26 GHz頻段國(guó)際移動(dòng)通信應(yīng)用與星間業(yè)務(wù)兼容性研究現(xiàn)狀分析

王洪鋒 陳軍壯 肖文飛

(北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心，北京 100094)

2015年世界無線電大會(huì)(WRC-15)通過第238號(hào)決議，即開展頻率相關(guān)問題研究，為國(guó)際移動(dòng)通信確定頻段，包括可能在24.25 GHz與86 GHz之間頻率范圍內(nèi)的部分頻段劃分為移動(dòng)業(yè)務(wù)使用，以促進(jìn)國(guó)際移動(dòng)通信(IMT)在2020年及之后的發(fā)展[1]。此內(nèi)容將作為2019年世界無線電大會(huì)的1.13議題。

其中26 GHz頻段作為星間業(yè)務(wù)(ISS)的主用頻段，承擔(dān)著低軌衛(wèi)星跟蹤測(cè)控和數(shù)據(jù)中繼的重要業(yè)務(wù)，如果將該頻段分配給國(guó)際移動(dòng)通信使用，存在著影響既有業(yè)務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)。為此本文從該頻段應(yīng)用現(xiàn)狀、兼容性分析的必要性等方面闡述了兼容性分析的需求與分析內(nèi)容，基于國(guó)內(nèi)外兼容性分析的研究初步結(jié)果開展分析，并對(duì)后續(xù)的研究方向提出建議。希望保護(hù)既有業(yè)務(wù)不受影響，并推動(dòng)兼容性分析研究的進(jìn)一步深入開展。

1 IMT頻段選擇國(guó)際形勢(shì)分析

WRC-15第238號(hào)決議所述各頻段可用帶寬如表1所示。

主要目的是為滿足超低時(shí)延和極高比特率的要求，需要更寬的連續(xù)大段頻譜。在2019年世界無線電大會(huì)(WRC-19)之前由國(guó)際電聯(lián)(ITU)無線電管理部門開展并及時(shí)完成適當(dāng)?shù)墓灿煤图嫒菪匝芯浚瑫r(shí)考慮為下述頻段的主要業(yè)務(wù)提供保護(hù)，主要包括以下11個(gè)作為主要業(yè)務(wù)得到劃分的頻段：24.25-27.5 GHz, 37-40.5 GHz，42.5-43.5 GHz，45.5-47 GHz，47.2-50.2 GHz，50.4-52.6 GHz，66-76 GHz和81-86 GHz，以及可能需要作為主要業(yè)務(wù)提供附加劃分的31.8-33.4 GHz，40.5-42.5 GHz 和 47-47.2 GHz。

其中24.25-27.5 GHz頻段(簡(jiǎn)稱26 GHz頻段)，是WRC-19 1.13議題11個(gè)候選頻段中頻段最低的一段。在ITU《無線電規(guī)則》頻率劃分表中，該頻段將有移動(dòng)業(yè)務(wù)的主要?jiǎng)澐帧?6 GHz由于頻段相對(duì)較低、帶寬較大(3250 MHz連續(xù)帶寬)等特點(diǎn)，在議題確立之后就被部分國(guó)家確定為優(yōu)先研究并極力爭(zhēng)取的頻段[2]。

目前歐盟、中國(guó)和非洲地區(qū)圍繞26 GHz頻段IMT應(yīng)用進(jìn)行仿真分析研究，而美國(guó)、日本和韓國(guó)傾向于使用28 GHz頻段。

(1)歐洲：歐盟無線電頻譜政策工作組(RSPG)和歐洲郵電管理委員會(huì)(CEPT)將24.25-27.5 GHz、31.8-33.4 GHz、40.5-43.5 GHz作為候選頻段，并將24.25-27.5 GHz頻段作為24 GHz以上5G優(yōu)先發(fā)展頻段。但也說明需要根據(jù)頻率共用研究情況，采取必要的技術(shù)和制度措施實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)星上接收機(jī)的保護(hù)。

表1 各劃分頻率和可用帶寬

(2)俄羅斯：為便于未來國(guó)際協(xié)調(diào)，俄聯(lián)邦將24.25-27.5 GHz、31.8-33.4 GHz、40.5-42.5 GHz和66-71 GHz作為優(yōu)先研究頻段。

(3)阿拉伯地區(qū)：阿拉伯頻譜管理組織(ASMG)將對(duì)24.25-27.5 GHz、31.8-33.4 GHz、40.5-42.5 GHz和42.5-43.5 GHz四個(gè)較低頻段優(yōu)先展開兼容共存分析研究。

(4)美國(guó)：美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)于2016年7月發(fā)布了美國(guó)5G頻率規(guī)劃，將28 GHz、37 GHz、39 GHz、64-71 GHz四個(gè)頻段作為5G主要頻段。目前重點(diǎn)研究27.5-28.35 GHz，37-40 GHz頻段，并支持1.13議題的研究工作。28 GHz頻段具備連續(xù)的850 MHz帶寬，可以容納大量的高數(shù)據(jù)速率應(yīng)用，并且在世界范圍內(nèi)被優(yōu)先分配固定業(yè)務(wù)和移動(dòng)業(yè)務(wù)，具有泛用性。美國(guó)在報(bào)告中指出，28 GHz頻段被視為5G移動(dòng)通信技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展頻段，眾多工業(yè)廠商和學(xué)術(shù)組織已對(duì)其可行性進(jìn)行了研究論證。雖然WRC-15并沒有將27.5-28.35 GHz頻段列入移動(dòng)業(yè)務(wù)的毫米波研究名單，但是大量論證表明，28 GHz頻段十分利于發(fā)展移動(dòng)業(yè)務(wù)。目前，韓國(guó)、日本、新加坡、瑞典、芬蘭、加拿大等國(guó)家，以及華為、朗訊、德國(guó)電信等知名通信公司都表示支持在該頻段發(fā)展移動(dòng)業(yè)務(wù)。

(5)日本：將3600-4200 MHz、4400-4900 MHz和27.5-29.5 GHz 作為5G備選頻段，并圍繞3600-4100 MHz、4405-4895 MHz和27.5-28.28 GHz開展先期試驗(yàn)研究。

(6)韓國(guó)：重點(diǎn)研究26.5-29.5 GHz頻段，并開展此頻段的兼容性分析工作。

世界部分國(guó)家及區(qū)域開展5G研究的重點(diǎn)頻段情況如圖1所示，其中綠色表示確定使用頻段、藍(lán)色表示可能使用頻段，橘色表示待定頻段。

圖1 世界部分國(guó)家及區(qū)域開展5G研究的頻段情況Fig.1 Frequency bands of 5G study in some countries and areas

2 26 GHz頻段兼容性分析需求

2.1 頻段應(yīng)用現(xiàn)狀

26 GHz頻段存在著多種其它無線電業(yè)務(wù)的劃分和應(yīng)用。其中星間業(yè)務(wù)主要用于跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，在航天測(cè)控和數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)揮著重要作用[3-5]；衛(wèi)星地球探測(cè)和空間研究業(yè)務(wù)主要在氣象等領(lǐng)域，用于衛(wèi)星對(duì)地?cái)?shù)傳、遙感觀測(cè)等；此外，鄰頻23.6-24 GHz還有無源衛(wèi)星地球探測(cè)業(yè)務(wù)。我國(guó)26 GHz頻段范圍內(nèi)有劃分、已規(guī)劃或部署的業(yè)務(wù)[2]如圖2所示。

圖2 26 GHz頻段無線電業(yè)務(wù)的劃分和應(yīng)用現(xiàn)狀Fig.2 Status of allocation and applications in 26GHz

2.2 與星間業(yè)務(wù)兼容性分析

TDRSS等地球同步軌道衛(wèi)星(GSO)接收天線在指向某顆非地球同步軌道衛(wèi)星(NGSO)時(shí)，其天線朝向也正好指向了地面上的一片移動(dòng)通信(IMT)的聚集區(qū)域，那么它很可能會(huì)接收到區(qū)域內(nèi)大規(guī)模IMT系統(tǒng)的集總信號(hào)干擾，來源既有基站信號(hào)，也有用戶終端發(fā)出的信號(hào)，如圖3所示。為此必須通過兼容性分析研究，來確定干擾強(qiáng)度的大小，是否超過系統(tǒng)容限，兩種業(yè)務(wù)能否同時(shí)工作等[2，6-7]。

IMT系統(tǒng)部署也通常是全球范圍的，而非區(qū)域性的系統(tǒng)。同時(shí)26 GHz頻段與ISS有關(guān)的GSO軌位在全球范圍內(nèi)有數(shù)十個(gè)。由于GSO指向NGSO角度變化的動(dòng)態(tài)性，GSO接收天線將對(duì)全球地面區(qū)域進(jìn)行“掃描”，即接收到全球范圍內(nèi)的IMT信號(hào)。所以，兼容性研究不僅要考慮本國(guó)IMT系統(tǒng)對(duì)本國(guó)GSO的干擾，還要考慮本國(guó)IMT系統(tǒng)對(duì)它國(guó)的干擾，以及它國(guó)IMT系統(tǒng)對(duì)本國(guó)GSO的干擾[2，6-7]。

圖3 兼容性分析示意圖Fig.3 Compatibility analysis diagram

3 兼容性分析研究現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

各國(guó)圍繞1.13議題提交給國(guó)際電聯(lián)無線電通信局第5/1工作組(ITU-R TG5/1)200多份文件，其中多份與25.25-27.5 GHz 頻段的星間業(yè)務(wù)兼容性相關(guān)。其中法國(guó)2017年9月提交的“IMT系統(tǒng)對(duì)25.25-27.5 GHz星間業(yè)務(wù)影響分析”[8]一文中，使用逐站分析方法，給出的干擾噪聲比(I/N)值約為-26 dB，優(yōu)于國(guó)際電聯(lián)的ITU-R SA.1155建議書“數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)”[9]的限值要求16 dB。英國(guó)提交了“IMT系統(tǒng)與星間業(yè)務(wù)在25.25-27.5 GHz頻段共存和兼容性分析”。2018年1月歐洲郵電管理委員會(huì)的“歐洲郵電管理委員會(huì)針對(duì)2019年世界無線電大會(huì)1.13議題的草案簡(jiǎn)報(bào)”[10]中，提到英國(guó)和法國(guó)基于ITU TG5/1研究組提供的有關(guān)假定條件和技術(shù)參數(shù)，開展的IMT-2020與ISS在26 GHz兼容研究，結(jié)果表明有充足的保護(hù)裕度，在集中干擾場(chǎng)景下保護(hù)裕度大于16 dB，在某些配置情況下保護(hù)裕度達(dá)27 dB。

3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)家無線電監(jiān)測(cè)中心在國(guó)家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(IMT-2020 候選頻段分析與評(píng)估)的資助下，基于其多年積累的研究條件和經(jīng)驗(yàn)，從2016年起就開展了大量兼容性研究分析工作。2016年12月文獻(xiàn)[7]給出“集總干擾小于衛(wèi)星的抗干擾門限，有一定的共存余量”的結(jié)論； 2017年10月文獻(xiàn)[6]給出仿真結(jié)論即“在25.25-27.5 GHz頻段部署IMT系統(tǒng)，與ISS具有兼容共存的空間”。但同時(shí)提到下一步研究重點(diǎn)會(huì)“集中在來自用戶終端的上行鏈路集總干擾和更復(fù)雜的傳播模型與范圍更廣的中心站分布上”。華為等有關(guān)公司也開展了類似的研究工作。

4 結(jié)束語

從國(guó)際國(guó)內(nèi)形勢(shì)來看，26 GHz頻段IMT應(yīng)用在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)仍將是各國(guó)研究的熱點(diǎn)問題。其兼容性仿真分析盡管關(guān)于IMT系統(tǒng)條件和ISS條件都是基于ITU文件或建議書給出的數(shù)值，但與系統(tǒng)真實(shí)運(yùn)行環(huán)境還存在著差異，仿真分析本身也還存在不全面、不準(zhǔn)確的方面。后續(xù),一方面要進(jìn)一步深入開展理論計(jì)算和仿真分析工作，另一方面可以考慮結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)，采用半實(shí)物仿真的方式，開展惡劣條件下IMT與星間和星地業(yè)務(wù)的兼容性試驗(yàn)研究。