全球5G毫米波頻譜兼容性研究動態(tài)

謝剛 李方圓 劉仲亞 曾昱祺 王坦

【摘? 要】首先闡述和總結(jié)了候選頻段無線電業(yè)務(wù)劃分情況。接著，結(jié)合5G參數(shù)，梳理了典型研究場景、重點相關(guān)無線電業(yè)務(wù)特征與研究方法。最后，對全球開展的兼容性研究結(jié)果進(jìn)行了歸納，為后續(xù)研究提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】5G系統(tǒng);毫米波;頻譜;兼容性研究

1? ?引言

5G主要面向三個應(yīng)用場景，即增強(qiáng)型移動寬帶、大規(guī)模機(jī)器類通信以及高可靠低時延通信。5G系統(tǒng)所需的傳輸速率、容量、性能等遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出4G系統(tǒng)。而頻譜作為影響國際移動通信系統(tǒng)（International Mobile Telecommunications， IMT）的最基本因素之一，隨著需求的高速增長，其缺口日益擴(kuò)大。目前在低頻段方面（6 GHz以下），沒有足夠的頻段可用。因此，為5G尋找高頻段以供使用很有必要。

國際電信聯(lián)盟在2015年世界無線電通信大會（World Radiocommunication Conference，WRC-15）[1]上為2019年WRC大會設(shè)立了5G頻率議題1.13，并特設(shè)了TG 5/1工作組開展相關(guān)工作。該議題旨在研究IMT與現(xiàn)存業(yè)務(wù)共享毫米波頻段的可行性，為IMT系統(tǒng)確定頻段，以實現(xiàn)其在2020年及未來的發(fā)展[2]。該議題包含12個6 GHz以上的候選頻段（范圍為24.25 GHz—86 GHz），標(biāo)志著5G頻譜朝向毫米波時代。

隨著2019年WRC大會的臨近，1.13議題的研究與協(xié)調(diào)日趨白熱化。三年來，各國均提交了多份候選頻段研究報告，給出了兼容性研究結(jié)果和有關(guān)政策建議。2018年8月，TG 5/1工作組在瑞士日內(nèi)瓦舉行第六次會議，此次會議是WRC-19大會召開之前的最后一次會議，標(biāo)志著全球5G毫米波頻譜有關(guān)兼容性研究和政策的起草工作已基本完成。

文章基于全球議題研究進(jìn)展情況，根據(jù)ITU的相關(guān)報告和建議，分析了國際上5G毫米波頻段IMT與相關(guān)業(yè)務(wù)兼容性研究現(xiàn)狀。通過闡述候選頻段的業(yè)務(wù)情況，對當(dāng)前的研究動態(tài)進(jìn)行概括總結(jié);接著，結(jié)合5G參數(shù)，闡述了其研究場景、重點業(yè)務(wù)與研究方法;最后重點概括大會準(zhǔn)備會議（Conference Preparatory Meeting， CPM）報告草案[3]中的研究結(jié)果，以期為后續(xù)研究提供參考意義。

2? ?頻段業(yè)務(wù)情況

1.13議題一共確定了12個候選頻段，其中，在《無線電規(guī)則》[4]中現(xiàn)有移動業(yè)務(wù)劃分的頻段有9個：24.25 GHz—27.5 GHz、37 GHz—40.5 GHz、42.5 GHz—43.5 GHz、45.5 GHz—47 GHz、47.2 GHz—50.2 GHz、50.4 GHz—52.6 GHz、66 GHz—71 GHz、71 GHz—76 GHz、81 GHz—86 GHz;尚未進(jìn)行劃分的頻段有3個：31.8 GHz—33.4 GHz、40.5 GHz—42.5 GHz和47 GHz—47.2 GHz。具體分布如圖1所示。

由于議題候選頻段范圍跨度大、大多帶寬較寬，每個候選頻段涉及的同頻、鄰頻無線電業(yè)務(wù)種類都很多。經(jīng)統(tǒng)計，議題涉及的業(yè)務(wù)種類多達(dá)十余種。根據(jù)《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》[5]，將涉及業(yè)務(wù)的有關(guān)定義以及分類相關(guān)信息統(tǒng)計如表1所示。

26 GHz頻段（24.25 GHz—27.5 GHz頻段）作為全球研究的焦點，其同頻、鄰頻的劃分情況尤為復(fù)雜[6]，如圖2所示。

由于候選頻段內(nèi)劃分的無線電業(yè)務(wù)不一樣，其兼容性研究類型也各不相同。例如，26 GHz頻段內(nèi)對FS、MS、ISS、FSS、EESS以及SRS進(jìn)行同頻研究，對EESS（無源）和RAS進(jìn)行鄰頻研究。議題各頻段涉及的同頻、鄰頻研究案例如表2所示，總計多達(dá)近60個。

3? ?5G參數(shù)分析和兼容性研究方法總結(jié)

3.1? 相關(guān)參數(shù)分析

本節(jié)主要闡述5G基站參數(shù)及傳播模型。其中5G基站參數(shù)均來自IMT研究組[7-8]，以26 GHz為例，如表3所示。

在模型的選取上，根據(jù)ITU建議書[9]，5G地球站到星間鏈路一般考慮自由空間[10]、大氣和地物損耗，而就地對空路徑傳播而言，還需考慮降水以及云引起的衰減、多徑效應(yīng)等。

其中，在10 GHz以下，由大氣氣體引起的衰減通常忽略不計，而在10 GHz以上，隨著頻率增大其影響逐漸增加。根據(jù)ITU-R P.676建議書，從海平面至海拔高度10 km的范圍內(nèi)，可由以下簡化公式計算大氣氣體衰減：

式（1）中，γo代表在干燥空氣中的特定衰減，γw代表在濕空氣中的特定衰減，f是頻率（GHz），N'Oxygen（f）和N'Water Vapour（f）是頻率依賴的復(fù)折射率的虛部。根據(jù)ITU-R P.618建議書，對于18 GHz以上頻率操作的系統(tǒng)，還需要考慮大氣衰減帶來的影響。因此，一般情況下，考慮降雨、大氣、云以及對流層閃爍帶來的總體衰減（dB）[11]，其計算方法為：

式（2）中，AR（p）、AC（p）、AG（p）、AS（p）分別是降雨、云、大氣以及對流層閃爍引起的衰減;p是0.001%至50%范圍內(nèi)衰減超過的概率。就地物損耗而言，取由于不同地理位置概率（1%～100%）產(chǎn)生的平均值，根據(jù)ITU-R P.2108建議書，計算方法為：

式（3）中，K1=93（f0.175），A1=0.05，Q-1（p/100）為逆互補(bǔ)正態(tài)分布函數(shù)，θ為仰角，f為頻率，p為地理位置概率，取值范圍為1%～100%。

3.2? 兼容性研究方法

目前，5G高頻段上IMT系統(tǒng)與很多業(yè)務(wù)存在共存兼容問題，主要分為地對空和地對地兩種場景。不同頻段間需要研究這兩種不同的場景業(yè)務(wù)，其詳情如表4所示：

下面對地對空、地對地場景分別進(jìn)行兼容性研究方法總結(jié)。

（1）地對空

在地對空場景的兼容性研究中，IMT系統(tǒng)的全球大規(guī)模部署會給衛(wèi)星空間電臺的接收帶來干擾，主要研究確定干擾值來探究基站分布帶來的干擾影響。

例如，26 GHz頻段衛(wèi)星間業(yè)務(wù)（ISS）與IMT系統(tǒng)共存場景中，地球靜止軌道衛(wèi)星（GSO）的接收天線時刻指向非靜止軌道衛(wèi)星（NGSO），但NGSO的位置卻時刻發(fā)生改變，有時可能會出現(xiàn)在GSO與IMT系統(tǒng)中間時，GSO將會接收到來自IMT基站的下行干擾信號，其場景示意圖如圖3所示[12]。

因此其仿真通常需要專業(yè)的衛(wèi)星類仿真軟件進(jìn)行還原。通過軟件對IMT系統(tǒng)全球部署進(jìn)行建模，再對衛(wèi)星業(yè)務(wù)運行場景進(jìn)行模擬，最后仿真分析干擾影響。

（2）地對地

在地對地場景中，IMT系統(tǒng)會對各類固定站或地球站的接收產(chǎn)生干擾，主要研究兩者之間的保護(hù)距離，以免地球站接收到IMT基站發(fā)出的干擾或IMT基站接收到來自地球站與衛(wèi)星通信的反向干擾（一般特指FSS業(yè)務(wù)）。

例如，26 GHz頻段衛(wèi)星科學(xué)探測業(yè)務(wù)（EESS）與IMT系統(tǒng)共存場景分為兩種，空間電臺可能是GSO，也可能是NGSO。在GSO場景中，由于地球站時刻指向GSO衛(wèi)星，仰角往往是一定的，但緯度越高，仰角相對越低，IMT系統(tǒng)就可能會對其發(fā)送干擾;而在NGSO場景中，若NGSO衛(wèi)星運行到地球表面切線，此刻仰角會很低，IMT系統(tǒng)集總干擾就可能會影響到地球站的接收。

因此，IMT系統(tǒng)與其它地面系統(tǒng)的研究中傳統(tǒng)上會采用一種“挖洞式”建模方法。模型以EESS地球站作為中心點，在一定距離外部署多圈IMT基站，再設(shè)定一定的保護(hù)距離后，將保護(hù)距離范圍內(nèi)的IMT-2020基站挖掉，仿真并驗證其干擾效果。其挖洞式模型示意圖如圖4所示：

4? ?研究結(jié)果總結(jié)

本節(jié)通過分析CPM報告，概括了當(dāng)前候選頻段IMT與各業(yè)務(wù)之間兼容性研究結(jié)果，其中45.5 GHz—47 GHz和47 GHz—47.2 GHz頻段全球沒有開展研究，故無相關(guān)信息。

4.1? 24.25 GHz—27.5 GHz

地對地場景中，IMT分別與EESS、SRS、RAS、FSS以及FS有兼容性研究。這些業(yè)務(wù)在研究時還需要考慮影響結(jié)果的場景特征，一般有以下幾點：

（1）環(huán)境因素，如郊區(qū)、城市或混合的城郊環(huán)境;

（2）地球站選址，所考慮的地址是否是特定地點。

研究結(jié)果范圍源自考慮了不同的場景特征，有的業(yè)務(wù)需考慮特有的場景特征，如表5所示：

地對空場景中，IMT分別與EESS（無源）、FSS以及ISS有兼容性研究。其中EESS（無源）業(yè)務(wù)通常采用干擾超出門限（dB）與無用發(fā)射限值（dBW/200 MHz）來顯示結(jié)果，F(xiàn)SS業(yè)務(wù)通常采用干擾噪聲比（I/N）來顯示，而ISS通常采用干擾余量來顯示研究結(jié)果。其研究結(jié)果如表6所示。

4.2? 31.8 GHz—33.4 GHz

IMT分別與RNS、SRS（空對地）、EESS（無源）以及RAS有兼容性研究。研究結(jié)果如表7所示。

4.3? 37 GHz—43.5 GHz

IMT分別與FSS/BSS/MSS（空對地）、SRS、EESS/SRS（無源）、FSS、FS以及RAS有兼容性研究。研究結(jié)果如表8所示。

其中FS研究表明，假設(shè)FS系統(tǒng)直接指向IMT部署區(qū)域（即發(fā)射機(jī)位于IMT以南1.1 km處，接收機(jī)位于以北1.1 km處），0.8%的快照干擾超過了FS系統(tǒng)干擾要求（I/N=10 dB）。

4.4? 47.2 GHz—52.6 GHz

IMT分別與FSS、FSS/BSS/MSS（空對地）、RAS、SRS以及EESS（無源）有兼容性研究。研究結(jié)果如表9所示：

4.5? 66 GHz—86 GHz

IMT分別與ISS、FS、EESS（無源）、RAS、FSS、RLS以及MSS有兼容性研究，研究結(jié)果如表10所示：

其中，MSS研究結(jié)果表明，在IMT BS天線指向低于地平線1.8°，IMT UE直接指向衛(wèi)星，BS和UE的總輸出功率為27 dBm/200 MHz和18 dBm/200 MHz，干擾電平的范圍為-347 dBW/MHz～-176 dBW/MHz（不同仰角）。

RLS研究結(jié)果表明，IMT BS無用發(fā)射的最大附加隔離度要求應(yīng)為11.5 dB（基線）、9.6 dB（敏感性），而IMT UE不需要額外的隔離度。但也有研究表示由于沒有可用的無用發(fā)射電平模型或相鄰頻段IMT天線方向圖，須提供比-30 dBm/MHz更嚴(yán)格的限值（附加隔離度超過17 dB）。

5? ?結(jié)束語

相對于4G系統(tǒng)，IMT-2020系統(tǒng)在覆蓋、容量、性能等方面要求更高，其頻譜需求更大。相對而言，毫米波頻段頻譜資源更為豐富，成為了5G移動通信系統(tǒng)的候選頻段。但毫米波頻段兼容性研究工作十分復(fù)雜，一方面，5G在毫米波有著獨特的部署場景和技術(shù)特征;另一方面，該頻段所涵蓋的業(yè)務(wù)十分廣泛。ITU在WRC-15大會上設(shè)立的5G頻率議題1.13，意在解決5G和其他業(yè)務(wù)的兼容和協(xié)調(diào)問題。

隨著第六次會議圓滿結(jié)束，5G毫米波頻段兼容性研究工作將取得階段性成功。三年來，全球各國向ITU提交了多份研究報告和相關(guān)建議，本文闡述了候選頻段業(yè)務(wù)劃分情況，分析了5G基站參數(shù)、傳播模型以及兼容性研究方法，重點對兼容性研究結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)，以期為我國后續(xù)的研究提供借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 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[R]. 2015.

[2] ITU-R. Final Acts WRC-15 [R]. World Radio communication Conference， 2015： 294-296.

[3] ITU-R. Conference Preparatory Meeting for WRC-19 [R]. 2018.

[4] ITU-R. Radio Regulations of the International Telecommunication Union [R]. 2015.

[5] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部. 中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定[S]. 2014.

[6] 中國無線電管理局. 26GHz頻段走向解析[DB/OL]. （2018-05-01）[2019-01-10]. http：//www.srrc.org.cn/.

[7] ITU-R. Spectrum needs and characteristics for the terrestrial component of IMT in the frequency range between 24.25 GHz and 86 GHz[R]. 2017.

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

[9] Recommendation ITU-R P.619-1. Propagation data required for the evaluation of interference between stations in space and those on the surface of the Earth[R]. 1992.

[10] Recommendation ITU-R P.525-3. Calculation of free-space attenuation [R]. 2016.

[11] Recommendation ITU-R P.618-12. Propagation data and prediction methods required for the design of Earth-space telecommunication systems[R]. 2015.

[12] 王坦，何天琦. 5G毫米波焦點頻段（26GHz）全球研究動態(tài)與展望[J]. 電訊技術(shù)， 2018（3）： 356-362.