GEO卫星和NGEO卫星之间的地心角大于某一阈值时，这两个卫星系统可实现频谱共享。角度阈值的方法适用于卫星固定业务等NGEO地球站具有固定或相对固定的位置的场景，而对于卫星移动业务，考虑NGEO地球站随机均匀地分布在GEO地球站周围的场景，以GEO地球站为中心建立保护区，推导出GEO卫星系统所受干扰的期望以及所需保护半径。3.2 单个NGEO卫星对GEO卫星系统的干扰分析3.2.1 系统干扰仿真分析流程
科学有效的干扰建模仿真分析方法能够提高干扰分析和评估的效率，同时也能增强干扰仿真分析结果的科学性和可信性，卫星系统干扰分析的流程如图3-1所示。图3-1 卫星系统干扰仿真分析流程
卫星系统干扰建模仿真分析方法的具体步骤和流程如下。（1）干扰场景设定
首先分析卫星网络或卫星系统干扰问题，设定具体的干扰场景。不同卫星系统之间存在潜在干扰的前提条件是所使用的频段有重叠部分，根据这一前提条件，确定具体需要干扰仿真分析的卫星网络和卫星系统资料，设定基本的干扰场景。（2）卫星网络或卫星系统资料获取
按照ITU的规定，申请卫星网络需要向ITU申报相关卫星网络资料，即卫星系统的相关参数。因此，在设定具体干扰场景后，我们可以通过ITU指定的专用数据查询软件SpacePub读取相关卫星网络参数，利用该软件也可以进行卫星资料信息的筛选、查询等相关操作。（3）仿真系统参数设定
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]