27～29.5 GHz頻段IMT-2020(5G)系統對衛星固定業務系統干擾分析研究

張磊 韓銳 劉春花 李偉

(1. 國家無線電監測中心,北京 100037;2. 北京郵電大學,北京 100876)

引 言

目前,隨著國際移動系統的快速發展,IMT-2020 (5G)(以下簡稱為IMT)系統的頻譜需求將越來越大．為有效提升數據傳輸速率和系統容量,IMT系統需要挖掘6 GHz以上高頻段頻譜資源．27～29.5 GHz頻段相對較低且連續大帶寬,被部分國家和地區視為IMT系統的候選頻段[1-2],該頻段目前也是我國IMT系統備選的重要頻段之一．然而,目前該頻段已廣泛用于衛星固定業務(Fixed Satellite Service, FSS)系統(包括對地靜止衛星軌道(Geostationary Satellite Orbit, GSO)衛星和非對地靜止衛星軌道(Non-GSO, NGSO)衛星)的上行鏈路,是發展和規劃大容量寬帶衛星的重要頻段,我國也存在多個正在運行和已經立項規劃的FSS系統．因此,IMT系統在此頻段的規劃及部署有可能對FSS系統的衛星接收產生影響,系統間的兼容性分析亟需開展．

本文基于國內研究分析6 GHz以上第5代移動通信(the 5th Generation,5G)候選頻段的需求,WRC-19 1.13議題[3]研究框架及ITU-R Rec.M.2101建議書,在調研我國27～29.5 GHz頻段運行和規劃衛星系統典型參數的基礎上,首次研究了27～29.5 GHz頻段可能部署的國際移動通信系統 (International Mobile Telecom System,IMT)對已有FSS GSO系統多波束應用的干擾．研究基于系統的特性參數和IMT典型部署模型[4],在同頻部署場景下,分析多波束復用的GSO FSS衛星接收端受到來自中國及其周邊800 km內IMT基站的集總干擾,評估IMT系統對衛星上行鏈路的影響．

1 系統描述

考慮到單個GSO FSS點波束覆蓋面積較大,我們主要分析城市微蜂窩場景下,衛星單個點波束覆蓋范圍內IMT基站對GSO衛星產生的集總干擾．假設GSO衛星處于三個不同的軌位(59°E,85°E,113°E),整體系統拓撲圖如圖1 所示．首先,確定城市微蜂窩部署場景下,單位面積內IMT基站對GSO衛星產生的干擾;其次,根據此場景在點波束覆蓋范圍內所占的面積, 計算出點波束覆蓋范圍內IMT基站對GSO衛星的集總干擾．由于GSO衛星采用了多個點波束同頻復用,因此衛星接收端的集總干擾將由所有同頻復用的波束覆蓋范圍內IMT基站產生的集總干擾累積形成．

圖1 整體網絡拓撲

根據仿真計算獲得的集總干擾I,推算出到達衛星接收口面的干噪比I/N．根據國際電聯ITU-R S.1432-1建議書,當FSS衛星作為被干擾系統且工作頻率低于30 GHz時,以I/N=-12.2 dB作為評估準則．衛星接收到的I/N低于-12.2 dB時,則滿足對衛星的保護要求．

1.1 IMT系統技術與操作特性

由于27～29.5 GHz處于高頻段,電磁波的傳播特性差,因此IMT系統將假設利用此頻段作為其低頻段的補充．即在異構網絡拓撲下,宏小區(macro cell)工作在低頻段以擴大覆蓋范圍,微小區(micro cell)工作在高頻段以幫助提高系統容量,典型的應用場景包括城市微蜂窩和室內場景．由于GSO衛星單個點波束覆蓋直徑高達450 km的圓形區域,因此點波束覆蓋區域是城市微蜂窩與室內場景混合組網模式,考慮到室內場景穿透損耗較大,本文僅考慮波束覆蓋范圍內城市微蜂窩對衛星的集總干擾．且考慮到系統內部干擾和抵抗電波損耗,基站和終端天線采用波束賦形技術．

在研究局部區域IMT系統對GSO衛星的干擾時,對于城市微蜂窩場景,考慮1平方千米的局部區域,先在區域內確定30個宏小區的拓撲(站間距(Inter Site Distance, ISD)為200 m),每個宏小區包含三個相同的六邊形扇區;然后在每個宏小區范圍內撒放一個微基站,并確保微基站之間的距離不小于50 m,網絡拓撲如圖2所示．

圖2 1平方千米內IMT網絡拓撲圖

1.2 GSO FSS系統技術與操作特性

27～29.5 GHz頻段主要用于FSS系統的上行鏈路．對于GSO網絡,有兩種典型的波束,分別為用戶波束和饋線波束,用戶波束的覆蓋面積比饋線波束的覆蓋面積小．對于用戶波束,假定衛星對整個覆蓋區域下的所有設備的接收天線增益是相同的;而對于饋線波束,衛星對覆蓋區域下處于不同地理位置的設備的接收天線增益有所差別．

本仿真只考慮用戶波束．經過調研,我國FSS系統用戶波束的典型參數如下:波束寬度0.6°,衛星接收增益52 dBi,噪聲溫度549 K,波束覆蓋直徑450 km,帶寬355 MHz．本文仿真區域如圖3所示,其中紅色區域為主干擾區域,區域內直徑為450 km的90個用戶波束均勻放置,并布滿整個仿真區域,為了確保全部覆蓋,相鄰用戶波束的圓心距為400 km.圖3僅繪制了四個示例用戶波束(橙色圓圈);紅色區域外的黑色區域為次干擾區域,黑色次干擾區將紅色主干擾區域外擴兩個波束距離,即800 km,均勻放置33個用戶波束(地球海域除外)．

圖3 GSO網絡研究的干擾區域

2 仿真模型

2.1 路徑損耗(Path Loss,PL)模型

2.1.1 IMT系統PL模型

仿真中基站與終端之間的鏈路損耗模型主要參照3GPP TR38.900[5]中的視距(Line-of-Sight, LOS)模型．對于城市微蜂窩:

LP(d)=32.4+21lg(d)+20lg(f).

(1)

式中:d是終端與基站間的傳播距離,m;f是載波頻率,GHz．

IMT系統基站與終端之間的耦合損耗 (Coupling Loss, CL)如式(2)所示,GBS與GUE分別為基站和終端的天線增益,PL不低于基站與移動臺之間的最小耦合損耗(Minimum Coupling Loss, MCL),此外還需附加對數正態陰影衰落F．

LC=max(LP-GBS-GUE+F,LMC).

(2)

2.1.2 地對空路徑損耗模型

IMT系統與GSO衛星的路徑損耗采用自由空間模型:

LP(d)=92.5+20lg(d)+20lg(f).

(3)

式中:d為IMT基站發射端與衛星接收端的視距,km;f為工作頻率,GHz．

對于地物損耗,采用以下模型:

1-0.6Q-1(p/100).

(4)

式中:K1=93(f0.175);A1=0.05;Q-1(p/100)為逆補正態分布函數;θ為衛星對于IMT基站/終端的仰角,(°);p在0～100之間取值．

2.2 IMT天線模型

IMT基站天線在高頻段采用了波束賦形技術,波束賦形天線基于天線陣列,并且由位于yz平面中具有固定間隔距離的多個相同輻射陣元組成,所有陣元具有相同的輻射圖案且“指向”(具有最大方向性)沿著x軸．加權函數用于在各個方向上引導波束．總天線增益是陣列增益和陣元增益的和(對數標度)．具體地,陣元增益的計算方式如下:

AE(φ,θ)=GE,max-

min{-[AE,H(φ)+AE,Y(θ)],Am}.

(5)

式中:GE,max為最大陣元增益, dBi;AE,H以及AE,Y分別為水平和垂直方向的輻射圖案,φ(-180°～180°)和θ(0°～180°)分別為接收機相對于發射天線的方位角和下傾角．考慮到天線具有歐姆損耗,因此實際的陣元增益應該由式(5)得到的陣元增益減去歐姆損耗得到:

(6)

對于特定的波束i,其陣列增益的計算方式如下:

AA,Beami(θ,φ)=AE(θ,φ)+

n=1,2,…,NV;m=1,2,…,NH.

(7)

式中,θi,etilt和φi,escan分別為波束相對于天線的下傾角(相對于天線垂直圖案最大增益指向)和方位角．根據最新TG 5/1會議輸入文稿[6],IMT系統基站天線增益如圖4所示.

圖4 IMT BS天線三維增益圖

2.3 GSO衛星天線模型

采用ITU-R S.672[7]建議書中推薦的衛星接收機天線模型．假設IMT系統與衛星天線主瓣方向的離軸角為φ(°),則衛星對IMT信號的接收增益G(φ)采用式(8)計算,根據國際通用的Visualyse軟件給出的天線增益模型如圖5所示.

(8)

圖5 ITU-R S.672 建議書衛星接收天線模型增益圖

2.4 通信方位角計算

2.4.1 地對空

已知點波束和衛星的位置,點波束與衛星的仰角H和方位角A采用式(9)計算:

(9)

式中:φg、θg分別為點波束的經度和緯度;φs為衛星所在軌道位置的經度．

2.4.2 IMT基站天線物理下傾后的仰角、方位角

為了減少小區間干擾,IMT基站天線一般會設置一個物理下傾角以控制天線主瓣的覆蓋范圍.然而一旦天線物理下傾后,在天線水平面測得的仰角和方位角就不再適用．實際上相對于天線的仰角和方位角應采用式(10)矯正:

(10)

式中:-90°≤θh≤90°為從天線位置處水平面測到的俯仰角, (°);-180°≤φh≤180°為從最大增益方位測量到的天線位置處水平面中的方位角,(°);β為物理下傾角,(°)．

3 仿真分析

由于實際IMT網絡中的終端是移動的,為了更真實地模擬實際IMT系統,需要采用蒙特卡洛法進行系統級仿真,抓拍(Snap-shot)取樣,最后用統計方法進行分析．由于每次取樣服從均勻分布,仿真足夠多次便可模擬實際系統中用戶各種位置的可能性．

3.1 仿真步驟

1)按照圖2初始化基站參數,每次抓拍前初始化用戶參數;

2)計算各終端路徑損失,生成陰影衰落F;

3)計算終端與基站間的仰角和方位角,得到耦合損耗LC,針對每個終端,找到LC最小的基站接入;

4)基站從接入它的終端中隨機選擇K個位于天線正前方120°范圍內的終端進行調度;

5)根據負載因子確定基站的激活狀態,未激活的基站不參與以下步驟;

6)基站將波束對準調度的用戶終端(User Equipment, UE),計算波束增益,并保存波束的方向;

7)確定基站的發射功率PIMT;

8)計算基站與衛星的仰角H和方位角A;

9)計算IMT系統與GSO衛星之間的耦合損耗為LC,IMT-GSO=LP,IMT-GSO-GIMT-GSO-GGSO,其中GIMT-GSO是基站天線波束在衛星方向的天線發射增益,GGSO是衛星端的接收天線增益,LP,IMT-GSO是基站與衛星之間的路徑損耗．

3.2 集總干擾

根據基站的發射功率、基站與衛星的耦合路徑損耗,計算出單個IMT基站對GSO衛星的干擾:

(11)

式中:i為基站序號;Ii為該基站對GSO衛星的干擾,dBm．

局部區域內的集總干擾為區域內所有激活基站產生的干擾之和．對于用戶波束,單個點波束覆蓋區域內IMT系統對GSO衛星的集總干擾,可以根據點波束的覆蓋范圍以及局部區域所占的面積比(Ra和Rb)計算得出．然后將研究區域內所有同頻復用的點波束的集總干擾相加即為所有波束的集總干擾It．

最后,由于IMT系統與GSO FSS系統上行鏈路的工作帶寬不對稱,因此要對集總干擾進行處理,實際的集總干擾I計算如下:

I=It+10lg(WB,GSO/WB,IMT).

(12)

3.3 仿真參數

仿真中IMT[8-9]和GSO FSS系統的主要參數如表1所示.

表1 仿真參數列表

4 仿真結果分析

4.1 相對仰角的影響

圖6顯示了不同仰角下IMT基站與GSO衛星之間的地物損耗累計分布曲線．從圖中可看出,仰角越低,地物損耗越大,因此基站部署位置指向位于軌道GSO衛星的仰角對干擾有決定性作用,本文將通過變化GSO衛星所在經度對比不同仰角下的集總干擾．

圖6 地對空地物損耗累計分布曲線

4.2 IMT天線模式的影響

ITU-R M.2101中給出兩種模式的天線陣列,圖7和圖8分別給出了天線波束增益在垂直方向的變化曲線．顯然,圖8中曲線更為陡峭,且波峰比圖 7高6 dB左右．從而可以得出:16×16天線波束主瓣和旁瓣都比8×8陣元天線更窄,天線的波束指向更精確,峰值波束增益比8×8大6 dB．

圖7 天線增益在垂直方向的變化曲線(8×8天線)

圖8 天線增益在垂直方向的變化曲線(16×16天線)

圖9和圖10給出了點波束在北京(東經116°16′、北緯40°03′)、GSO衛星分別為59°E、85°E以及113°E時,IMT基站波束指向衛星的天線增益累計分布曲線(含歐姆損耗,UE的撒放方式為在基站周圍半徑為40 m的圓內隨機撒點)．顯然,當衛星軌位為59°E時基站對GSO衛星的天線增益最大,85°E次之,113°E最小．衛星軌位為113°E時,基站和衛星之間的仰角最大,偏離波束的角度最大,因此基站對GSO衛星的天線增益最小．此外,圖10中同一顏色的曲線比圖9中更加陡峭,這是因為16×16天線的波束指向精確度更高,波束主瓣和旁瓣更窄,導致GSO衛星落在IMT基站波束的主瓣和旁瓣的概率更小,因此累計分布曲線更為陡峭．

圖9 IMT基站波束指向衛星的累計分布曲線(8×8天線)

圖10 IMT基站波束指向衛星的累計分布曲線(16×16天線)

4.3 集總干擾

表2顯示了GSO衛星的主瓣集總干擾(對應圖3紅色區域范圍)以及主瓣和近旁瓣的集總干擾(對應圖3黑色區域范圍)．可見,紅色區域和黑色區域的干擾值相差不超過0.1 dB,即GSO衛星近旁瓣區域對集總干擾的影響較小,基本可以忽略不計,通過主瓣區域內集總干擾就可以評估IMT基站對GSO衛星的干擾．

表2 不同區域集總干擾(I/N) dB

表3顯示了不同天線類型下主瓣區域內IMT基站對GSO衛星產生的集總干擾.表中可見衛星軌位為59°E時干擾最大,這是由于該軌位基站對GSO衛星的天線增益最大,即GSO衛星軌位與部署IMT基站的經度差越大,兩系統間的干擾也就越大．此外,天線陣列陣元越多指向性越好,旁瓣也越小,因此16×16天線模式下IMT基站對GSO衛星的集總干擾比8×8天線模式更小．根據I/N=-12.2 dB的保護門限要求,在本文參考的特性參數下兩系統有最小9.6 dB的干擾余量．

表3 不同IMT天線模式集總干擾(I/N) dB

考慮到每個波束覆蓋范圍內的熱點區域占比并不相同,特別是在大型城市熱點區域基站密度與仿真參數有所偏差,以59°E軌位的用戶波束為例,研究熱點因子Rb變化時,對衛星集總干擾的影響.假設Rb從0.05至0.5變化,IMT基站對衛星的集總干擾如圖11所示．可見,當所關注區域有40%以上都為熱點區域時,IMT基站對衛星的干擾將超出保護門限值,即密集部署場景下兩個系統將無法共存．

臨界點單個波束覆蓋范圍下(50萬平方千米),相當于部署了42.2萬個基站,假設北京區域城區面積為1.641萬平方千米,則相當于在北京熱點區域部署13 784個基站．

圖11 熱點因子Rb對集總干擾的影響

5 結 論

根據干擾評估準則可得出,依照本文參考的特性參數IMT與GSO FSS系統能在27～29.5 GHz頻段實現共存,且干擾余量均在9.6 dB以上．隨著IMT系統基站側大規模天線陣元的增加[10],進一步減小了對GSO FSS系統衛星接收端的干擾,同時需要注意到IMT實際部署密度超過一定限值之后會超過GSO FSS系統的干擾保護標準．該研究結果可為推進IMT 系統在27～29.5 GHz 頻段與GSO FSS的兼容性部署提供技術依據．

[1] RAPPAPORT T S, SUN S, MAYZUS R, et al. Millimeter wave mobile communications for 5G cellular: it will work![J]. IEEE access, 2013, 1: 335-349.

[2] HASSAN W A, JO H S, THAREK A R. The feasibility of coexistence between 5G and existing services in the IMT-2020 candidate bands in Malaysia[J]. IEEE access, 2017, 5: 14867-14888.

[3] ITU-R. Decision on the establishment and terms of reference of study group 5 task group 5/1 (TG 5/1) on WRC-19 agenda item 1.13: CPM19-1[R]. Geneva: ITU, 2015.

[4] 韓銳, 張曉燕, 劉暢, 等. IMT 系統對1518—1525 MHz 頻段衛星移動系統的干擾[J]. 電信科學, 2016, 32(3): 99-104.

HAN R, ZHANG X Y, LIU C, et al. Interference from IMT system and satellite mobile system in 1518—1525 MHz band[J]. Telecommunications science, 2016, 32(3): 99-104. (in Chinese)

[5] 3GPP. 3GPP Document TR 38.900 (V14.1.0), study on channel model for frequency spectrum above 6 GHz[R]. 3GPP, 2016: 24-28.

[6] ITU-R Document R15-TG5.1-C-0173[R/OL]. [2017-09-15]. https://www.itu.int/md/R15-TG5.1-C-0173/en.

[7] ITU-R. ITU-R Documen R-REC-S.672-4, Satellite antenna radiation pattern for use as a design objective in the fixed-satellite service employing geostationary satellites[R]. Geneva: ITU, 1997.

[8] ITU-R. ITU-R Documen 5D/TEMP/265-E, Characteristics of terrestrial IMT systems for frequency sharing/interference analyses in the frequency range between 24.25 GHz and 86 GHz[R]. Geneva: ITU, 2017.

[9] ITU-R. ITU-R Document M.2101-0, Modeling and simulation of IMT networks and systems for use in sharing and compatibility studies[R]. Geneva: ITU, 2017.

[10] GUPTA A, JHA R K. A survey of 5G network: architecture and emerging technologies[J]. IEEE access, 2015, 3: 1206-1232.