26GHz頻段IMT-2020與衛(wèi)星地球探測業(yè)務(wù)干擾共存研究

仲麗媛 周棟 孟溪

【摘? 要】毫米波頻譜應(yīng)用于5G系統(tǒng)已成為業(yè)界共識。26 GHz頻段是最有希望全球統(tǒng)一的5G毫米波頻段。25.5 GHz—27 GHz已有衛(wèi)星地球探測（空對地）業(yè)務(wù)，5G系統(tǒng)的部署需要考慮對現(xiàn)有業(yè)務(wù)的保護(hù)。為確定此頻段部署5G系統(tǒng)的可行性，給出了衛(wèi)星地球探測業(yè)務(wù)（空對地）與5G系統(tǒng)的干擾共存分析。采用蒙特卡洛仿真方法，分析了IMT-2020系統(tǒng)對衛(wèi)星地球探測業(yè)務(wù)地球站的聚合干擾，并根據(jù)干擾準(zhǔn)則得到共存所需的保護(hù)距離和干擾余量，為5G頻譜規(guī)劃及以后的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供了參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】5G;毫米波;26 GHz頻段;共存研究

1? ?引言

根據(jù)2015年ITU-R發(fā)布的《5G愿景建議書》[1]，IMT-2020 （5G）將支持多達(dá)20 Gbit/s的峰值數(shù)據(jù)速率，并支持100 Mbit/s～1 Gbit/s的用戶體驗數(shù)據(jù)速率。要想實現(xiàn)如此高的數(shù)據(jù)速率，就需要有足夠的帶寬支持，與異常擁擠的低頻段相比，毫米波具有更加豐富的頻譜資源，可以提供更大的連續(xù)帶寬，用以滿足5G在熱點區(qū)域極高的數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)容量需求。

26 GHz頻段是全球關(guān)注度最高的5G毫米波頻段。我國工業(yè)和信息化部于2017年6月8日發(fā)布了公開征求意見函，征集24.75 GHz—27.5 GHz、37 GHz—42.5 GHz或其它毫米波頻段在5G系統(tǒng)使用及規(guī)劃的意見和建議[2]。同年7月，工業(yè)和信息化部批復(fù)24.75 GHz—27.5 GHz、37 GHz—42.5 GHz頻段用于我國5G技術(shù)研發(fā)毫米波實驗頻段[3]。2016年11月10日，歐盟委員會無線頻譜政策組（RSPG）發(fā)布?xì)W洲5G頻譜戰(zhàn)略，在毫米波頻段方面明確將26 GHz（24.25 GHz—27.5 GHz）頻段作為歐洲5G高頻段的初期部署頻段。

根據(jù)《無線電規(guī)則》和《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》，25.5 GHz—27 GHz頻段已經(jīng)劃分給EESS（s-E）（Earth-Explorer Satellite Service （space to Earth），衛(wèi)星地球探測業(yè)務(wù)（空對地））。為了保證衛(wèi)星地球探測（空對地）業(yè)務(wù)的正常工作，需要開展5G系統(tǒng)與衛(wèi)星地球探測（空對地）業(yè)務(wù)的干擾共存研究，從而合理高效地利用頻譜資源。本文采用蒙特卡洛仿真方法，針對衛(wèi)星地球探測（空對地）業(yè)務(wù)中GSO（Geostationary Satellite Orbit，對地靜止軌道）衛(wèi)星系統(tǒng)和Non-GSO（Non-Geostationary Satellite Orbit，非對地靜止軌道）衛(wèi)星系統(tǒng)分別給出了與5G系統(tǒng)的共存分析，給出了保護(hù)距離和干擾余量，為5G頻譜規(guī)劃及以后的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供了參考依據(jù)。

2? ?干擾共存仿真假設(shè)

2.1? 5G系統(tǒng)參數(shù)

與中低頻相比，毫米波頻段覆蓋能力較弱，難以實現(xiàn)全網(wǎng)覆蓋，但其豐富的頻譜資源能夠滿足5G在熱點區(qū)域極高的用戶體驗速率。也就是說，5G毫米波將用于熱點增強(qiáng)，而不是廣域覆蓋，因此本文考慮的5G毫米波部署場景是室外城市熱點。詳細(xì)的5G系統(tǒng)仿真參數(shù)見表1[4]。

2.2? 衛(wèi)星地球探測（空對地）系統(tǒng)參數(shù)

表2和表3分別給出了衛(wèi)星地球探測（空對地）業(yè)務(wù)對地靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)和非對地靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)的地球站仿真參數(shù)和保護(hù)準(zhǔn)則。

2.3? 信道模型

本研究采用的路損模型參考了ITU-R P.452-16建議書[8]和ITU-R P.2108-0建議書[9]。ITU-R P.452-16建議書給出了頻率從0.1 GHz至50 GHz范圍內(nèi)，計算地球表面上無線電臺之間干擾時采用的傳播模型，本文采用了其中的凈空傳播模型，此模型考慮了以下5種傳播機(jī)理：

（1）視距（包括由多徑和聚焦效應(yīng)引起的信號增強(qiáng)效應(yīng)）;

（2）繞射（包含光滑地球表面、不規(guī)則地形和部分路徑的情況）;

（3）對流層散射;

（4）異常傳播（大氣波導(dǎo)和分層反射/折射）;

（5）地物損耗（Clutter Loss）。

根據(jù)ITU-R第3研究組的建議，地物損耗的計算參考了ITU-R P.2108建議書3.2章節(jié)中的統(tǒng)計性地物損耗模型。

3? ?共存場景及仿真方法

3.1? 共存場景

衛(wèi)星地球探測（空對地）業(yè)務(wù)中，地球站為接收端，需要考慮5G系統(tǒng)對地球站的干擾情況。圖1給出了仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這里以一個半徑15 km的圓形區(qū)域代表一個城市的城區(qū)，在這個圓形區(qū)域內(nèi)部署5G基站，地球站位于圓形區(qū)域的中心。同時，以地球站為中心，以隔離距離為半徑“挖洞”，也就是半徑等于隔離距離的圓內(nèi)不部署5G基站。在這種部署場景下，計算所有基站對地球站的聚合干擾。

此共存場景下，5G部署區(qū)域較大，代表一個城市，而毫米波是熱點覆蓋，不是無縫覆蓋，基于此考慮，仿真中5G基站的總個數(shù)為：

其中，Ds為熱點地區(qū)基站密度，取值見表1;Ra為熱點地區(qū)面積占整個城區(qū)面積的比例，根據(jù)IUT-R WP5D給出的建議，大面積部署情況下Ra建議取值為7%[4];S為5G基站部署面積。

3.2? 仿真方法

本研究采用了蒙特卡洛仿真方法，評估IMT基站對衛(wèi)星地球探測業(yè)務(wù)的地球站的聚合干擾。IMT建模參考了ITU-R M.2101建議書[10]。

仿真主要有以下步驟：

（1）以地球站為坐標(biāo)原點，在圓形部署區(qū)域內(nèi)生成5G基站和終端位置，基站天線水平擺放方向[0°， 360°]

范圍內(nèi)隨機(jī);

（2）終端選擇服務(wù)基站;

（3）計算5G基站的發(fā)射功率，并令基站的波束主瓣指向被服務(wù)的終端;

（4）分別計算每個5G基站在地球站方向上的天線增益;

（5）分別計算地球站在每個5G基站方向上的天線增益;

（6）分別計算每個5G基站到地球站的路徑損耗;

（7）分別計算每個5G基站對地球站的干擾功率，然后把所有基站的干擾功率線性相加，得到所有基站對地球站的聚合干擾;

（8）重復(fù)步驟（1）～（7），仿真多個快照，得到仿真結(jié)果，并與干擾準(zhǔn)則比較。

4? ?仿真結(jié)果及分析

4.1? 5G基站干擾GSO系統(tǒng)地球站的仿真結(jié)果

本章節(jié)給出了5G基站干擾GSO地球站的仿真結(jié)果。隔離距離設(shè)置為1 km。圖2給出了干擾值的CDF（Cumulative Distribution Function，累積分布函數(shù)）曲線。表4給出了干擾值與GSO地球站干擾準(zhǔn)則比較的結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看出，在隔離距離1 km，衛(wèi)星軌位105° E，地球站位置（116.3° E， 40.1° N）的情況下，5G基站對GSO系統(tǒng)地球站的干擾滿足干擾準(zhǔn)則，并存在明顯余量。

4.2? 5G基站干擾Non-GSO系統(tǒng)地球站的仿真結(jié)果

本章節(jié)給出了5G基站干擾Non-GSO地球站的仿真結(jié)果。隔離距離設(shè)置為1 km，分別給出了地球站仰角5°和10°的仿真結(jié)果。圖3和圖4給出了干擾值的CDF曲線。表5給出了干擾值與Non-GSO地球站干擾準(zhǔn)則比較的結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看出，在隔離距離1 km的情況下，5G基站對Non-GSO系統(tǒng)地球站的干擾滿足干擾準(zhǔn)則，并存在明顯余量。與長期干擾準(zhǔn)則相比，余量在22 dB以上，且仰角對仿真結(jié)果有一定影響，仰角越大，地球站受到的干擾越小，這是因為仰角越大，干擾路徑與地球站天線主瓣之間的角度就越大，天線增益就越小，因此干擾就小。與短期干擾準(zhǔn)則相比，余量為5.4 dB。

5? ?結(jié)束語

26 GHz頻譜受到了全球多個國家和地區(qū)的關(guān)注，也是我國潛在的5G毫米波頻段之一。通過上文分析可知，5G系統(tǒng)基站和衛(wèi)星地球探測（空對地）系統(tǒng)在1 km隔離距離下可以滿足干擾準(zhǔn)則，且存在較大余量，說明兩系統(tǒng)非常容易實現(xiàn)共存。在部分難以共存的區(qū)域，可以通過溝通協(xié)商的方法來解決干擾問題，如調(diào)整天線角度，優(yōu)化5G基站選址等。本文的研究結(jié)論為我國毫米波頻譜規(guī)劃及未來網(wǎng)絡(luò)部署提供了技術(shù)支撐。除了衛(wèi)星地球探測（空對地）系統(tǒng)，26 GHz還存在衛(wèi)星間業(yè)務(wù)，空間研究業(yè)務(wù)等其他現(xiàn)有業(yè)務(wù)，為了保證此頻段現(xiàn)有業(yè)務(wù)的正常運行，還需要考慮5G系統(tǒng)與這些系統(tǒng)的干擾共存情況，后續(xù)會進(jìn)一步考慮這些業(yè)務(wù)與5G系統(tǒng)的共存研究。

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