24.65~25.25 GHz頻段IMT-2020（5G）系統(tǒng)對衛(wèi)星廣播系統(tǒng)干擾分析

韓銳，張磊，李偉，劉珊杉，王冠，劉春花

?

24.65~25.25 GHz頻段IMT-2020（5G）系統(tǒng)對衛(wèi)星廣播系統(tǒng)干擾分析

韓銳1，張磊1，李偉1，劉珊杉1，王冠2，劉春花3

（1. 國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037；2. 環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082；3. 北京郵電大學(xué)，北京 100876）

基于WRC-19 1.13議題研究框架和國內(nèi)6 GHz以上IMT-2020（5G）候選頻段的兼容性分析要求，針對24.65~25.25 GHz頻段IMT-2020（5G）系統(tǒng)對衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的干擾進(jìn)行研究。采用蒙特卡洛的仿真方法，比較了靜止軌道衛(wèi)星經(jīng)度分別在東經(jīng)59°、85°、113°時，IMT-2020（5G）系統(tǒng)基站對衛(wèi)星廣播系統(tǒng)上行饋線鏈路的集總干擾情況。通過仿真分析，評估了5G系統(tǒng)對不同軌位衛(wèi)星兩類載波的集總干擾水平。研究結(jié)果表明，在該頻段，IMT-2020（5G）系統(tǒng)不會對衛(wèi)星廣播系統(tǒng)產(chǎn)生有害干擾，相關(guān)研究結(jié)果可為未來毫米波頻段IMT-2020（5G）系統(tǒng)頻率規(guī)劃以及保護(hù)衛(wèi)星廣播系統(tǒng)提供技術(shù)依據(jù)。

通信技術(shù)；IMT-2020（5G）系統(tǒng)；干擾分析；衛(wèi)星廣播系統(tǒng)

1 引言

作為未來全球?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)無縫覆蓋的重要技術(shù)手段，5G系統(tǒng)是以信息化驅(qū)動現(xiàn)代化、建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國、提供普遍服務(wù)的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]。為在全球5G發(fā)展占據(jù)有利先機(jī)，世界各國紛紛加大在5G技術(shù)、頻譜、標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)化等方面的戰(zhàn)略布局[2]。我國在《國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》中提出，在2020年5G技術(shù)研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)取得突破性進(jìn)展，其中5G高頻段資源是5G頻譜戰(zhàn)略的重要組成，相關(guān)頻率規(guī)劃以及支撐規(guī)劃劃分的兼容性研究也成為各國無線電管理機(jī)構(gòu)面臨的重要問題[3]。

為滿足覆蓋、容量與性能等多方面的要求，5G系統(tǒng)的頻率需求缺口較以往顯著增加，考慮到在高頻段范圍內(nèi)尋找連續(xù)大帶寬具有更大的可能性，在2015年世界無線電大會（WRC-15）上，通過了WRC-19 1.13新議題，審議為國際移動通信的未來發(fā)展確定新頻段[4]，該議題將針對24.25~86 GHz頻段范圍內(nèi)的11個潛在候選頻段開展分析研究，為5G系統(tǒng)的下一步發(fā)展尋找毫米波頻段資源[5]。

24.25~27.5 GHz頻段是WRC-19 1.13議題候選頻段中最低的一段，在國際電信聯(lián)盟（ITU）《無線電規(guī)則》[6]頻率劃分表中，雖然移動業(yè)務(wù)在此頻段是主要劃分，但同時也有衛(wèi)星固定（地對空）、衛(wèi)星地球探測（空對地）以及衛(wèi)星間業(yè)務(wù)等主要劃分共享該頻段。研究地位的優(yōu)先、復(fù)雜的劃分、激烈的討論，已經(jīng)使得該頻段成為5G系統(tǒng)最受關(guān)注的先鋒頻段，因此開展5G系統(tǒng)在該頻段與其他主要業(yè)務(wù)的干擾分析顯得尤為重要。

考慮到在24.65~25.25 GHz頻段，衛(wèi)星廣播系統(tǒng)使用劃給該頻段的衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)作為上行饋線信號，因此未來5G系統(tǒng)如果在該頻段部署，將有可能對衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的衛(wèi)星接收產(chǎn)生影響，亟須對系統(tǒng)間的兼容性進(jìn)行分析。

本文通過分析6 GHz以上5G候選頻段的需求，在研究WRC-19 1.13議題框架及ITU建議書與報告的基礎(chǔ)上，參考5G系統(tǒng)與衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的典型參數(shù)與部署場景，首次研究了5G系統(tǒng)在24.65~25.25 GHz頻段同頻部署時對我國廣播電視衛(wèi)星上行接收的影響，評估5G系統(tǒng)集總干擾對衛(wèi)星上行鏈路的影響。

2 系統(tǒng)描述

考慮到在衛(wèi)星廣播系統(tǒng)中，接收饋線上行信號的靜止軌道（geostationary orbit，GEO）衛(wèi)星位于赤道上空約36 000 km的高度，單顆衛(wèi)星可視范圍占地球表面積1/3以上，由于地球上不同的點對于靜止軌道衛(wèi)星的角與方位角都不相同，因此對衛(wèi)星的干擾也不相同。

在我國境內(nèi)，首先確定在城市微蜂窩部署場景下，單位面積內(nèi)5G基站對GEO衛(wèi)星產(chǎn)生的干擾；其次根據(jù)衛(wèi)星饋線波束范圍內(nèi)所占的面積，計算出饋線波束覆蓋范圍內(nèi)5G基站對GEO衛(wèi)星的干擾；考慮到未來發(fā)展，我國在此頻段范圍內(nèi)可能會部署多個饋線鏈路上行站，因此需要考慮我國境內(nèi)所有5G基站對衛(wèi)星接收端的集總干擾，最終通過干擾噪聲比來判斷是否滿足對衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的干擾保護(hù)要求。

2.1 5G系統(tǒng)技術(shù)與操作特性

由于24.25~27.5 GHz屬于毫米波頻段，電磁波的傳播衰減較大，因此5G系統(tǒng)利用此頻段作為低頻段的補(bǔ)充，即在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎拢晷^(qū)（macro cell）工作在低頻段以滿足覆蓋需要，微小區(qū)（micro cell）工作在高頻段用來提高系統(tǒng)容量，典型的應(yīng)用場景包括城市微蜂窩和室內(nèi)場景。由于GEO單個饋線波束覆蓋直徑高達(dá)800 km以上，因此5G系統(tǒng)在覆蓋區(qū)域內(nèi)為城市微蜂窩與室內(nèi)場景混合組網(wǎng)模式，考慮到高頻段室內(nèi)場景穿透損耗較大，本文僅考慮波束覆蓋范圍內(nèi)城市微蜂窩對衛(wèi)星的集總干擾。

假設(shè)5G系統(tǒng)工作在TDD模式，則基站/終端都將在相同的頻段進(jìn)行信號的收發(fā)操作。為了減少系統(tǒng)內(nèi)部干擾以及集中能量傳輸，工作在微小區(qū)的基站和終端天線采用波束成形技術(shù)，因此基站發(fā)射天線的波束指向?qū)偢蓴_有直接影響。

對于城市微蜂窩場景，在1 km2的區(qū)域內(nèi)確定30個的宏小區(qū)的拓?fù)洌ㄕ鹃g距為200 m），每個宏小區(qū)包含3個相同的六邊形扇區(qū)；然后在每個宏小區(qū)范圍內(nèi)部署一個微基站，并確保微基站之間的距離不小于50 m，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 城市微蜂窩拓?fù)洌▎挝唬簃）

2.2 衛(wèi)星廣播系統(tǒng)技術(shù)與操作特性

24.65~25.25 GHz頻段主要用于衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的上行饋線鏈路。此類系統(tǒng)在該頻段有部署多個饋線鏈路上行站的可能，因此考慮衛(wèi)星在覆蓋波束區(qū)以內(nèi)都能夠收到同頻部署的5G系統(tǒng)干擾信號，衛(wèi)星對覆蓋區(qū)域下處于不同地理位置的設(shè)備接收天線增益會有所差別。

通過ITU第四研究組發(fā)布的聯(lián)絡(luò)函[7]，衛(wèi)星廣播系統(tǒng)饋線鏈路的典型參數(shù)涉及兩類：載波#1的波束寬度為0.65°，衛(wèi)星接收增益51 dBi，系統(tǒng)噪聲溫度900 K，帶寬30 MHz；載波#2的波束寬度和帶寬與載波#1相同，衛(wèi)星接收增益46 dBi，系統(tǒng)噪聲溫度760 K。

本文關(guān)注中國范圍內(nèi)可視區(qū)域，覆蓋我國境內(nèi)。考慮單波束覆蓋區(qū)域為直徑1 000 km范圍的圓，考慮實際情況與仿真復(fù)雜度的折中，將此圓均勻布滿中國范圍內(nèi)可視區(qū)域（海域除外），每個圓內(nèi)的5G基站對衛(wèi)星的仰角不變，不同圓內(nèi)的5G基站對衛(wèi)星的仰角根據(jù)地理坐標(biāo)重新計算。

3 仿真模型

3.1 路徑損耗模型

3.1.1 5G系統(tǒng)路徑損耗模型

仿真中5G系統(tǒng)基站與終端之間的鏈路損耗模型主要參照3GPP TR38.900中的LOS模型。對于城市微蜂窩：

其中，是終端與基站間的傳播距離，單位為m；是載波頻率，單位為GHz。

基站與終端之間的耦合路徑損耗CL如式（2）所示，BS與MS分別為基站和終端的天線增益，路徑損耗不低于基站與移動臺之間的最小耦合損耗（MCL），此外還需附加對數(shù)正態(tài)陰影衰落。

3.1.2 地對空路徑損耗模型

5G系統(tǒng)與GEO衛(wèi)星的路徑損耗采用自由空間模型：

其中，為IMT基站發(fā)射端與衛(wèi)星接收端的視距，單位為km；為工作頻率，單位為GHz。

對于地物損耗，采用ITU傳播模型P.2108[8]：

3.2 5G系統(tǒng)基站天線模型

5G基站天線在高頻段采用了波束成形技術(shù)，波束成形天線基于天線陣列，并且由位于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）沿著軸。加權(quán)函數(shù)用于在各個方向上引導(dǎo)波束。總天線增益是陣列增益和陣元增益的和（對數(shù)標(biāo)度）。具體地，陣元增益的計算方式參考ITU建議書M.2101[9]：

對于特定的波束，其陣列增益的計算方式如下：

（7）

3.3 GEO衛(wèi)星天線模型

其中，=G+L+25lg()，，=1為圓主副軸比，G為天線主瓣的最大增益，。對于載波#1與載波#2，分別為51 dBi與46 dBi，L= –20 dB，L=0 dBi，L=max(0,15+L+ 0.25G+5lg)dBi，為關(guān)注頻率的波長，=2.58，，=6.32。

3.4 通信方位角計算

3.4.1 地對空

已知5G基站和衛(wèi)星的位置，基站與衛(wèi)星的仰角和方位角采用式（9）計算：

3.4.2 5G基站天線物理下傾后的仰角、方位角

為了減少小區(qū)間干擾，5G系統(tǒng)基站天線一般會設(shè)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(yīng)采用式（10）矯正：

4 仿真設(shè)置

由于實際5G系統(tǒng)中的終端是移動的，為了更真實地模擬實際環(huán)境，需要采用蒙特卡羅法仿真進(jìn)行系統(tǒng)級仿真，抓拍（snap-shot）取樣，最后用統(tǒng)計方法進(jìn)行分析。由于每次取樣服從均勻分布，仿真次數(shù)足夠多便可模擬實際系統(tǒng)中用戶各種位置的可能性。

4.1 仿真步驟

仿真步驟如下所示。

步驟1 按照圖1的小區(qū)拓?fù)涑跏蓟緟?shù)，每次抓拍前初始化用戶參數(shù)。

步驟2 計算各終端路徑損失，生成陰影衰落。

步驟3 計算終端與基站間的仰角和方位角，得到耦合路徑損失CL，針對每個終端，找到CL最小的基站接入。

步驟4 基站從接入它的終端中隨機(jī)選擇個位于天線正前方120°范圍內(nèi)的終端進(jìn)行調(diào)度。

步驟5 根據(jù)負(fù)載因子確定基站的激活狀態(tài)，未激活的基站不參與以下步驟。

步驟6 基站將波束對準(zhǔn)調(diào)度的用戶，計算波束增益，并保存波束的方向。

步驟7 確定基站的發(fā)射功率IMT。

步驟8 計算基站與衛(wèi)星的仰角和方位角。

步驟9 計算5G系統(tǒng)與衛(wèi)星之間的耦合路徑損耗為GLIMT-GEO=PLIMT-GEO-IMT-GEO-GEO，其中IMT-GEO是基站天線波束在衛(wèi)星方向的天線發(fā)射增益，GEO是衛(wèi)星端的接收天線增益，PLIMT-GEO是基站與衛(wèi)星之間的路徑損耗。

4.2 集總干擾

根據(jù)基站的發(fā)射功率、基站與衛(wèi)星的耦合路徑損耗，計算出單個5G基站對GEO衛(wèi)星的干擾。

根據(jù)ITU-R S.1432-1[10]建議書，當(dāng)固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星作為被干擾系統(tǒng)且工作頻率低于30 GHz時，以/≤–12.2 dB作為評估準(zhǔn)則。

4.3 仿真參數(shù)

仿真中5G系統(tǒng)和衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的主要參數(shù)[12]見表1。

5 仿真結(jié)果與分析

5.1 相對仰角的影響

圖2顯示了不同仰角下5G基站與GEO衛(wèi)星之間的地物損耗累計分布曲線。從圖2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GEO衛(wèi)星的仰角對干擾水平有較大影響，本文也通過選取3個不同的軌道位置對比不同仰角下5G基站帶來的集總干擾。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

圖2 地對空雜散損耗累計分布曲線

5.2 5G基站天線模式的影響

建議書ITU-R M.2101中給出5G基站天線陣列，圖3和圖4分別給出了天線波束增益在垂直方向和水平方向的變化曲線。基站采用8×8陣元天線。

圖3 垂直天線增益（）

圖4 水平天線增益（）

圖5給出了當(dāng)5G系統(tǒng)部署在北京（116°16′E、40°03′N），衛(wèi)星分別為59° E、85° E以及113° E時，5G基站波束指向衛(wèi)星的天線增益累計分布曲線（含歐姆損耗，用戶的撒放方式為在基站周圍半徑為100 m的圓內(nèi)隨機(jī)撒點）。顯然，當(dāng)衛(wèi)星軌位為59° E時，基站對衛(wèi)星的天線增益最大，85° E次之，113° E最小。衛(wèi)星軌位為113° E時，基站和衛(wèi)星之間的仰角最大，偏離波束的角度最大，因此基站對GSO衛(wèi)星的天線增益最小。

5.3 集總干擾

表2顯示了GEO衛(wèi)星在載波1#模式下，在單位面積與所有覆蓋面積下受到的集總干擾。從仿真結(jié)果看，當(dāng)衛(wèi)星軌位為59° E時干擾最大，這是因為從圖5的仿真結(jié)果得出該軌位5G基站對衛(wèi)星的天線增益最大，因此對衛(wèi)星接收的影響也最大。

圖5 IMT基站波束指向空間站的累計分布曲線（8×8天線）

表2 載波1#情況下5G基站對衛(wèi)星的干擾

表3顯示了GEO衛(wèi)星在載波2#模式下，在單位面積與所有覆蓋面積下受到的集總干擾。從表3中可以看出，衛(wèi)星受到的干擾趨勢與載波1#相同，在軌位為59° E時干擾最大。從具體干擾數(shù)值來看，由于載波1#比載波2#的接收增益大5 dB，因此對衛(wèi)星的干擾水平針對每個軌位也分別高4~5 dB，符合理論預(yù)期。

表3 載波2#情況下5G基站對衛(wèi)星的干擾

從上述仿真結(jié)果可以看出，考慮5G系統(tǒng)在全國范圍內(nèi)的部署情況，在現(xiàn)有部署參數(shù)下，衛(wèi)星廣播系統(tǒng)在3個不同軌位的衛(wèi)星針對兩類載波受到的集總干擾都未超過保護(hù)要求，至少有2.5 dB的余量。

6 結(jié)束語

本文依據(jù)國際電信聯(lián)盟WRC-19 1.13議題，研究5G系統(tǒng)與衛(wèi)星廣播系統(tǒng)同頻部署時的兼容性。仿真研究表明，針對覆蓋我國上空的3個靜止軌道衛(wèi)星，在全國范圍內(nèi)按照標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)部署5G系統(tǒng)不會對衛(wèi)星廣播系統(tǒng)產(chǎn)生有害干擾，最差情況也有2.5 dB的余量。相關(guān)研究結(jié)果可為5G系統(tǒng)在27~29.5 GHz 候選頻段與衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的兼容性部署提供技術(shù)依據(jù)。

[1] SEXTON C, KAMINSKI N J, MARQUEZ-BARJA J M, et al. 5G: adaptable networks enabled by versatile radio access technologies[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2017, 19(2): 688-720.

[2] AGIWAL M, ROY A, SAXENA N. Next generation 5G wireless networks: a comprehensive survey[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2016, 18(3): 1617-1655.

[3] 朱穎, 許穎, 方箭. 基于WRC-19 1.13新議題的5G高頻段研究概況及展望[J]. 電信網(wǎng)技術(shù), 2016(3): 5-10.

ZHU Y, XU Y, FANG J. Outline and prospect on 5G high frequency band study based on the new agenda item 1.13 of WRC-15[J]. Telecommunications Network Technology, 2016(3): 5-10.

[4] 方箭, 李景春, 黃標(biāo), 等. 5G頻譜研究現(xiàn)狀及展望[J]. 電信科學(xué), 2015, 31(12): 111-118.

FANG J, LI J C, HUANG B, et al. Review and prospect on the research of 5G spectrum[J]. Telecommunications Science, 2015, 31(12): 111-118.

[5] 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[S]. 2015.

[6] ITU radio regulations (edition 2016)[M]. [S.l.: s.n.], 2016.

[7] FSS/BSS technical parameters for sharing studies under, WRC-19 agenda item 1.13 liaison statement to task group 5/1[S]. 2016.

[8] 3GPP. Study on channel model for frequency spectrum above 6 GHz: TR38.900 (V14.1.0)[S]. 2016.

[9] ITU-R. Prediction of clutter loss: ITU-R P. 2018-0[S]. 2017.

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

[11] ITU-R. Apportionment of the allowable error performance degradations to fixed-satellite service (FSS) hypothetical reference digital paths arising from time invariant interference for systems operating below 30 GHz: ITU-R S.1432-1[S]. 2006.

[12] ITU-R. Modelling and simulation of IMT networks and systems for use in sharing and compatibility studies: ITU-R M. 2101-0[S]. 2017.

Interference analysis between IMT-2020 (5G) system and broadcasting satellite service system in the band of 24.65~25.25 GHz

HAN Rui1, ZHANG Lei1, LI Wei1, LIU Shanshan1, WANG Guan2, LIU Chunhua3

1. State Radio Monitoring Center, Beijing 100037, China 2. Nuclear and Radiation Safety Center, MEP, Beijing 100082, China 3. Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China

Based on the Agenda Item 1.13 of WRC-19 and requirements for domestic compatibility analysis of 5G candidate frequency bands above 6 GHz, the interference from IMT-2020 system (5G) to broadcasting satellite service system in 24.65~25.25 GHz band was studied. The Monte Carlo simulation method was used to assess the aggregate interference from IMT base station (BS) to the up-link of feeder link of broadcasting satellite where the geostationary orbit satellite at 59℃, 85℃ and 113℃ longitude. The aggregate interference level from 5G system to the two kinds of carriers of the satellite system with different orbits was evaluated via simulation analysis. Research results show that the IMT-2020 (5G) system will not cause harmful interference for broadcasting satellite services system. The results can provide technology basis for future planning of IMT-2020 (5G) system in millimeter wave and protecting of broadcasting satellite system.

communication technology, IMT-2020(5G) system, interference analysis, broadcasting satellite service system

TN927

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018137

2017?11?23；

2018?03?21

王冠，wg_169@163.com

韓銳（1984–），男，博士，國家無線電監(jiān)測中心高級工程師，主要研究方向為無線通信和電磁兼容。

張磊（1989–），男，國家無線電監(jiān)測中心助理工程師，主要研究方向為衛(wèi)星頻率軌道資源需求分析、系統(tǒng)間兼容共存。

李偉（1984–），男，博士，國家無線電監(jiān)測中心高級工程師，主要研究方向為系統(tǒng)間干擾分析、衛(wèi)星頻率和軌道資源可行性論證、頻譜需求預(yù)測等。

劉珊杉（1990–），女，國家無線電監(jiān)測中心工程師，主要研究方向為衛(wèi)星頻率和軌道資源應(yīng)用、衛(wèi)星系統(tǒng)間兼容共存。

王冠（1985–），女，環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心高級工程師，主要研究方向為電磁兼容與環(huán)境影響評價。

劉春花（1995–），女，北京郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向為IMT系統(tǒng)之間的兼容性分析、5G系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、衛(wèi)星系統(tǒng)與IMT系統(tǒng)間的兼容性分析。