25.25GHz—27.5GHz頻段IMT與衛(wèi)星星間業(yè)務(wù)共存研究

張炎炎 王寶聰 李欣 李文祺 劉娜 韓銳

【摘? 要】為了解決IMT系統(tǒng)在覆蓋、容量、性能等方面的高要求帶來的頻譜缺口問題，WRC-19 1.13議題正在著力為未來移動通信系統(tǒng)的發(fā)展尋求新的頻率劃分，其中24.25 GHz—27.5 GHz是主流IMT毫米波候選頻段中最低的一段。IMT系統(tǒng)獲取頻段劃分，需解決IMT系統(tǒng)對衛(wèi)星星間業(yè)務(wù)的共存干擾問題。通過對互不產(chǎn)生有害干擾的25.25 GHz—27.5 GHz頻段IMT-2020（5G）與ISS之間的共存開展研究，分析了二者的兼容共存性能。通過仿真實驗證實了二者可以共存。

【關(guān)鍵詞】IMT-2020（5G）;衛(wèi)星星間業(yè)務(wù);共存研究

1? ?引言

相比于以往各代移動通信系統(tǒng)，5G需要滿足更加多樣化的場景和機(jī)制性能挑戰(zhàn)。ITU發(fā)布的《5G愿景》[1]定義了5G系統(tǒng)將滿足增強(qiáng)的移動寬帶、海量的機(jī)器間通信、超高可靠和超低時延通信三大類應(yīng)用場景。要滿足各類應(yīng)用場景在覆蓋、容量、性能等方面的要求，5G的系統(tǒng)頻譜還有很大的缺口。為此，WRC-19設(shè)立了1.13議題為未來移動通信的發(fā)展尋求新的頻譜劃分。為了保障IMT-2020（5G）與候選頻段內(nèi)現(xiàn)有業(yè)務(wù)不會產(chǎn)生有害干擾，有必要開展IMT-2020（5G）系統(tǒng)與相關(guān)業(yè)務(wù)的共存研究。

衛(wèi)星星間業(yè)務(wù)（Inter-Satellite Service， ISS）作為一種衛(wèi)星之間進(jìn)行通信的業(yè)務(wù)，其GSO（Geosynchro-nous，同步軌道）衛(wèi)星追蹤NGSO（Non-Geosynchro-nous，非同步軌道）衛(wèi)星的工作方式?jīng)Q定了其覆蓋范圍比較廣泛，甚至可達(dá)1/3地球面。衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)大量IMT-2020基站很有可能帶來較為嚴(yán)重的干擾。因此ISS是一種需要重點開展共存研究的業(yè)務(wù)。本文主要開展IMT-2020（5G）系統(tǒng)與ISS之間的共存與兼容性研究。

2? ?系統(tǒng)參數(shù)

2.1? 25.25 GHz—27.5 GHz頻段IMT-2020（5G）系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)ITU-R WP5D工作組相關(guān)研究報告[2]，25.25 GHz—27.5 GHz頻段IMT-2020（5G）的技術(shù)與操作特性如表1所示：

2.2? 衛(wèi)星星間系統(tǒng)特性

衛(wèi)星系統(tǒng)參數(shù)參考ITU-R SA.1414[3]建議書，本次仿真選取的參數(shù)如表2所示：

3? ?共存場景與研究方法

3.1? IMT系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

ITU-R M.2101建議書中提出了四種IMT系統(tǒng)的典型部署模型，包括宏小區(qū)模型、微小區(qū)模型、室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)模型以及混合網(wǎng)絡(luò)模型。針對本文考慮的IMT-2020網(wǎng)絡(luò)，未來將是高低頻協(xié)同組網(wǎng)，其中低頻將主要用于覆蓋，高頻將主要用于滿足熱點區(qū)域高流量需求。為此未來IMT-2020網(wǎng)絡(luò)將是宏小區(qū)與微小區(qū)并存的情況，因此采用混合網(wǎng)絡(luò)模型對IMT-2020系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模。具體地，該模型中由宏小區(qū)對設(shè)定的仿真區(qū)域進(jìn)行覆蓋，在每個宏小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)分布著若干個微小區(qū)簇，每個微小區(qū)簇內(nèi)包含一定數(shù)量的微小區(qū)。微小區(qū)的位置可以隨機(jī)撒放也可以撒放在特定位置?；旌暇W(wǎng)絡(luò)模型場景圖如圖1所示。一般情況下，為了避免宏微小區(qū)之間相互干擾，宏微小區(qū)通常不工作在同一個頻段。如前所述，高頻主要對熱點區(qū)域進(jìn)行覆蓋，因此本文主要研究IMT微小區(qū)基站對于衛(wèi)星的干擾情況。

3.2? 共存場景

25.25 GHz—27 GHz頻段為ISS業(yè)務(wù)的反向鏈路，即同步軌道衛(wèi)星（GSO）接收來自非同步軌道（NGSO）衛(wèi)星發(fā)射的信號。共存研究需要評估的是同步軌道衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的所有IMT微站對同步軌道衛(wèi)星的干擾情況。共存場景如圖2所示：

3.3 干擾分析方法

基于上述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约肮泊鎴鼍?，IMT-2020（5G）與ISS的共存仿真方法主要如下：

（1）根據(jù)地面上固定點與衛(wèi)星之間的角度關(guān)系計算衛(wèi)星覆蓋的經(jīng)緯度范圍。以經(jīng)緯度1°為步長，將衛(wèi)星覆蓋范圍劃分為網(wǎng)格?？紤]到該頻段內(nèi)IMT-2020（5G）系統(tǒng)不會部署在人煙稀少的地區(qū)，因此在衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)將海洋、沙漠、戈壁、原始森林等占據(jù)主要區(qū)域的網(wǎng)格刨除，得到仿真區(qū)域。

（2）對于每一個網(wǎng)格，根據(jù)網(wǎng)格區(qū)域面積，大范圍部署情況下，WP5D建議使用建成區(qū)面積占比（Rb）、熱點覆蓋區(qū)域占比（Ra）以及基站密度計算每個網(wǎng)格內(nèi)應(yīng)部署的IMT微站數(shù)量。

（3）仿真區(qū)域內(nèi)部署基站數(shù)量龐大，參考ITU-R F.1509建議書[5]中固定業(yè)務(wù)點對多點中心站對DRS（Data Relay Satellites，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星）系統(tǒng)干擾的分析方法，引入中心站的概念對仿真模型進(jìn)行簡化。即假設(shè)一個區(qū)域內(nèi)所有IMT基站的同信道集總發(fā)射可以建模為一個功率譜密度等于該區(qū)域內(nèi)每一個基站輸入端功率譜密度總和的單個臺站，即IMT中心站。每個網(wǎng)格內(nèi)部署若干個IMT中心站代表所有IMT微站的行為。同理，所有IMT微站的發(fā)射功率也集中在中心站處。

（4）為所有IMT中心站隨機(jī)生產(chǎn)一個IMT終端，用戶終端和基站之間的距離服從瑞利分布，其中標(biāo)準(zhǔn)差σ=32，用戶終端和基站之間的方位角服從正態(tài)分布。IMT中心站將波束指向所服務(wù)的IMT終端。

（5）使波束指向仿真區(qū)域內(nèi)的某一點，通過計算所有IMT中心站發(fā)射功率、發(fā)射增益、路徑損耗以及衛(wèi)星接收增益可得到一個集總干擾結(jié)果。

（6）以經(jīng)緯度1°為步長，使波束遍歷衛(wèi)星覆蓋范圍的所有點，即可得到IMT基站對衛(wèi)星接收干擾的空間分布。

4? ?仿真結(jié)果

當(dāng)衛(wèi)星軌位為59°、113°、167°時，衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)所有IMT-2020（5G）微站對衛(wèi)星干擾的空間分析結(jié)果如下所示。

4.1? 衛(wèi)星軌位59°

圖3顯示當(dāng)衛(wèi)星軌位為59°時，波束指向不同位置的情況下覆蓋范圍內(nèi)所有IMT-2020系統(tǒng)臺站對衛(wèi)星的干擾情況。對于圖中某個特定點而言，橫縱坐標(biāo)分別為該點的經(jīng)度和緯度，將該點處顏色與圖右顏色條相對照可得到該點處的干擾噪聲比。該干擾噪聲比與干擾標(biāo)準(zhǔn)相比即可得衛(wèi)星波束照射該點處的干擾情況。根據(jù)圖3，當(dāng)衛(wèi)星軌位為59°時，最小干擾余量為37.67 dB，二者可以實現(xiàn)共存。

4.2? 衛(wèi)星軌位113°

圖4顯示當(dāng)衛(wèi)星軌位為113°時，波束指向不同位置的情況下覆蓋范圍內(nèi)所有IMT-2020系統(tǒng)臺站對衛(wèi)星的干擾情況，根據(jù)所處點標(biāo)識顏色即可得到衛(wèi)星波束指向該點時的干擾余量。當(dāng)衛(wèi)星軌位為113°時，最小干擾余量為37.70 dB，二者可以實現(xiàn)共存。

4.3? 衛(wèi)星軌位167°

圖5顯示當(dāng)衛(wèi)星軌位為167°時，波束指向不同位置的情況下覆蓋范圍內(nèi)所有IMT-2020系統(tǒng)臺站對衛(wèi)星的干擾情況，根據(jù)所處點標(biāo)識顏色即可得到衛(wèi)星波束指向該點時的干擾余量。當(dāng)衛(wèi)星軌位為167°時，最小干擾余量為37.81 dB，二者可以實現(xiàn)共存。

5? ?結(jié)束語

本文主要針對25.25 GHz—27.5 GHz頻段范圍內(nèi)IMT-2020（5G）與ISS衛(wèi)星之間的共存情況開展研究，主要研究衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)部署的所有IMT-2020基站對衛(wèi)星的干擾情況。依據(jù)IMT-2020（5G）系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)及網(wǎng)絡(luò)部署特點建立IMT系統(tǒng)混合模型，根據(jù)IMT-2020與ISS系統(tǒng)干擾場景設(shè)定仿真方法對IMT-2020（5G）系統(tǒng)基站對ISS的干擾情況進(jìn)行了干擾仿真分析。仿真結(jié)果表明，在25.25 GHz—27.5 GHz頻段IMT-2020（5G）與ISS可以實現(xiàn)共存，其干擾余量較大。

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