CN113950065A - 一种基于保护区和定向天线的同频干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于保护区和定向天线的同频干扰抑制方法，涉及卫星‑5G一体化网络中的同频干扰机理分析技术，为了解决现有的卫星‑5G一体化间接接入网络中频谱共享时的同频干扰信号强度大的问题。本发明通过构建间接接入的星地一体化网络模型，得出保护区最小半径；通过对定向天线模型进行解析，以及对5G基站天线波束模型和卫星中继基站天线波束模型分别归一化处理，得出卫星中继基站的主瓣增益和旁瓣增益以及5G基站的主瓣增益和旁瓣增益；进而构建具有定向天线节点的保护区网络模型，对卫星中继基站的干扰门限进行分析，得出卫星中继基站保持正常通信概率；以调整卫星中继基站定向天线的仰角，抑制同频干扰。有益效果为降低了接收来自5G基站的干扰信号强度。

Description

一种基于保护区和定向天线的同频干扰抑制方法

技术领域

本发明涉及卫星-5G一体化网络中的同频干扰机理分析技术。

背景技术

随着无线通信技术的迅速发展，仅依靠地面设备的移动通信网络已经无法满足移动用户和网络供应商对服务质量和数据流量的需求；为解决此类问题并能够扩充地面移动网络，卫星系统在提供广泛通信服务中的作用变得非常重要。

为了实现未来网络的万物互联，地面移动系统和卫星移动系统都在尽力展现自己的优势，同时也弥补双方的劣势；地面移动系统虽然可以提供高数据速率和低延迟服务，但是目前的系统只能覆盖大约20％的陆地面积，仅占整个地球表面的6％；相比之下，卫星移动系统可以真正的覆盖全球，并且在灾难尤其是地震的情况下具有更强的通信能力，但是卫星移动系统却面临着长距离传输的挑战；因此，在第五代移动通信系统发展阶段，行业和技术界都在大力推动将地面移动通信和卫星通信相集成，以期实现随时随地的无缝覆盖和高质量服务；许多卫星通信公司诸如O3B、SpaceX、LeoSat、OneWeb都在考虑设计属于自己的新巨型卫星星座；通过发射更多的高通量卫星和巨型卫星星座来实现高带宽，低延迟以及广覆盖的地面服务，为海洋、空中、山区等缺乏基础通信设施的地方提供通信条件。

众所周知，频谱资源是非常宝贵并且稀缺的；卫星与5G网络的频谱共享可以从根本上解决网络集成所带来的频谱资源短缺问题；因此，在其进行频谱共享时采取适当的干扰管理解决方案是至关重要的；在卫星地面终端和具有高输出功率的地面基站之间设置保护距离是有效缓解干扰的关键技术之一；国内外已经开展了相关干扰解决方案的研究；根据卫星与蜂窝网络下行链路共存的情况，研究卫星受干扰接收机周围所需的最小保护距离。结果表明保护距离可以显著降低干扰，但需要较大的保护距离，这限制了5G系统在密集城市地区中的部署。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的卫星-5G一体化间接接入网络中频谱共享时的同频干扰信号强度大的问题，提出了一种基于保护区和定向天线的同频干扰抑制方法。

本发明所述的一种基于保护区和定向天线的同频干扰抑制方法，该抑制分析方法包括以下步骤：

步骤一、基于5G基站、卫星中继基站和LEO卫星，构建间接接入的星地一体化网络模型；

步骤二、在步骤一构建的星地一体化网络模型基础上，对卫星中继基站的圆形保护区范围进行分析，得出保护区最小半径；

步骤三、基于5G基站和卫星中继基站，构建定向天线模型，并通过对定向天线模型进行解析，分别形成5G基站天线波束模型和卫星中继基站天线波束模型，再通过对5G基站天线波束模型和卫星中继基站天线波束模型分别归一化处理，得出卫星中继基站的主瓣增益和旁瓣增益以及5G基站的主瓣增益和旁瓣增益；

步骤四、根据步骤二得出的保护区最小半径，并基于步骤三得出的卫星中继基站主瓣增益和旁瓣增益以及5G基站的主瓣增益和旁瓣增益，构建具有定向天线节点的保护区网络模型；

步骤五、根据步骤四构建的具有定向天线节点的保护区网络模型，对卫星中继基站的干扰门限进行分析，得出卫星中继基站保持正常通信概率；

步骤六、根据步骤五得出的卫星中继基站保持正常通信概率，调整卫星中继基站定向天线的仰角，从而实现抑制卫星中继基站接收来自5G基站的干扰信号强度。

本发明的有益效果是：对卫星-5G一体化间接接入网络中同频干扰问题进行了详细的分析，并针对主要干扰链路，即地面5G基站对卫星中继基站的干扰，提出了基于保护区和基于定向天线设计的干扰分析方法；给出了地面5G基站与卫星中继基站之间所需的保护距离；在此基础上，对卫星中继基站天线进行定向设计，进一步缓解卫星系统与地面系统间的干扰，使用随机几何框架的方式数学分析了卫星中继基站在满足信号干扰噪声比要求时，天线仰角对其正常通信概率的影响；通过增大卫星中继基站的天线仰角，降低了接收来自5G基站的干扰信号强度。

附图说明

图1为具体实施方式一中的间接接入的星地一体化网络模型示意图；

图2为具体实施方式一中的5G基站与卫星中继基站间所需的保护区半径示意图；

图3为具体实施方式一中的5G基站与卫星中继基站的定向天线模型示意图；

图4(a)为具体实施方式一中的5G基站天线波束模型示意图；(b)为具体实施方式一中为卫星中继基站天线波束模型示意图；

图5为具体实施方式一中的具有定向天线节点的保护区网络模型示意图；

图6为具体实施方式一中5G干扰基站的发射功率与保护区半径之间的关系曲线图；

图7为具体实施方式一中5G干扰基站密度与保护区半径之间的关系曲线图；

图8为具体实施方式一中卫星中继基站在不同仰角下保持正常通信的概率值仿真图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于保护区和定向天线的同频干扰抑制方法，该抑制方法包括以下步骤：

步骤一、基于5G基站、卫星中继基站和LEO卫星，构建间接接入的星地一体化网络模型；

步骤二、在步骤一构建的星地一体化网络模型基础上，对卫星中继基站的圆形保护区范围进行分析，得出保护区最小半径；

步骤三、基于5G基站和卫星中继基站，构建定向天线模型，并通过对定向天线模型进行解析，分别形成5G基站天线波束模型和卫星中继基站天线波束模型，再通过对5G基站天线波束模型和卫星中继基站天线波束模型分别归一化处理，得出卫星中继基站的主瓣增益和旁瓣增益以及5G基站的主瓣增益和旁瓣增益；

步骤四、根据步骤二得出的保护区最小半径，并基于步骤三得出的卫星中继基站主瓣增益和旁瓣增益以及5G基站的主瓣增益和旁瓣增益，构建具有定向天线节点的保护区网络模型；

步骤五、根据步骤四构建的具有定向天线节点的保护区网络模型，对卫星中继基站的干扰门限进行分析，得出卫星中继基站保持正常通信概率；

步骤六、根据步骤五得出的卫星中继基站保持正常通信概率，调整卫星中继基站定向天线的仰角，从而实现抑制卫星中继基站接收来自5G基站的干扰信号强度。

在本实施方式中，在步骤一中构建间接接入的星地一体化网络模型中：

LEO卫星，用于为卫星中继基站提供卫星网络；

卫星中继基站，用于为卫星用户提供接入链路；

5G基站，用于为地面网络用户提供接入链路，并且在地面网络用户接入链路时会对LEO卫星提供的卫星网络产生同频干扰；

其中，卫星网络的正常运行通信需要与其他空间或地面的业务共享其上行链路或下行链路的频段；并且，在卫星网络共享其上行链路时，卫星中继基站发射的传输信号对5G基站的接收造成同频干扰以及地面网络用户发射的传输信号对LEO卫星的接收造成同频干扰；在卫星网络共享其下行链路时，5G基站发射的传输信号对卫星中继基站的接收造成同频干扰以及LEO卫星发射的传输信号对地面网络用户的接收造成同频干扰。

如图1所示，为基于保护区的间接接入的星地一体化网络模型示意图；其中，阴影部分为地面5G基站与卫星中继基站之间所需的保护区；同频干扰具体表示为以下四种情况，其中，干扰C表示下行同频链路干扰情况，干扰D表示上行同频干扰链路情况；即，

干扰C1表示地面基站发射的传输信号对卫星地面中继基站的接收造成的干扰；

干扰C2表示卫星发射的传输信号对地面用户的接收造成的干扰；

干扰D1表示卫星地面中继基站发射的传输信号对地面基站的接收造成的干扰；

干扰D2表示地面用户发射的传输信号对卫星的接收造成的干扰；

在本实施方式中，步骤二中得出保护区最小半径的具体方法为：

假设有k个地面5G基站，且密度为ρ随机均匀分布在半径R₀至R的环形区域中；则卫星中继基站端接收到的信号干扰噪声比表示为：

其中，SINR代表卫星中继基站端接收到的信号干扰噪声比；P_rs代表卫星中继基站接收到来自LEO卫星的有用信号功率；I_bs→nr为中继基站接收到来自5G基站的平均集总干扰；N₀代表卫星中继基站接收端的噪声功率；P_bs代表5G基站的发射功率；G_bs代表5G基站的发射天线增益；G_rn代表卫星中继基站的接收天线增益；σ表示瑞利信道的阴影衰落；c为光在真空条件下的传播速度，c＝3×10⁸m/s；f为工作频段；R₀为保护区最小半径；R为保护区最大半径；ρ为5G基站随机均匀分布的密度；卫星中继基站所能接受的干扰阈值为β，卫星中继基站接收到的SINR满足以下条件：

对上式进一步整理，得出卫星中继基站保护区最小半径R₀为：

在本实施方式中，定向天线模型的具体结构如图3所示，在步骤三中构建定的定向天线模型中：

5G基站，装有定向天线，并具有理想的发射波束方向和接收波束方向；

卫星中继基站，装有定向天线，并具有理想的发射波束方向和接收波束方向。

在本实施方式中，在步骤三中形成卫星中继基站天线波束模型的具体方法为：

卫星中继基站定向天线的增益以G_S表示；卫星中继基站定向天线的增益G_S由方位角φ_s和仰角θ_s两个参数来确定；仰角θ_s和方位角φ_s是基于卫星中继基站方向的相对角度，因此，在给定卫星中继基站定向天线的仰角θ_s时，并将卫星中继基站定向天线的增益转化到二维空间上时，形成的是以卫星中继基站为中心、以卫星中继基站定向天线的扇形波束为旋转半径的卫星中继基站天线波束模型。

在本实施方式中，在步骤三中形成5G基站天线波束模型的具体方法为：

5G基站定向天线的增益以G_c表示，由于5G基站定向天线的波束方向朝下，即，5G基站定向天线的波束在高度上与卫星中继基站定向天线的波束高度相比，忽略不计；进而5G基站的定向天线的增益G_c只取决于相对方位角φ_c；因此，将5G基站的定向天线的增益转化到二维空间上时，形成的是以5G基站为中心、以5G基站定向天线的扇形波束为旋转半径的5G基站天线波束模型。

在本实施方式中，步骤三中得出卫星中继基站的主瓣增益和旁瓣增益以及5G基站的主瓣增益和旁瓣增益的具体方法为：

由于5G基站定向天线和卫星中继基站定向天线都具有理想的发射波束方向和接收波束方向，因此，卫星中继基站定向天线的增益G_S和5G基站定向天线的增益G_c在定向角度上对称，根据5G基站定向天线的旁瓣和主瓣的分布情况，5G基站定向天线的增益G_c具有两个离散值，其概率密度函数分别表示为：

式中，

表示5G基站定向天线增益的概率密度函数，

表示5G基站定向天线的出现旁瓣的概率，g_c,1表示5G基站定向天线的主瓣增益，g_c,2表示5G基站定向天线的旁瓣增益，ω_c为给定的5G基站定向天线波束宽度；

在给定旁瓣增益的范围为：0＜g_c,2＜2π/(2π-ω_c)的条件下，利用通过公式

对5G基站定向天线各个方向上的波束增益进行归一化处理，得到5G基站定向天线的主瓣增益为：

g_c,1＝2π-g_c,2(2π-ω_c)/ω_c＞0

卫星中继基站定向天线的增益G_s根据仰角的不同分为两种情况；一种是在卫星中继基站定向天线的仰角θ_s大于ω_s/2时，卫星中继基站定向天线指向5G基站方向上的波束增益具有单个增益值，即旁瓣增益；另一种是当卫星中继基站定向天线仰角θ_s小于ω_s/2时，卫星中继基站定向天线指向5G基站方向上的波束具有两个离散的增益值，即旁瓣增益和主瓣增益；具体表示如下：

在

时，

在

时，

其中，

为卫星中继基站定向天线波束增益的概率密度函数，g_s,1表示卫星中继基站定向天线的主瓣增益，g_s,2表示卫星中继基站定向天线的旁瓣增益；ω_s为给定的中继基站定向天线波束宽度；

对上述公式进行归一化处理，得到卫星中继基站定向天线的主瓣增益和旁瓣增益分别为：

g_s,2＝P_t,s/A₂(ω_s)

g_s,1＝4π-g_s,2(A-A₂(ω_s))/(A-A₂(ω_s))

其中，A为常数A＝4π；A₂(ω_s)为中间计算值；P_t,s是卫星的发射功率。

步骤四中构在本实施方式中，步骤四中构建的定向天线节点的保护区网络模型的具体方法为：

步骤四一、设立以卫星中继基站为圆心，以R₀为最小半径的圆形保护区；

步骤四二、将多个带有定向天线的5G基站随机分布在卫星中继基站圆形保护区的四周；

步骤四三、设置卫星中继基站定向天线的主瓣增益和旁瓣增益；

步骤四四、设置多个带有定向天线的5G基站定向天线的主瓣增益和旁瓣增益，形成保护区网络模型；

其中，卫星中继基站与多个带有定向天线的5G基站，具有旁瓣到旁瓣，主瓣到旁瓣，旁瓣到主瓣和主瓣到主瓣的四种TX-RX波束方向；卫星中继基站的主瓣波束为扇形。

为了保护卫星通信不受地面网络的干扰，将地面网络的5G基站不能部署的区域定义为圆形保护区，为满足现实蜂窝网络中基站的分布情况，5G基站的分布采用强度λ＞0的非均匀泊松分布；

构建的具有定向天线节点的保护区网络模型如图5所示，其中，起始处的黑色实心圆圈表示卫星中继基站，带有扇形波束的虚线圆圈代表随机分布的5G蜂窝基站，其具有旁瓣到旁瓣，主瓣到旁瓣，旁瓣到主瓣和主瓣到主瓣的四种TX-RX波束方向；由直虚线组成的圆形扇区表示卫星中继的主瓣波束，原点周围的虚线圆圈表示保护区范围。

在本实施方式中，步骤五中对卫星中继基站的干扰门限进行分析，得出卫星中继基站保持正常通信概率的具体方法为：

使卫星中继基站和5G基站之间的信道考虑小尺度瑞利衰落和传播损耗，则卫星中继基站接收到的第k个5G基站的干扰功率为：

其中，P_t,c为5G基站的发射功率，G_c为5G基站的天线波束增益，φ_c,k为第k个5G基站到卫星中继基站的相对方位角，G_s为卫星中继基站的天线波束增益，θ_s为卫星中继基站定向天线的仰角，φ_s,k为卫星中继基站到第k个5G基站的相对方位角；d_k表示第k个5G基站到卫星中继基站的距离；α₁＝3，为路径损耗指数；

使小尺度衰落信道增益h_k服从指数分布，则卫星中继基站接收到有用卫星信号的功率为：

P_r,s＝P_t,sg_s,1g_s,2h_sL(d_s,θ_s,f_c)^-1 (2)

其中，P_t,s为卫星中继基站的发射功率；g_s,1为卫星中继基站定向天线的主瓣增益；g_s,2为卫星中继基站定向天线的旁瓣增益；h_s为LEO卫星信号链路的衰落信道增益；L(d_s,θ_s,f_c)为与天线仰角θ_s相关的路径损耗值，f_c为工作频率，d_s为LEO卫星与卫星中继基站之间的距离；

再根据卫星中继基站接收到的第k个5G基站的干扰功率和卫星中继基站接收到有用卫星信号的功率，计算出在5G基站的干扰影响下，卫星中继基站依然保持正常通信的概率为：

其中，

λ：5G基站服从非均匀泊松分布系数，g_c：5G基站天线增益，g_s：卫星中继基站天线增益，R_E：保护区范围0≤x≤R_E，₂F₁是高斯超几何函数，

5G基站天线波束增益的概率密度函数，

卫星中继基站天线波束增益的概率密度函数；

完成对卫星中继基站的干扰门限分析，根据该干扰门限分析得出卫星中继基站保持正常通信概率，根据卫星中继基站保持正常通信概率可知，通过增大卫星中继基站的天线仰角，以降低接收来自5G基站的干扰信号强度。

在本实施方式中，按照具体实施方式进行仿真，仿真过程中仿真参数设定如下：LEO卫星轨道6000km；工作频率28GHz；系统带宽10MHz；卫星的EIRP＝63dBm；地面中继基站发射功率40dBm；5G基站发射功率34dBm～43dBm；5G基站发射天线增益16dBi；卫星天线增益40dBi；卫星中继基站接收天线增益-10dBi；降雨衰减2dB；噪声功率-172.6dBm/Hz。路径损耗指数3；地面中继基站半波束角7；5G基站半波束角30°；地面中继基站天线主瓣增益41.4dBi；地面中继基站天线旁瓣增益-10dBi；5G基站天线主瓣增益10dBi；5G基站天线主瓣增益-7.4dBi。

仿真环境为：matlab R2018b

仿真结果如图6、图7、图8所示。

由图6可以看出，5G基站发射功率越高，卫星中继基站接收到的信号干扰噪声比越低，也就是卫星中继基站接收到的干扰越大。在SINR为20dB，5G基站发射功率为34dBm、37dBm、40dBm和43dBm时，5G基站与卫星中继基站之间所需的保护区半径分别为5km、7km、9km和13km。也就说明在不严重影响卫星系统的服务质量的条件下，卫星中继基站与地面5G基站的最小保护距离需大于在特定SINR要求下的保护区半径。

由图7可以看出，5G基站密度越大，干扰基站数量越多，卫星中继基站接收到的信号干扰噪声比越低，也就是卫星中继基站接收到的干扰越大。在SINR为20dB，5G基站密度分别为10^-4/km²、10^-3/km²、10^-2/km²、10^-1/km²和1/km²时，5G基站与卫星中继基站之间所需的保护区半径分别是小于1km、小于1km、3km、10km和30km。也就说明地面5G基站部署越密集，卫星中继基站与地面5G基站之间所需的保护区半径越大。

由图8可以看出，随着天线仰角θ_s的增大，卫星中继基站天线的主瓣波束方向不在指向干扰基站，降低了卫星中继接收来自5G基站干扰信号的强度。随着仰角θ_s的增大，卫星中继基站可以更好的接收来自卫星发射的有用信号。此外，卫星中继基站与卫星之间的距离随天线仰角的增大而变小，进而降低了路径传播损耗，提高了系统性能。不同仰角θ_s下的正常通信概率P_s的变化率不同，路径损耗中的θ_s是一个正弦函数，当θ_s较小时，正弦函数的变化率相对于θ_s的变化率较大。因此，卫星中继基站的正常通信概率的增长趋势变化是先快后慢，在仰角为90°时基本达到最大值。

Claims (9)

1.一种基于保护区和定向天线的同频干扰抑制方法，其特征在于，该抑制方法包括以下步骤：

步骤一、基于5G基站、卫星中继基站和LEO卫星，构建间接接入的星地一体化网络模型；

步骤二、在步骤一构建的星地一体化网络模型基础上，对卫星中继基站的圆形保护区范围进行分析，得出保护区最小半径；

步骤三、基于5G基站和卫星中继基站，构建定向天线模型，并通过对定向天线模型进行解析，分别形成5G基站天线波束模型和卫星中继基站天线波束模型，再通过对5G基站天线波束模型和卫星中继基站天线波束模型分别归一化处理，得出卫星中继基站的主瓣增益和旁瓣增益以及5G基站的主瓣增益和旁瓣增益；

步骤四、根据步骤二得出的保护区最小半径，并基于步骤三得出的卫星中继基站主瓣增益和旁瓣增益以及5G基站的主瓣增益和旁瓣增益，构建具有定向天线节点的保护区网络模型；

步骤五、根据步骤四构建的具有定向天线节点的保护区网络模型，对卫星中继基站的干扰门限进行分析，得出卫星中继基站保持正常通信概率；

步骤六、根据步骤五得出的卫星中继基站保持正常通信概率，调整卫星中继基站定向天线的仰角，从而实现抑制卫星中继基站接收来自5G基站的干扰信号强度。

2.根据权利要求1所述的一种基于保护区和定向天线的同频干扰抑制方法，其特征在于，在步骤一中构建间接接入的星地一体化网络模型中：

LEO卫星，用于为卫星中继基站提供卫星网络；

卫星中继基站，用于为卫星用户提供接入链路；

5G基站，用于为地面网络用户提供接入链路，并且在地面网络用户接入链路时会对LEO卫星提供的卫星网络产生同频干扰；

其中，卫星网络的正常运行通信需要与其他空间或地面的业务共享其上行链路或下行链路的频段；并且，在卫星网络共享其上行链路时，卫星中继基站发射的传输信号对5G基站的接收造成同频干扰以及地面网络用户发射的传输信号对LEO卫星的接收造成同频干扰；在卫星网络共享其下行链路时，5G基站发射的传输信号对卫星中继基站的接收造成同频干扰以及LEO卫星发射的传输信号对地面网络用户的接收造成同频干扰；

同频干扰具体表示为以下四种情况，其中，干扰C表示下行同频链路干扰情况，干扰D表示上行同频干扰链路情况；即，

干扰C1表示地面基站发射的传输信号对卫星地面中继基站的接收造成的干扰；

干扰C2表示卫星发射的传输信号对地面用户的接收造成的干扰；

干扰D1表示卫星地面中继基站发射的传输信号对地面基站的接收造成的干扰；

干扰D2表示地面用户发射的传输信号对卫星的接收造成的干扰。

3.根据权利要求2所述的一种基于保护区和定向天线的同频干扰抑制方法，其特征在于，步骤二中得出保护区最小半径的具体方法为：

假设有k个地面5G基站，且密度为ρ随机均匀分布在半径R₀至R的环形区域中；则卫星中继基站端接收到的信号干扰噪声比表示为：

其中，SINR代表卫星中继基站端接收到的信号干扰噪声比；P_rs代表卫星中继基站接收到来自LEO卫星的有用信号功率；I_bs→nr为中继基站接收到来自5G基站的平均集总干扰；N₀代表卫星中继基站接收端的噪声功率；P_bs代表5G基站的发射功率；G_bs代表5G基站的发射天线增益；G_rn代表卫星中继基站的接收天线增益；σ表示瑞利信道的阴影衰落；c为光在真空条件下的传播速度，c＝3×10⁸m/s；f为工作频段；R₀为保护区最小半径；R为保护区最大半径；ρ为5G基站随机均匀分布的密度；卫星中继基站所能接受的干扰阈值为β，卫星中继基站接收到的SINR满足以下条件：

对上式进一步整理，得出卫星中继基站保护区最小半径R₀为：

4.根据权利要求3所述的一种基于保护区和定向天线的同频干扰抑制方法，其特征在于，在步骤三中构建定的定向天线模型中：

5G基站，装有定向天线，并具有理想的发射波束方向和接收波束方向；

卫星中继基站，装有定向天线，并具有理想的发射波束方向和接收波束方向。

5.根据权利要求4所述的一种基于保护区和定向天线的同频干扰抑制方法，其特征在于，在步骤三中形成卫星中继基站天线波束模型的具体方法为：

在给定卫星中继基站定向天线的仰角θ_s时，并将卫星中继基站定向天线的增益转化到二维空间上时，形成的是以卫星中继基站为中心、以卫星中继基站定向天线的扇形波束为旋转半径的卫星中继基站天线波束模型。

6.根据权利要求5所述的一种基于保护区和定向天线的同频干扰抑制方法，其特征在于，在步骤三中形成5G基站天线波束模型的具体方法为：

将5G基站的定向天线的增益转化到二维空间上，形成以5G基站为中心、以5G基站定向天线的扇形波束为旋转半径的5G基站天线波束模型。

7.根据权利要求6所述的一种基于保护区和定向天线的同频干扰抑制方法，其特征在于，步骤三中得出卫星中继基站的主瓣增益和旁瓣增益以及5G基站的主瓣增益和旁瓣增益的具体方法为：

根据5G基站定向天线的旁瓣和主瓣的分布情况，5G基站定向天线的增益G_c具有两个离散值，其概率密度函数分别表示为：

式中，

表示5G基站定向天线增益的概率密度函数，

表示5G基站定向天线的出现旁瓣的概率，g_c,1表示5G基站定向天线的主瓣增益，g_c,2表示5G基站定向天线的旁瓣增益，ω_c为给定的5G基站定向天线波束宽度；

在给定旁瓣增益的范围为：0＜g_c,2＜2π/(2π-ω_c)的条件下，利用通过公式

对5G基站定向天线各个方向上的波束增益进行归一化处理，得到5G基站定向天线的主瓣增益为：

g_c,1＝2π-g_c,2(2π-ω_c)/ω_c＞0

卫星中继基站定向天线的增益G_s根据仰角的不同分为两种情况；一种是在卫星中继基站定向天线的仰角θ_s大于ω_s/2时，卫星中继基站定向天线指向5G基站方向上的波束增益具有单个增益值，即旁瓣增益；另一种是当卫星中继基站定向天线仰角θ_s小于ω_s/2时，卫星中继基站定向天线指向5G基站方向上的波束具有两个离散的增益值，即旁瓣增益和主瓣增益；具体表示如下：

在

时，

在

时，

其中，

为卫星中继基站定向天线波束增益的概率密度函数，g_s,1表示卫星中继基站定向天线的主瓣增益，g_s,2表示卫星中继基站定向天线的旁瓣增益；ω_s为给定的中继基站定向天线波束宽度；

对上述公式进行归一化处理，得到卫星中继基站定向天线的主瓣增益和旁瓣增益分别为：

g_s,2＝P_t,s/A₂(ω_s)

g_s,1＝4π-g_s,2(A-A₂(ω_s))/(A-A₂(ω_s))

其中，A为常数A＝4π；A₂(ω_s)为中间计算值；P_t,s是卫星的发射功率。

8.根据权利要求7所述的一种基于保护区和定向天线的同频干扰抑制方法，其特征在于，步骤四中构建的定向天线节点的保护区网络模型的具体方法为：

步骤四一、设立以卫星中继基站为圆心，以R₀为最小半径的圆形保护区；

步骤四二、将多个带有定向天线的5G基站随机分布在卫星中继基站圆形保护区的四周；

步骤四三、设置卫星中继基站定向天线的主瓣增益和旁瓣增益；

步骤四四、设置多个带有定向天线的5G基站定向天线的主瓣增益和旁瓣增益，形成保护区网络模型；

其中，卫星中继基站与多个带有定向天线的5G基站，具有旁瓣到旁瓣，主瓣到旁瓣，旁瓣到主瓣和主瓣到主瓣的四种TX-RX波束方向；卫星中继基站的主瓣波束为扇形。

9.根据权利要求8所述的一种基于保护区和定向天线的同频干扰抑制方法，其特征在于，步骤五中对卫星中继基站的干扰门限进行分析，得出卫星中继基站保持正常通信概率的具体方法为：

使卫星中继基站和5G基站之间的信道考虑小尺度瑞利衰落和传播损耗，则卫星中继基站接收到的第k个5G基站的干扰功率为：

其中，P_t,c为5G基站的发射功率，G_c为5G基站的天线波束增益，φ_c,k为第k个5G基站到卫星中继基站的相对方位角，G_s为卫星中继基站的天线波束增益，θ_s为卫星中继基站定向天线的仰角，φ_s,k为卫星中继基站到第k个5G基站的相对方位角；d_k表示第k个5G基站到卫星中继基站的距离；α₁＝3，为路径损耗指数；

使小尺度衰落信道增益h_k服从指数分布，则卫星中继基站接收到有用卫星信号的功率为：

P_r,s＝P_t,sg_s,1g_s,2h_sL(d_s,θ_s,f_c)^-1 (2)

其中，P_t,s为卫星中继基站的发射功率；g_s,1为卫星中继基站定向天线的主瓣增益；g_s,2为卫星中继基站定向天线的旁瓣增益；h_s为LEO卫星信号链路的衰落信道增益；L(d_s,θ_s,f_c)为与天线仰角θ_s相关的路径损耗值，f_c为工作频率，d_s为LEO卫星与卫星中继基站之间的距离；

再根据卫星中继基站接收到的第k个5G基站的干扰功率和卫星中继基站接收到有用卫星信号的功率，计算出在5G基站的干扰影响下，卫星中继基站依然保持正常通信的概率为：

其中，

λ：5G基站服从非均匀泊松分布系数，g_c：5G基站天线增益，g_s：卫星中继基站天线增益，R_E：保护区范围0≤x≤R_E，₂F₁是高斯超几何函数，

5G基站天线波束增益的概率密度函数，

卫星中继基站天线波束增益的概率密度函数；

完成对卫星中继基站的干扰门限分析。

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