基于基站協作的5G 與NGSO 星座系統間干擾規避方法研究

（國家無線電監測中心，北京 100037）

0 引言

隨著人們對移動通信網絡寬帶化的需求提升，5G 系統發展面臨著嚴重的頻譜資源缺口。研究表明，我國5G系統在6 GHz 以上頻譜資源需求量達到了14-19 GHz[1]。由于6 GHz 以上頻譜資源相對豐富，無線電業務劃分與使用相對簡單，能夠提供連續大帶寬頻帶，國際電信聯盟（ITU）在2015年世界無線電通信大會（WRC-15）上為2019年WRC 大會設立5G 高頻段議題，針對24.25-86 GHz 范圍內的11個候選頻段開展共存研究[2]。在WRC-19 上，全球范圍內將24.25-27.5 GHz、37-43.5 GHz 和66-71 GHz 頻段標識用于5G 及國際移動通信系統未來發展[3]。

隨著微小衛星制造技術的發展以及衛星發射成本的降低，非靜止軌道（NGSO）星座熱潮興起，SpaceX、OneWeb、Amazon 等多家公司先后加入NGSO 星座建設浪潮用以提供寬帶互聯網服務[4]。這些新興NGSO 星座系統擬集中使用37.5-43.5 GHz 頻段，與5G 毫米波系統存在嚴重的用頻沖突[5]。考慮到NGSO 星座系統與5G毫米波系統預期的全球覆蓋規模以及終端無處不在的使用特性，這兩系統之間將存在潛在的有害干擾。因此，在37-43.5 GHz 頻段部署5G 系統和NGSO 星座系統之前，開展干擾規避研究用以減緩系統間干擾的程度顯得為必要和迫切。

目前，關于NGSO 星座系統與5G 系統間的干擾規避方法研究處于起步探索階段，相關文獻報道較少，5G系統與靜止軌道（GSO）衛星系統或NGSO 系統與GSO系統之間的干擾規避方法有一定的研究。文獻[6]根據GSO 衛星與地面基站的位置關系，利用認知功率控制技術最大化地面終端用戶的信干噪比，同時確保不對GSO衛星系統終端造成干擾；文獻[7]提出了一種基于空間隔離的干擾規避方法，通過聯合設置規避區域與隔離角來避免Ka 頻段NGSO 衛星系統對GSO 衛星系統的上下行干擾；文獻[8]提出通過設置保護區域、調整功率、頻帶切割等方式來減緩C 頻段5G 系統對GSO 地球站的集總干擾；文獻[9]提出了一種基于扇區和波束禁區的干擾減緩方法，用以降低工作在70 GHz 和80 GHz 頻段的5G 用戶對固定業務系統的集總干擾。上述研究主要針對5G系統與GSO 衛星系統或固定業務系統之間的干擾場景，提出了波束關閉、功率控制、設置保護區等措施避免系統間的有害干擾。波束關閉措施使得5G 系統通信鏈路可用性無法保證，功率控制無法規避系統間嚴重的共線干擾，而設置保護距離使得5G 系統的部署受到其他系統地面站部署的約束。

針對上述問題，本文將深入研究5G 毫米波系統與NGSO 星座系統之間的干擾規避方法。建立面向Q/V 頻段5G 基站與NGSO 系統地球站的同頻下行干擾分析的數學模型，在將5G 基站構成基站簇的基礎上，提出一種基于5G 基站協作的干擾規避策略，并將進一步研究簇內基站數目對干擾規避策略有效性的影響，旨在為減緩5G 毫米波系統對NGSO 星座系統地球站的同頻或鄰頻干擾提供一種方式方法，從而為5G 基站部署提供技術參考。

1 同頻干擾場景與模型

1.1 同頻干擾場景

圖1為5G基站干擾NGSO 星座系統地球站的示意圖。O1為NGSO 星座系統地球站接收天線所處位置，O1P 為地球站的接收天線主軸方向，O2為5G 基站發射天線所處位置，O2A 為5G 基站指向5G 用戶終端的波束主軸方向，O1O2為5G基站對NGSO 星座系統地球站的干擾方向；ψ為干擾方向與地球站主軸方向的離軸角；φBS為5G 基站波束主軸在水平面的投影與水平線之間的夾角，即5G基站的方位角；φBS，ES為5G 基站相對于NGSO 星座系統地球站的方位角；θBS為5G 基站波束主軸與其在水平面的投影形成的角度，即5G 基站的仰角；θBS，ES為5G 基站相對于NGSO 星座系統地球站的仰角。

圖1 5G基站干擾NGSO地球站的場景示意圖

1.2 干擾計算

根據上節的干擾仿真場景，計算NGSO 地球站接收到來自5G 基站的干擾功率I 為：

圖2 干擾計算流程圖

式中，P為5G 基站的發射功率；Gtx（θBS，ES，φBS，ES）為基站在NGSO 地球站方向的發射天線增益；Ltx為自由空間損耗；Gtx（ψ）為NGSO 地球站在離軸角ψ方向上的天線接收增益；Lf為饋線損耗；ABW為帶寬調節因子。噪聲功率N為：

式中，T為接收機端的等效噪聲溫度，單位為K，dB 形式的玻爾茲曼常數取值為-228.6，單位為dBW/K/Hz；B為接收機系統帶寬，單位為Hz。

采用如圖2所示的干擾計算流程，仿真計算獲得I與N，得到到達NGSO 地球站的干噪比I/N。選取-12.2 dB 作為系統的干擾門限值，當NGSO 地球站接收到的I/N低于-12.2 dB 時，滿足干擾保護要求。

1.3 干擾分析關鍵模型

1.3.1 5G 基站天線模型

采用ITU-R M.2101建議書推薦的5G 系統大規模陣列天線[10]，通過波束賦形技術可使波束直接指向用戶終端。天線陣元的輻射模型見式（3）～式（5）：

式中，AE，H和AE，V分別為天線陣元水平和垂直方向的增益；φ和θ分別為波束的方位角和仰角；φ3dB和θ3dB為陣元水平/垂直3dB 波束寬度；Am為天線陣元前后比，反映了天線對后瓣的抑制能力；SLAV為天線旁瓣限制；AE（φ，θ）為天線陣元的天線增益，GE，max為每個天線陣元的最大天線增益。

假設天線陣列由NH行NV列天線陣元組成，通過對每個天線陣元做加權處理再進行疊加，可以得到特定波束i 的整個天線陣列的增益，如式（6）～式（8）。

式中，w為加權函數；v為偏移位置向量；dV和dH分別為天線陣元的垂直與水平分布間隔；θi，etilt為天線陣列下傾角；φi，escan為天線陣列水平角。

1.3.2 NGSO 地球站天線模型

在進行干擾分析時，NGSO 地球站天線模型參考建議書ITU-R S.1428[11]，具體的輻射天線方向圖見式（9）。

式中，ψ是偏離天線主軸方向的角度，即離軸角；D為地球站天線直徑，單位為米；λ為關注頻的波長；Gm為天線峰值增益，Gm=20log（D/λ）+8.4；。

1.3.3 路徑損耗模型

5G 基站與NGSO 地球站間的路徑損耗主要包括鏈路損耗和雜散損耗。對于鏈路損耗，采用自由空間模型：

式中，d為地球站發射機與5G 基站間的視距，單位為km；f為工作頻率，單位為GHz。

因為5G 基站和NGSO 地球站的假定天線高度都低于標稱雜散高度，所以仿真時需要考慮雜散損耗。參考ITU-R P.2108建議書[12]的3.2節，對于地到地路徑雜散損耗，不超過p%的位置，通過以下公式計算。

式中，Q-1（p/100）為逆補正態分布函數；f為頻率，單位為GHz；d為總的路徑長度，單位為km。

2 基于基站協作的干擾規避策略

2.1 干擾規避仿真場景

在5G 系統與NGSO 星座系統同頻共用的場景下，由于5G 系統無法預知NGSO 星座系統的運行狀況，不能與NGSO 星座系統進行協作，考慮最惡劣的干擾情況，即在5G 基站接入用戶時與NGSO 衛星與地球站產生共線干擾，系統間的干擾程度將極大地增加。因此，如果將一定區域內特定位置的5G 基站構成一個基站簇，如圖3所示，在此簇內，由若干個用戶和若干個5G 基站組成，用戶由基站提供服務關系。5G 基站簇會獲取當前簇內所有用戶與基站內的鏈路，簇內基站可以對用戶的服務請求進行協調接入，并且具備完整的NGSO 星座系統運行信息。

圖3 5G基站簇示意圖

2.2 干擾規避策略研究

將各個NGSO 星座系統的運行參數導入由若干地面5G 基站組成的地面5G 系統簇，即為地面5G 基站簇模擬衛星軌道及星地之間建立鏈接傳遞參數，5G 基站簇按采樣周期采集當前時刻簇內所有用戶的服務情況，包括每個基站服務用戶的位置及鏈路狀況；地面5G 基站簇模擬當前時刻內的衛星運行狀況，根據第一節的數學模型對本簇內的鏈路進行干擾計算分析，根據干擾分析結果將當前時刻內的干擾狀態返回5G 基站簇，基站簇根據干擾信息進行用戶的協調接入，如果有需要斷開的鏈路，則基站簇內的基站間進行用戶切換接入，如果沒有，則在此時刻下拒絕相關用戶的接入服務請求以避免干擾的產生。其主要干擾規避流程如圖4所示。

圖4 干擾規避流程圖

3 仿真結果與分析

3.1 仿真參數

以OneWeb 星座系統為例，仿真分析5G 毫米波系統下行鏈路與OneWeb 星座系統下行同頻干擾的規避效果。

3.1.1 NGSO 星座系統地球站參數

經查詢ITU 衛星網絡資料數據庫[13]可知，OneWeb衛星網絡資料ID 為119500303，對應系統參數特性如表1所示。

表1 OneWeb地球站參數（37-42.5 GHz）

3.1.2 5G 毫米波系統基站參數

ITU WP5D 工作組建議，5G 毫米波系統的參數如表2所示。對5G 基站天線模型進行了建模，微基站天線采用8×16陣列天線時，計算得到最大陣列天線增益為26.0721 dBi。如圖5所示。

圖5 8×16陣列天線的三維增益方向圖

表2 用于干擾共存研究的5G毫米波系統參數（37-42.5 GHz）

3.2 結果與分析

本文采用基于時間離散的動態仿真，針對多個地面5G 基站組成的基站簇，提前在簇內導入OneWeb 星座系統軌道參數、簇內可能存在干擾的OneWeb 星座地球站地理位置、OneWeb 星座星地建鏈策略等衛星系統固有信息，而后在5G 基站簇內模擬衛星運行情況而預判潛在干擾出現的可能，并在潛在干擾出現前就對原服務用戶進行協調，提前設置空間隔離，消除地面5G 系統對地球站的干擾。干擾規避仿真系統的參數配置如表3所示。

表3 干擾規避仿真系統的參數

圖6給出了在假定干噪比（I/N）門限為-11 dB 時，5G 基站干擾OneWeb 地球站的有害事件占比。即在一個時間采樣點下，對5G 基站進行隨機布站，每次統計不同5G 基站拓撲下干擾功率大于干擾門限值的次數占總干擾次數的比率。從圖6可知，采用所提干擾規避方法有害事件占比可下降35%。

圖6 干擾規避策略仿真結果對比圖

圖7給出了有害干擾事件比率的累積分布曲線。從圖可知，在I/N 值為-25 dB 至10 dB 時，采用干擾規避策略的有害事件數明顯低于未采用干擾規避策略的有害事件數。圖中虛線為ITU 所規定的干噪比門限值，其值為-12.2 dB，在此閾值時本方法能夠有效規避約30%的干擾情況。

圖7 干噪比的累計分布曲線

圖8 給出了不同干噪比門限下，OneWeb 地球站附近部署不同數量的5G 基站對干擾規避策略效果的影響。從圖8可知，隨著基站數目的增多，發生有害事件次數明顯降低，這是因為基站數目的增多使得干擾規避策略中的備選鏈路增多，進而使得干擾減緩效果變好。當OneWeb 地球站周圍一個基站簇內基站數目超過12個，基站數目的增加對于干擾規避效果的影響變小。因此在布置5G 基站簇時，需要折中考慮每個簇內干擾規避效果與系統成本。

圖8 基站數目對干擾規避策略影響仿真結果圖

4 結束語

針對5G 毫米波系統與NGSO 星座系統的同頻下行干擾問題，本文深入研究了干擾規避方法。建立了5G基站對NGSO 星座系統地球站同頻下行干擾分析的數學模型。結合干擾場景，提出了一種基于5G 基站協作的干擾規避方法。研究表明，當干噪比為-12.2 dB 時，OneWeb 地球站的有害干擾發生概率能夠減小30%，從而提高了系統間的頻率兼容性。同時，5G 基站簇內基站數量對所提方法的干擾規避效果有較為顯著影響，當OneWeb 地球站周圍一個簇內基站數目超過12個，基站的增加不會帶來顯著的干擾規避效果。本文結果為降低5G 毫米波系統對NGSO 星座系統地球站的同頻或鄰頻干擾提供了一種思路和方法。下一步將重點考慮融合5G與NGSO 星座系統的天地一體化網絡架構下，基于基站協作的干擾規避方法的可行性以及流程設計。