避免对GEO系统干扰的频谱感知盲区的判断方法及装置与流程

本发明涉及一种卫星通信领域，特别是关于一种在NGEO系统和GEO系统频谱共存场景下的避免对GEO系统干扰的频谱感知盲区的判断方法及装置。

背景技术：

与同步静止轨道卫星系统(GEO)相比，非同步静止轨道卫星(NGEO)系统具有低空间损耗、低延时以及较低的在轨发射造价等优势，因此，近几年，在轨的NGEO卫星数目日益增多。NGEO和GEO系统共用卫星通信频谱，按照《无线电规则》，在轨的GEO卫星系统地位优先，在轨NGEO卫星系统地位其次，部分频率在轨和未在轨的GEO卫星系统均优先。那么，NGEO系统在实际使用当中，如何避免对GEO系统造成有害干扰并且实现与GEO系统频谱共用是目前急需解决的问题。

美国联邦通信委员会(FCC)和美国shared spectrum公司的研究结果表明，已分配的频谱资源存在大量空闲，实测使用率大部分不足一半。利用频谱感知技术可以检测空闲频段，在提高频谱利用率的同时避免认知用户对主用户造成干扰。在卫星通信系统中，GEO卫星系统为主用户，NGEO卫星系统为认知用户，在这种场景下，采用频谱感知技术的一般方法是：如果NGEO系统的接收端检测到GEO系统的发射信号，则认为此时GEO系统在工作；否则，认为该频段空闲，NGEO系统可以使用。但是，NGEO卫星具有移动性，NGEO和GEO系统波束指向不确定并且其接收端和发射端距离较远，在频谱检测的过程当中可能会存在某些区域：NGEO系统的接收端检测不到GEO系统发射的信号，但此时NGEO系统的发射端会对GEO系统接收端造成有害干扰。在这些区域，也就是频谱感知的盲区，频谱感知技术无法准确检测频谱空闲。

目前，频谱感知技术在地面系统应用比较成熟，针对GEO和NGEO系统频谱共用的场景，没有文献对频谱感知技术的可行性进行分析。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种避免对GEO系统干扰的频谱感知盲区的判断方法及装置，能有效避免对GEO系统造成有害干扰。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种避免对GEO系统干扰的频谱感知盲区的判断方法，其特征在于包括以下步骤：1)根据输入参数确定NGEO系统可检测到GEO系统的区域；2)确定NGEO系统对GEO系统造成干扰的区域；3)根据NGEO系统接收到GEO系统的信号功率大小和GEO系统受到NGEO系统的干扰epfd值，确定频谱感知的盲区。

进一步，对于上行链路，具体判断方法如下：1.1)根据输入参数确定NGEO卫星可检测到GEO地面站信号的区域；1.2)确定NGEO地面站对GEO卫星造成干扰的区域；1.3)同时满足P_ge→ns≤P_th和epfd≥epfd_th的区域即为上行链路频谱感知的盲区，其中P_ge→ns为NGEO卫星接收到GEO地面终端的信号功率大小，epfd为GEO卫星受到NGEO地面终端的干扰值，P_th表示检测门限，epfd_th为门限值。

进一步，所述步骤1.1)中，具体确定方法如下：1.1.1)计算GEO地面终端在NGEO卫星方向的离轴角θ₁；1.1.2)计算NGEO卫星在GEO地面站方向的离轴角θ₂；1.1.3)根据离轴角θ₁、θ₂计算NGEO卫星接收到GEO地面终端的信号功率大小P_ge→ns；1.1.4)确定NGEO卫星可检测到GEO地面终端信号的区域：当P_ge→ns≥P_th，GEO卫星和NGEO卫星之间的地心角β所对应的范围就是NGEO卫星的检测区域。

进一步，所述步骤1.2)中，具体确定方法如下：1.2.1)计算NGEO地面站在GEO卫星方向的离轴角θ₃；1.2.2)计算GEO卫星在NGEO地面站方向的离轴角θ₄；1.2.3)根据离轴角θ₃、θ₄计算GEO卫星受到NGEO地面终端的干扰epfd值；1.2.4)确定GEO卫星的受干扰的区域：当epfd≥epfd_th时，GEO卫星和NGEO卫星之间的地心角β所对应的范围就是GEO卫星受干扰的区域。

进一步，对于下行链路，具体判断方法如下：2.1)根据输入参数确定NGEO地面站可检测到GEO卫星信号的区域；2.2)确定NGEO卫星对GEO地面终端造成干扰的区域；2.3)同时满足P_gs→ne≤P_th和epfd≥epfd_th的区域即为下行链路频谱感知的盲区；P_ge→ns为NGEO地面终端接收到GEO卫星的信号功率大小，P_th是检测门限，epfd是GEO地面终端受到NGEO卫星的干扰值，epfd_th为门限值。

进一步，所述步骤2.1)中，具体确定方法如下：2.1.1)计算NGEO地面终端接收到GEO卫星的信号功率大小P_ge→ns；2.1.2)确定NGEO卫星的可检测到GEO地面终端信号的区域：若P_gs→ne≥P_th，GEO卫星和NGEO卫星之间的地心角β所对应的范围就是NGEO卫星的检测区域。

进一步，所述步骤2.2)中，具体确定方法如下：2.2.1)计算GEO地面终端受到NGEO卫星的干扰epfd值；2.2.2)确定GEO地面终端的受干扰的区域：当epfd≥epfd_th时，GEO卫星和NGEO卫星之间的地心角β所对应的范围就是GEO卫星受干扰的区域。

一种避免对GEO系统干扰的频谱感知盲区的判断装置，其特征在于包括：信号检测模块、干扰判断模块和盲区判断模块；所述信号检测模块用于根据输入参数确定NGEO系统能检测到GEO系统的区域；所述干扰判断模块用于确定NGEO系统对GEO系统造成干扰的区域；所述盲区判断模块根据NGEO系统接到到GEO系统的信号功率大小和GEO系统受到NGEO系统的干扰epfd值，用于确定频谱感知的盲区。

进一步，对于上行链路：所述信号检测模块用于根据输入参数确定NGEO卫星能检测到GEO地面站信号的区域；所述干扰判断模块用于确定NGEO地面站对GEO卫星造成干扰的区域；所述盲区判断模块用于确定上行链路频谱感知的盲区。

进一步，对于下行链路：所述信号检测模块用于根据输入参数确定NGEO地面站能检测到GEO卫星信号的区域；所述干扰判断模块用于确定NGEO卫星对GEO地面终端造成干扰的区域；所述盲区判断模块用于确定下行链路频谱感知的盲区。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明针对GEO和NGEO卫星系统频谱共用的场景，GEO系统作为主用户，判断在NGEO系统检测的过程中是否会出现频谱感知的盲区，有效避免了对GEO系统造成有害干扰。本发明可以广泛在卫星通信领域中应用。

附图说明

图1是本发明中NGEO系统与GEO系统示意图；

图2是本发明判断方法流程示意图；

图3是本发明实施例上行链路中接收信号功率的等高线示意图；

图4是本发明实施例上行链路中epfd的等高线示意图；

图5是本发明实施例上行链路中检测区域和干扰区域示意图；

图6是本发明实施例下行链路中接收信号功率的等高线示意图；

图7是本发明实施例下行链路中epfd的等高线示意图；

图8是本发明实施例下行链路中检测区域和干扰区域示意图。

具体实施方式

如图1所示，由于对于NGEO系统检测GEO系统发送的信号，可检测到信号的区域称之为NGEO系统的检测区域；而NGEO系统的发射端会对GEO系统造成干扰，造成干扰的区域称之为NGEO系统的干扰区域。如果NGEO系统的检测区域没有完全包含其对GEO系统的干扰区域，则频谱感知的盲区存在。因此，本发明提供一种避免对GEO系统干扰的频谱感知盲区的判断方法及装置，下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

在本发明中，各符号的含义如下：

A：GEO地面终端，假设GEO地面终端位于赤道上；

G：GEO卫星；

D：NGEO卫星；

B：NGEO地面终端；

θ₁：GEO地面终端在NGEO卫星方向的离轴角；

θ₂：NGEO卫星在GEO地面终端方向的离轴角；

θ₃：NGEO地面终端在GEO卫星方向的离轴角；

θ₄：GEO卫星在NGEO地面终端方向的离轴角；

h：NGEO卫星的高度；

β：GEO卫星和NGEO卫星之间的地心角；

α：GEO卫星和NGEO地面终端之间的地心角；

GEO地面终端和GEO卫星之间的地心角；

r：GEO地面终端和NGEO地面终端之间的距离；

P_get：GEO地面终端的发射功率；

P_net：NGEO地面终端的发射功率；

P_gst：GEO卫星的发射功率；

P_nst：NGEO卫星的发射功率；

req表示地球半径6378Km，假设GEO地面站位置已知，即角和r已知。

如图2所示，本发明提供的一种避免对GEO系统干扰的频谱感知盲区的判断方法，该方法包括对上行链路以及下行链路频谱感知盲区的判断，上行链路为GEO地面终端向GEO卫星发射信号，NGEO卫星检测GEO地面终端的信号，同时GEO卫星可能受到NGEO地面终端的干扰；下行链路为GEO卫星向GEO地面终端发射信号，NGEO地面终端检测GEO卫星的信号，同时GEO地面终端可能受到NGEO卫星的干扰。本发明包括以下步骤：

1)根据输入参数确定NGEO系统可检测到GEO系统的区域；

2)确定NGEO系统对GEO系统造成干扰的区域；

3)根据NGEO系统接收到GEO系统的信号功率大小和GEO系统受到NGEO系统的干扰epfd值，确定频谱感知的盲区。

上述各步骤中，对于上行链路，具体判断方法如下：

1.1)根据输入参数确定NGEO卫星可检测到GEO地面站信号的区域；如果NGEO卫星接收到GEO地面终端的信号功率大于检测门限值P_th，则认为可以检测到GEO地面终端的信号。其中，输入的参数包括NGEO卫星的高度h、GEO卫星和NGEO卫星之间的地心角β(β∈[0,2π])和GEO地面终端的发射功率P_get；

具体确定方法如下：

1.1.1)计算GEO地面终端在NGEO卫星方向的离轴角θ₁：

θ₁＝arccos(AG·d_ge→ns′/|AG|·|d_ge→ns|)，

其中，AG表示GEO地面终端到GEO卫星的距离；d_ge→ns表示GEO地面站和NGEO卫星之间的距离；

1.1.2)计算NGEO卫星在GEO地面站方向的离轴角θ₂：

θ₂＝arccos(d_ge→ns·BD′/|d_ge→ns|·|BD|)，

其中，BD表示NGEO地面终端到NGEO卫星的距离，d_ge→ns＝[h·sinβ-req·sinα，h·cosβ-req·cosα]；

1.1.3)根据离轴角θ₁、θ₂计算NGEO卫星接收到GEO地面终端的信号功率大小P_ge→ns：

其中，G_get表示GEO地面终端天线的增益，G_nsr表示NGEO卫星天线的增益，G_get和G_nsr的增益参考ITU建议书；λ＝C/f，C＝3×10⁸，f为载波频率；

1.1.4)确定NGEO卫星可检测到GEO地面终端信号的区域：当P_ge→ns≥P_th，GEO卫星和NGEO卫星之间的地心角β所对应的范围就是NGEO卫星的检测区域；其中，P_th表示检测门限。

1.2)确定NGEO地面站对GEO卫星造成干扰的区域：按照ITU规定，如果NGEO系统对GEO系统的epfd值(equivalent power flux-density)大于所规定的门限值，则认为GEO系统会受到有害干扰。

1.2.1)计算NGEO地面站在GEO卫星方向的离轴角θ₃：

θ₃＝arccos(d_ne→gs·BD′/|d_ne→gs|·|BD|)，

BD＝OD-OB＝[h·sinβ,h·cosβ]-[req·sinα,req·cosα]，

d_ne→gs＝OG-OB＝[0,42164]-[req·sinα,req·cosα]，

其中，BD表示NGEO地面终端到NGEO卫星的距离；d_ne→gs代表NGEO地面站和GEO卫星之间的距离；

1.2.2)计算GEO卫星在NGEO地面站方向的离轴角θ₄：

θ₄＝arccos(AG·d_ne→gs′/|AG|·|d_ne→gs|)，

AG＝OG-OA＝[0,42164]-[req·sinr,req·cosr]；

1.2.3)根据离轴角θ₃、θ₄计算GEO卫星受到NGEO地面终端的干扰epfd值：

其中，G_net表示NGEO地面终端天线的增益，G_gsr表示GEO卫星天线的增益，G_gsr,max表示GEO卫星天线的最大增益；

1.2.4)确定GEO卫星的受干扰的区域：当epfd≥epfd_th时，GEO卫星和NGEO卫星之间的地心角β所对应的范围就是GEO卫星受干扰的区域；其中，《无线电规则》中规定了不同频段epfd的门限值epfd_th。

1.3)同时满足P_ge→ns≤P_th和epfd≥epfd_th的区域即为上行链路频谱感知的盲区。

上述各步骤中，对于下行链路，具体判断方法如下：

2.1)根据输入参数确定NGEO地面站可检测到GEO卫星信号的区域：如果NGEO地面终端接收到GEO卫星的信号功率大于检测门限值，则认为可以检测到GEO卫星的信号。

输入的参数包括：NGEO卫星的高度h、GEO卫星和NGEO卫星之间的地心角β(β∈[0,2π])和GEO卫星的发射功率P_gst；

2.1.1)计算NGEO地面终端接收到GEO卫星的信号功率大小P_ge→ns：

其中，G_gst表示GEO卫星天线的增益，G_ner表示NGEO地面终端天线的增益，G_get和G_nsr的值参考ITU建议书；

2.1.2)确定NGEO卫星的可检测到GEO地面终端信号的区域：若P_gs→ne≥P_th，GEO卫星和NGEO卫星之间的地心角β所对应的范围就是NGEO卫星的检测区域；其中，P_th是检测门限。

2.2)确定NGEO卫星对GEO地面终端造成干扰的区域；具体确定方法如下：

2.2.1)计算GEO地面终端受到NGEO卫星的干扰epfd值：

其中，G_nst表示NGEO卫星天线的增益，G_ger表示GEO地面终端天线的增益，G_ger,max表示GEO地面终端天线的最大增益；

2.2.2)确定GEO地面终端的受干扰的区域：当epfd≥epfd_th时，GEO卫星和NGEO卫星之间的地心角β所对应的范围就是GEO卫星受干扰的区域。

2.3)同时满足P_gs→ne≤P_th和epfd≥epfd_th的区域即为下行链路频谱感知的盲区。

本发明还提供一种避免对GEO系统干扰的频谱感知盲区的判断装置，其包括信号检测模块、干扰判断模块和盲区判断模块。其中：

信号检测模块用于根据输入参数确定NGEO系统可检测到GEO系统的区域；

干扰判断模块用于确定NGEO系统对GEO系统造成干扰的区域；

盲区判断模块根据NGEO系统接到到GEO系统的信号功率大小和GEO系统受到NGEO系统的干扰epfd值，用于确定频谱感知的盲区。

上述实施例中，对于上行链路：信号检测模块用于根据输入参数确定NGEO卫星可检测到GEO地面站信号的区域；干扰判断模块用于确定NGEO地面站对GEO卫星造成干扰的区域；盲区判断模块用于确定上行链路频谱感知的盲区。

上述实施例中，对于下行链路：信号检测模块用于根据输入参数确定NGEO地面站可检测到GEO卫星信号的区域；干扰判断模块用于确定NGEO卫星对GEO地面终端造成干扰的区域；盲区判断模块用于确定下行链路频谱感知的盲区。

实施例：本实施例在某颗GEO和NGEO卫星系统中，两系统地面终端距离3.31公里，GEO地面终端位于GEO卫星的映射点上。NGEO系统参考O3b系统，高度h在500Km到30000Km之间变化。

上行链路载波频率28.28Hz，按照《无线电规则》，epfd_th的值为-162dBw/m²，GEO卫星系统上行链路参数：卫星EIRP值为71dBW；地面站天线直径8m；GEO地面站EIRP值为66dBW。图3是上行链路，NGEO卫星接收到GEO地面站信号功率的等高线表示，横轴是NGEO卫星的高度，纵轴是β角的大小，黑色粗线是检测门限，黑色粗线下方代表可以NGEO卫星可以检测到GEO地面站信号的区域。

图4是上行链路，GEO卫星受到NGEO地面站干扰epfd的等高线表示，横轴是NGEO卫星的高度，纵轴是β角的大小，黑色粗线是干扰门限，黑色粗线下方代表GEO卫星受NGEO地面站干扰的区域。

将图3中的检测区域和图4中的干扰区域放入一个图中，如图5所示，当NGEO卫星的高度低于7000Km时，检测区域包含了干扰区域，此时不存在频谱感知的盲区，可以使用频谱感知算法；当NGEO卫星的高度高于7000Km时，在干扰区域中存在着NGEO系统检测不到GEO系统信号的情况，此时存在频谱感知的盲区。比如当NGEO高度为10000Km，β＞0.2^o时，存在频谱感知的盲区。

下行链路载波频率18.48Hz，按照《无线电规则》，epfd_th的值为-161.4dBw/m²，GEO卫星系统下行链路参数：卫星EIRP值为71dBW；地面终端天线直径0.75m。

图6是下行链路，NGEO地面终端接收到GEO卫星信号功率的等高线表示，横轴是NGEO卫星的高度，纵轴是β角的大小，黑色粗线是检测门限，黑色粗线下方代表NGEO地面终端可以检测到GEO卫星信号的区域。

图7是下行链路，GEO地面终端受到NGEO卫星干扰epfd的等高线表示，横轴是NGEO卫星的高度，纵轴是β角的大小，黑色粗线是干扰门限，黑色粗线下方代表GEO地面终端受NGEO卫星干扰的区域。

将图6中的检测区域和图7中的干扰区域放入一个图中，如图8所示，检测区域包含干扰区域，因此在下行链路中不存在频谱感知的盲区。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。