0 引言

    我國已研究將3 300～3 400 MHz、4 400～4 500 MHz、4 800～4 990 MHz、24.25～27.5 GHz、37～43.5 GHz頻段用于第五代移動通信(The Fifth Generation Mobile Communication，5G)。然而，將5G頻段部署在4 400～4 500 MHz頻段上卻帶來了一定的風險，可能對4 200～4 400 MHz頻段的航空無線電導航業(yè)務(無線電高度表)造成干擾。無線電高度表的指示性能也關系到設備的準確性，關系著飛機的正常運行。本文開展了相關頻段上5G系統(tǒng)基站對無線電高度表的干擾分析研究，為該頻段未來規(guī)劃奠定基礎。

1 相關設備技術特性

    本節(jié)介紹共存研究所需的具體技術參數。

1.1 IMT系統(tǒng)參數

    根據建議書ITU-R M.2101^[1]和報告書ITU-R M.2292^[2]，參考3～6 GHz頻段5G系統(tǒng)IMT系統(tǒng)參數，4 400～4 500 MHz頻段5G系統(tǒng)參數建議如表1所示。

1.2 航天無線電導航系統(tǒng)參數

    參考建議書ITU-R M.2059^[3]，航天無線電導航（無線電高度表）業(yè)務參數建議如表2所示。

2 IMT系統(tǒng)與無線電高度表的共存研究

2.1 IMT系統(tǒng)對無線電高度表干擾場景

    在4 400～4 500 MHz頻段上的5G系統(tǒng)主要用于廣域覆蓋，故該頻段上5G系統(tǒng)基站均采用三扇區(qū)宏站，蜂窩組網。共存研究時，假設IMT基站分布于一個城區(qū)半徑10 km、郊區(qū)半徑20 km的城市中。5G用戶隨機生成。其中網絡負載因子取50%，暫不考慮熱點地區(qū)占城市面積比例。飛機分別在50 m、100 m、500 m、1 000 m的高度下，從城市中心飛往城市邊緣，計算飛機上無線電高度表收到的干擾是否符合干擾保護標準。

2.2 IMT系統(tǒng)天線模型

    根據建議書ITU-R M.2101，IMT系統(tǒng)天線模型如下：如圖1所示，輻射元件在y-z平面分布，x-y平面表示水平面。信號方向的方位角表示為（限定在-180°和180°之間），仰角表示為θ（限定在0°和180°之間，90°代表與陣列天線孔徑垂直的角）。

    天線陣列模型的單元水平方向增益：

2.3 無線電高度表天線模型

    根據建議書ITU-R M.2059，如果傳播路徑是在一個正交于飛機底部的矢量的±30°之內，應該使用無線電高度儀天線的峰值增益。共享和兼容性研究應該考慮到飛機角位置在橫滾中能夠達到±45°，而在俯仰中能夠達到±20°。在此角度范圍之外，無線電高度儀的增益應該基于天線的特性。

    本報告考慮最惡劣情況，全部使用無線電高度儀天線的峰值增益。

2.4 無線電波傳播模型

    本報告飛機最低高度50 m，IMT基站高度20 m（郊區(qū)25 m），本報告考慮最壞情況，假設城市郊區(qū)沒有高層建筑物隔檔，采用自由傳播模型。

    根據建議書ITU-R P.525-3^[4]，自由傳播模型如下：

其中，L_bf為路徑損耗，λ為波長，d為路徑距離。

2.5 干擾功率計算

    5G系統(tǒng)基站對無線電高度表主要考慮鄰頻干擾。具體造成干擾的程度主要取決于飛行高度、5G基站發(fā)射功率等。

    若只考慮一個5G基站的干擾，則無線電高度表接收到的干擾功率可由式(8)^[5]計算：

式中，I_IMT為無線電高度表收單個基站的干擾功率；P_IMT為基站信號發(fā)射功率；G_IMT為基站對無線電高度表方向的發(fā)射天線增益；G_IF為無線電高度表接收端的天線增益；L為基站到無線電高度表之間的路徑損耗；ACLR為相鄰頻道泄漏比。

    無線電高度表受到的5G基站總干擾功率可以由公式(9)計算：

式中，I_agg是到達無線電高度接收機輸入端的集總干擾功率譜密度，I_n是第n個IMT基站對無線電高度接收機的干擾功率譜密度。

2.6 無線電高度表保護標準

2.6.1 接收機前端過載

    對無線電高度儀前端的潛在干擾不能超過接收機前端過載發(fā)生的輸入功率門限，必須滿足：

式中，P_T，RF為無線電高度表接收到的IMT基站干擾總功率，I_RF為接收機前端過載門限。

2.6.2 接收機靈敏度下降

    為保證接收機靈敏度，必須滿足如下公式：

式中，B_R，IF是無線電高度儀的IF帶寬(MHz)，N_F是接收機輸入處的噪聲指數(dB)。

2.6.3 虛假高度報告

    在采用調頻連續(xù)波調制的無線電高度儀的情況下，當對干擾信號在整個IF帶寬的頻譜頻率分析期間被作為頻率分量檢測時，就將發(fā)生虛假高度報告。

    如果在檢測器處的干擾功率超過了保護門限I_T，FA，將在其接收機信號處理鏈中引起虛假目標頻譜分量。其中，I_T，FA=-143 dBm/100 Hz。

3 仿真結果

    仿真結果如圖2～圖4所示。圖2是基站分布仿真圖，圖中黑色部分表示城市基站覆蓋范圍，灰色部分表示郊區(qū)基站覆蓋范圍。一共部署44層 IMT基站，前22層為城市基站，后22層為郊區(qū)基站。假設飛機在某一高度不變，從坐標原點(0，0)沿著x軸直線飛到點(40 000，0)。其無線電高度表受到的干擾如圖3、圖4所示。不同線性的曲線分別是當飛行高度50 m、100 m、500 m和1 000 m時無線電高度表受到的干擾。

    圖3顯示在接收機在4 200～4 400 MHz頻段內受到的干擾，兩條直線分別代表虛假高度報告保護門限(-83 dBm/100 MHz)和接收機靈敏度下降保護門限(-90 dBm/100 MHz)。圖4顯示接收機受到的總干擾，直線是接收機前端過載保護門限(-30 dBm/100 MHz)。

    從圖3、圖4的仿真結果可以看出，飛機受到干擾始終沒有超過接收機靈敏度下降保護門限、虛假高度保護門限和接收機前端過載保護門限，所以4 400～4 500 MHz頻段5G系統(tǒng)不會對無線電高度表產生干擾。

4 結束語

    本文就4 400～4 500 MHz頻段5G系統(tǒng)和4 200～4 400 MHz頻段航空無線電導航業(yè)務（無線電高度表）的干擾共存問題進行了蒙特卡洛仿真。仿真結果表明，無論在城市還是郊區(qū)環(huán)境下，即使在高度50 m時，接收機受到干擾也滿足無線電高度表的保護標準。因此，4 400～4 500 MHz頻段5G系統(tǒng)不會對無線電高度表產生有害干擾，相關設備無需保護措施就可以兼容共用。

參考文獻

[1] Recommendation ITU-R M.2101.Modelling and simulation of IMT networks for use in sharing and compatibility studies[S].Geneva：ITU，2017.

[2] Recommendation ITU-R M.2292.Characteristics of terrestrial IMT-Advanced systems for frequency sharing/interference analyses[S].Geneva：ITU，2013.

[3] Recommendation ITU-R M.2059.Operational and technical characteristics and protection criteria of radio altimeters utilizing the band 4 200-4 400 MHz[S].Geneva：ITU，2014.

[4] Recommendation ITU-R P.525.Calculation of free-space attenuation[S].Geneva：ITU，2016.

[5] 李可策，李景春，楊文翰，等.3.5 GHz頻段5G系統(tǒng)基站對FSS地球站的干擾分析[J].電子技術應用，2017，43(8)：21-24.

作者信息:

賈  迪1，李景春2，楊文翰2，鮑  堯2

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