《電子技術(shù)應(yīng)用》
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3.5 GHz頻段5G系統(tǒng)基站對(duì)FSS地球站的干擾分析
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
李可策1，李景春2，楊文翰2，許 穎2
1.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津300401；2.國家無線電監(jiān)測(cè)中心，北京100037
摘要： 為保障第五代移動(dòng)通信（5G）技術(shù)在我國的研發(fā)與測(cè)試，保護(hù)3.5 GHz頻段上衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)（FSS）的正常工作，運(yùn)用最新5G系統(tǒng)參數(shù)和國際電信聯(lián)盟（ITU）相關(guān)建議書提供的仿真方法，開展了3.5 GHz頻段上5G系統(tǒng)基站與FSS系統(tǒng)的共存研究。結(jié)果表明，3.5 GHz頻段上5G系統(tǒng)基站對(duì)FSS地球站同頻干擾較大，難以實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)同頻共存，鄰頻部署時(shí)可通過一定的措施實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)共存。
關(guān)鍵詞： 5G 3.5GHz FSS 共存研究
中圖分類號(hào)： TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172904
中文引用格式： 李可策，李景春，楊文翰，等. 3.5 GHz頻段5G系統(tǒng)基站對(duì)FSS地球站的干擾分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，
43(8)：21-24.
英文引用格式： Li Kece，Li Jingchun，Yang Wenhan，et al. Analysis of interference from 5G system BSs to FSS earth station at 3.5 GHz band[J].Application of Electronic Technique，2017，43(8)：21-24.
Analysis of interference from 5G system BSs to FSS earth station at 3.5 GHz band
Li Kece1，Li Jingchun2，Yang Wenhan2，Xu Ying2
1.School of Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China； 2.The State Radio Monitoring Center，Beijing 100037，China
Abstract： For the guarantee of the development and testing of the fifth generation mobile communication(5G) technology in our country, and the protection of the normal work of the 3.5 GHz band fixed satellite service(FSS), the latest 5G system parameters and the simulation method provided by International Telecommunication Union(ITU) proposals are used to carry out the research of the coexistence of 3.5 GHz band 5G system base station with the FSS system in this paper. The results show that the 5G system base stations(BSs) has a large co-channel interference to FSS earth station at 3.5 GHz band, which makes it difficult to realize the coexistence of two systems at the same frequency, and the coexistence of two systems can be realized by some measures when the adjacent frequency is deployed.
Key words : the fifth generation mobile communication system；3.5 GHz；fixed satellite service；coexistence analysis

0 引言

    目前，我國正在北京地區(qū)開展3 400-3 600 MHz頻段的第五代移動(dòng)通信(the fifth generation mobile communication，5G)技術(shù)研發(fā)與測(cè)試試驗(yàn)。然而，C頻段與擴(kuò)展C頻段(3 400-4 200 MHz)一直是我國和亞洲地區(qū)衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的傳統(tǒng)核心頻段[1]。與其他頻段相比，我國C頻段衛(wèi)星系統(tǒng)使用地位更高，部署和應(yīng)用范圍更廣，并體現(xiàn)在我國重大衛(wèi)星工程、行業(yè)衛(wèi)星通信應(yīng)用、航天衛(wèi)星研制、國際衛(wèi)星出口等多個(gè)領(lǐng)域[2]。為保證5G系統(tǒng)與衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)（Fixed Satellite Service，FSS）的兼容共用，避免對(duì)在軌及計(jì)劃使用的衛(wèi)星系統(tǒng)產(chǎn)生有害干擾，本文開展了該頻段上5G系統(tǒng)基站對(duì)FSS地面接收站(地球站)的干擾分析研究，為該頻段未來規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。

1 干擾場(chǎng)景與分析方法

1.1 干擾場(chǎng)景

    由于擴(kuò)展C頻段是我國固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)的下行頻段，所以5G系統(tǒng)與FSS系統(tǒng)的干擾主要有4種：5G基站對(duì)FSS地球站的干擾、5G用戶對(duì)FSS地球站的干擾、FSS衛(wèi)星對(duì)5G基站的干擾、FSS衛(wèi)星對(duì)5G用戶的干擾。本文主要研究在城區(qū)和郊區(qū)兩種場(chǎng)景下，5G基站對(duì)FSS地球站的干擾場(chǎng)景。

    3.5 GHz頻段上的5G系統(tǒng)主要用于廣域覆蓋，故3.5 GHz頻段上5G系統(tǒng)基站均采用三扇區(qū)宏站，蜂窩組網(wǎng)。共存研究時(shí)，5G基站與FSS地球站部署在同一地理區(qū)域，假設(shè)存在一個(gè)FSS地球站，5G系統(tǒng)基站呈環(huán)狀部署在地球站周圍[3]，其共存拓?fù)淠Ｐ腿鐖D1所示。其中，Dprotection表示兩系統(tǒng)共存時(shí)所需的保護(hù)距離，Dintersite表示兩個(gè)基站之間的距離。

5G5-t1.gif

    單個(gè)5G系統(tǒng)基站發(fā)射機(jī)對(duì)FSS地球站的干擾模型如圖2所示。其中，O為FSS地球站所在位置，OP為地球站主軸方向，A為5G基站發(fā)射天線所在位置，AO為5G基站發(fā)射機(jī)對(duì)FSS地球站的干擾方向；α為地球站天線主軸與其在水平面的投影構(gòu)成的角度，即地球站的仰角；5G5-gs1-x1.gif為干擾方向與地球站主軸方向的空間離軸角[4]。

5G5-t2.gif

1.2 干擾分析方法

    5G系統(tǒng)基站對(duì)FSS系統(tǒng)主要考慮同頻干擾和鄰頻干擾[5]。具體造成干擾的程度主要取決于FSS地球站的仰角、所接收到的5G系統(tǒng)的集總干擾功率等。

    若只考慮一個(gè)5G基站的干擾時(shí)，則地球站接收到的干擾功率可由式(1)計(jì)算：

    5G5-gs1.gif

其中，IIMT為FSS地球站接收機(jī)輸入端接收到的1 MHz帶寬內(nèi)的干擾功率(dBm)，PIMT為5G系統(tǒng)基站每MHz帶寬的發(fā)射功率(dBm)，GIMT(γ，β)為5G系統(tǒng)基站的天線增益(dB)，GFFS(5G5-gs1-x1.gif)為FSS地球站接收天線增益(dB)，L(f，d)為大范圍的路徑損耗(dB)，CL(d)為周圍物體的散射損耗(dB)，ACLR為鄰信道泄露比(dB)。

    5G系統(tǒng)基站對(duì)FSS地球站的集總干擾可由式(2)計(jì)算：

    5G5-gs2.gif

其中，Iagg為到達(dá)衛(wèi)星地球站接收機(jī)輸入端的集總干擾功率譜密度(dBm/MHz)，In為第n個(gè)5G基站對(duì)衛(wèi)星地球站的干擾功率譜密度(dBm/MHz)。

    (1)5G系統(tǒng)天線模型

    5G系統(tǒng)將使用大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)天線，大規(guī)模MIMO天線利用其波束賦形技術(shù)可以形成方向性極強(qiáng)的窄波束，從而在目標(biāo)方向波束增益最大，而在干擾和無用方向產(chǎn)生零陷，增益最小[6-7]，天線模型參考ITU-R M.2101建議書[8]。

    (2)FSS地球站接收天線模型

    衛(wèi)星地球站天線的增益與離軸角的關(guān)系參考ITU-R S.465建議書[9]，如式(3)、式(4)所示：

5G5-gs3-4.gif

    (3)傳播模型

5G系統(tǒng)基站對(duì)FSS地球站的干擾傳播發(fā)生在室外，其干擾傳播機(jī)理主要包括視距傳播、繞射等，根據(jù)ITU P系列建議書無線電傳播模型分類，參考P.452建議書[10]和TG 5/1工作組中的Clutter Loss，計(jì)算5G系統(tǒng)基站到FSS地球站的傳播損耗。

2 系統(tǒng)參數(shù)

2.1 5G系統(tǒng)典型參數(shù)

    根據(jù)建議書ITU-R M.2101和報(bào)告書ITU-R M.2292，參考5G系統(tǒng)高頻參數(shù)和2017年業(yè)內(nèi)最新進(jìn)展，3.5 GHz頻段5G系統(tǒng)參數(shù)建議如表1。

5G5-b1.gif

2.2 FSS系統(tǒng)地球站參數(shù)

    參考ITU相關(guān)建議書和CCSA前期研究情況，衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)參數(shù)建議如表2。

5G5-b2.gif

    根據(jù)表格中的相關(guān)參數(shù)，可計(jì)算出該頻段衛(wèi)星地球站輸入端的干擾功率門限為-130.8 dBm/MHz。

3 系統(tǒng)仿真

    根據(jù)上述系統(tǒng)參數(shù)，本文仿真了在城區(qū)和郊區(qū)兩個(gè)場(chǎng)景，同頻和鄰頻兩種情況下，不同仰角時(shí)5G系統(tǒng)基站對(duì)FSS系統(tǒng)地球站的干擾。仿真過程中，基站發(fā)射功率取最大值32 dBm/100 MHz，P.452傳播模型時(shí)間比設(shè)置設(shè)為50%，Clutter Loss位置百分比設(shè)為50%。干擾功率為100次撒點(diǎn)的均值。地球站周圍至少有7圈基站部署。

3.1 城區(qū)場(chǎng)景

    研究兩系統(tǒng)同頻共存時(shí)，5G系統(tǒng)基站部署在地球站周圍半徑為32.85 km的圓環(huán)行區(qū)域內(nèi)。此區(qū)域范圍是為了保證當(dāng)隔離距離為30 km時(shí)，地球站周圍仍有7圈基站部署。最初的隔離距離設(shè)為一個(gè)站間距(城區(qū)0.45 km)，當(dāng)集總干擾功率超過干擾功率門限時(shí)，增大隔離距離，直到隔離距離為30 km。衛(wèi)星接收到的平均干擾功率與隔離距離的關(guān)系如圖3所示。

5G5-t3.gif

    從圖3中可以看出，兩系統(tǒng)同頻部署，衛(wèi)星仰角為15°、30°、45°時(shí)，需要的保護(hù)距離分別約為28.4 km、27.5 km、27.1 km。當(dāng)隔離距離為10 km，衛(wèi)星仰角為15°、30°、45°時(shí)，額外干擾余量分別約為24 dB、22 dB、21 dB。從上述數(shù)據(jù)中可以看出，隨著FSS地球站仰角的增大，兩系統(tǒng)共存需要的保護(hù)距離減小。但是，當(dāng)仰角為45°時(shí)，仍需要約27.1 km的保護(hù)距離，此距離要求難以在城區(qū)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)隔離距離為10 km時(shí)，低仰角時(shí)干擾余量高達(dá)24 dB，高仰角時(shí)干擾余量高達(dá)21 dB。

    當(dāng)5G系統(tǒng)與FSS系統(tǒng)鄰頻部署時(shí)，5G系統(tǒng)部署半徑為5 km，鄰道泄露比取45 dB，最小隔離距離設(shè)為0.01 km(基站天線和地球站天線高度差)。衛(wèi)星接收到的干擾功率與隔離距離的關(guān)系如圖4所示。

5G5-t4.gif

    從圖4中可以看出，兩系統(tǒng)鄰頻部署，衛(wèi)星仰角為15°、30°、45°時(shí)，需要的保護(hù)距離均約為0.38 km，即兩系統(tǒng)隔離一個(gè)站間距(城區(qū)0.45 km)時(shí)就能夠達(dá)到共存條件。兩系統(tǒng)間隔離距離為最小值時(shí)，不論衛(wèi)星仰角高低變化，干擾余量均很大。分析可知，在城區(qū)場(chǎng)景下兩系統(tǒng)鄰頻部署時(shí)，需要一個(gè)站間距的隔離距離即可滿足共存要求。

3.2 郊區(qū)場(chǎng)景

    研究兩系統(tǒng)同頻共存時(shí)，5G系統(tǒng)基站部署在地球站周圍半徑為36 km的圓環(huán)行區(qū)域內(nèi)。仿真方法與城區(qū)同頻部署場(chǎng)景相同。衛(wèi)星接收到的干擾功率與隔離距離的關(guān)系如圖5所示。

5G5-t5.gif

    從圖5中可以看出，兩系統(tǒng)同頻部署，衛(wèi)星仰角為15°、30°、45°時(shí)，需要的保護(hù)距離約為26.8 km、25.4 km、24.9 km。當(dāng)保護(hù)距離為10 km，衛(wèi)星仰角為15°、30°、45°時(shí)，額外干擾余量分別約為22 dB、20 dB、19 dB。由數(shù)據(jù)可以看出，兩系統(tǒng)共存需要的保護(hù)距離亦隨著FSS地球站仰角的增大而減小，需要的保護(hù)距離依舊很大。

    當(dāng)5G系統(tǒng)與FSS系統(tǒng)鄰頻部署時(shí)，5G系統(tǒng)部署半徑為10 km，最小隔離距離為0.022 km(基站天線和地球站天線高度差)，鄰道泄露比取45 dB。衛(wèi)星接收到的干擾功率與保護(hù)距離的關(guān)系如圖6所示。

5G5-t6.gif

    從圖6中可以看出，兩系統(tǒng)鄰頻部署，衛(wèi)星仰角為15°、30°、45°時(shí)，需要的保護(hù)距離均約為0.62 km。兩系統(tǒng)隔離距離設(shè)為一個(gè)站間距(郊區(qū)為0.9 km)時(shí)，基站對(duì)地球站的集總干擾小于干擾門限。當(dāng)隔離距離為最小值時(shí)，干擾余量約為29 dB。分析可知，在郊區(qū)場(chǎng)景下兩系統(tǒng)鄰頻部署時(shí)，需要一個(gè)站間距的隔離距離即可滿足共存要求。

4 結(jié)論

    通過上述數(shù)據(jù)可以得出，5G系統(tǒng)基站與FSS地球站同區(qū)域同頻部署時(shí)，基站對(duì)FSS地球站的干擾較大，需要約24.9~28.4 km的保護(hù)距離。兩系統(tǒng)同區(qū)域鄰頻段部署時(shí)，對(duì)FSS地球站的干擾較小，5G系統(tǒng)基站的ACLR為45 dB時(shí)，需要幾百米的保護(hù)距離。因此，可通過提高5G系統(tǒng)基站的ACLR，或者通過頻率隔離等措施實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)的鄰頻共存。

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李可策1，李景春2，楊文翰2，許  穎2

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津300401；2.國家無線電監(jiān)測(cè)中心，北京100037）

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