3 400～3 600 MHz頻段5G系統(tǒng)與衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)共存研究

周 瑤，聶 昌（中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京100048）

1 概述

近年來，智能終端的廣泛應(yīng)用以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的多樣化，促使全球移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)入高速增長(zhǎng)模式。在全球4G商用方興未艾之時(shí)，由產(chǎn)業(yè)界推動(dòng)的第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）正在被如火如荼地研究。頻譜作為無線通信的基礎(chǔ)戰(zhàn)略資源，對(duì)5G產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展至關(guān)重要。為了引導(dǎo)5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展，搶占市場(chǎng)先機(jī)，從2016年開始，包括美國、歐盟、韓國、日本等在內(nèi)的全球主要國家及組織紛紛制定5G頻譜政策，部分主要國家還提出了商用時(shí)間表并開展了前期技術(shù)試驗(yàn)，為2018—2020年5G的商用奠定基礎(chǔ)。為適應(yīng)和促進(jìn)5G系統(tǒng)在我國的應(yīng)用和發(fā)展，我國也于2017年底發(fā)布5G系統(tǒng)在3 000～5 000 MHz頻段內(nèi)的頻率使用規(guī)劃，規(guī)劃明確了3 300～34 00 MHz（原則上限室內(nèi)使用）、3 400～3 600 MHz和4 800～5 000 MHz頻段作為5G系統(tǒng)的工作頻段［1］。

3 700～4 200 MHz頻段是固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)（FSS，空對(duì)地）的標(biāo)準(zhǔn)C頻段，3 400～3 700 MHz頻段是C波段的擴(kuò)展頻段。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國向國際電聯(lián)申報(bào)含擴(kuò)展C頻段（3 400～3 700 MHz）的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料47份，批準(zhǔn)在我國境內(nèi)使用3 400～3 700 MHz頻段開展業(yè)務(wù)的空間電臺(tái)（衛(wèi)星）共11座，使用3 400～3 600 MHz頻段為中星6B和中星10號(hào)，目前在用擴(kuò)展C頻段FSS地球站共144座。如果在3 400～3 600 MHz頻段部署5G系統(tǒng)，將引入5G系統(tǒng)對(duì)FSS地球站的干擾問題。

本文詳細(xì)分析了在3 400～3 600 MHz頻段部署5G系統(tǒng)，與FSS地球站之間的同頻、鄰頻以及飽和干擾，并且基于分析結(jié)果提出了規(guī)避干擾的解決措施。

2 3 400～3 600 MHz頻段5G系統(tǒng)與FSS地球站的共存分析

2.1 干擾場(chǎng)景

FSS地球站主要使用標(biāo)準(zhǔn)C波段3.7～4.2 GHz，也存在部分的擴(kuò)展C波段3.4～4.2 GHz頻段范圍的地球站。因此，5G系統(tǒng)與FSS地球站共存時(shí)，主要考慮如圖1所示2種情況。

在鄰頻共存場(chǎng)景中，由于發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的非理想特性造成相鄰系統(tǒng)間的干擾，分別從發(fā)射機(jī)的鄰頻帶外輻射以及接收機(jī)的飽和干擾2個(gè)方面來進(jìn)行分析。

圖1 2系統(tǒng)同頻、鄰頻部署示意圖

因此，干擾共存場(chǎng)景如下。

a)對(duì)衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)地球站的同頻干擾。

b)對(duì)衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)地球站的鄰頻帶外輻射干擾。

c)對(duì)衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)地球站的飽和干擾。

2.2 系統(tǒng)參數(shù)

2.2.1 5G系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù) ITU-R M.2292 建議書［2］，同時(shí)參考 ITU-R WP5D發(fā)給ITU-R TG51的聯(lián)絡(luò)函給出的5G系統(tǒng)高頻參數(shù)，假設(shè)3～6 GHz頻段5G系統(tǒng)參數(shù)、部署模型如表1所示。

2.2.2 FSS地球站參數(shù)

FSS地球站的參數(shù)如表2所示。

2.3 仿真拓?fù)浼案蓴_計(jì)算

2.3.1 仿真拓?fù)?/p>

假設(shè)5G系統(tǒng)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)基站簇，由19個(gè)基站（圖2中的站點(diǎn)0至18）組成，其中每個(gè)基站為3個(gè)扇區(qū)，為避免網(wǎng)絡(luò)部署邊緣效應(yīng)，其他的基站簇以此簇為中心采用環(huán)繞方法（wrap-round）向四周延伸。

2.3.1.1 同頻干擾分析

為了研究FSS系統(tǒng)和5G系統(tǒng)同頻共存干擾情況，將2個(gè)系統(tǒng)部署在同一地理區(qū)域，采用“挖洞式”的拓?fù)淠Ｐ?，即假設(shè)存在1個(gè)FSS地球站，5G系統(tǒng)部署于FSS地球站周圍（見圖3）。

初始拓?fù)淠Ｐ停篎SS地球站周圍只部署7圈5G基站。FSS地球站和5G基站不共站址（地球站和基站站址間至少有1個(gè)站間距的隔離，即城區(qū)場(chǎng)景450 m，郊區(qū)場(chǎng)景900 m）。

表1 3～6 GHz頻段用于干擾共存研究的5G系統(tǒng)參數(shù)

共存研究時(shí)的拓?fù)淠Ｐ驼{(diào)整：如2個(gè)系統(tǒng)不能共存，刪除5G最內(nèi)圈基站，增加地理隔離距離后再次計(jì)算2個(gè)系統(tǒng)是否可共存。刪除最內(nèi)圈基站的同時(shí)在最外面增加1圈基站，始終保持7圈基站。直到2個(gè)系統(tǒng)滿足共存要求，此時(shí)地球站和5G當(dāng)前最內(nèi)圈的基站間的距離為2個(gè)系統(tǒng)的地理隔離距離。

表2 C波段FSS地球站參數(shù)

圖2 5G系統(tǒng)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖3 同頻場(chǎng)景下FSS（地對(duì)空）與5G網(wǎng)絡(luò)宏小區(qū)共存拓?fù)?/p>

2.3.1.2 鄰頻干擾（鄰頻帶外輻射及飽和干擾）分析

考慮到圖3“挖洞式”拓?fù)淠Ｐ头治鰰r(shí)，5G基站與FSS地球站之間至少有1個(gè)站間距的隔離距離，而鄰頻場(chǎng)景時(shí)，通過改善發(fā)射機(jī)及接收機(jī)的指標(biāo)，可以縮短隔離距離，即實(shí)際所需求的隔離距離可小于1個(gè)站間距，因此鄰頻場(chǎng)景采用如下的拓?fù)淠Ｊ健?/p>

固定FSS地球站到5G基站的隔離距離，分析共存所需要的額外隔離度需求。假設(shè)FSS地球站與5G基站的隔離距離分別為50、100 m。在仿真50和100 m隔離距離時(shí)，如圖4所示。綠色實(shí)心圓代表FSS地球站，其在0號(hào)基站為圓心，半徑為50 m/100 m的圓周上隨機(jī)分布。FSS地球站的方位角固定，F(xiàn)SS地球站朝向正東方向，保證存在FSS地球站與5G基站最大方向完全正對(duì)的可能。

圖4 鄰頻場(chǎng)景下FSS（空對(duì)地）與5G網(wǎng)絡(luò)宏小區(qū)共存拓?fù)?/p>

2.3.2 干擾計(jì)算

仿真計(jì)算拓?fù)鋱?chǎng)景下的5G系統(tǒng)基站對(duì)FSS地球站的集中干擾水平。

2.3.2.1 單條鏈路干擾計(jì)算

單個(gè)IMT基站對(duì)FSS地球接收站的干擾模型如圖5所示。

圖5 IMT系統(tǒng)對(duì)FSS地球站的干擾模型

其中，O為FSS地球站所在位置，OP為地球站主軸方向，A為IMT基站發(fā)射天線所在位置，AO為IMT系統(tǒng)發(fā)射機(jī)對(duì)FSS地球站的干擾方向?！螾OM為地球站天線主軸與其在水平面的投影構(gòu)成的角度，即地球站的仰角。φ為干擾方向與地球站主軸方向的空間離軸角。

若只考慮1個(gè)IMT基站的干擾時(shí)，則地球站接收到的干擾功率可由下式計(jì)算：

式中：

IIMT——FSS地球站接收機(jī)輸入端接收到的1 MHz帶寬內(nèi)的干擾功率（dBm）

PIMT——IMT系統(tǒng)每MHz帶寬的發(fā)射功率（dBm）

GIMT(γ,β)——IMT基站的天線增益（dB）

GFFS(φ)——FSS地球站接收天線增益（dB）

L(f,d)——大范圍的路徑損耗（dB），采用ITU-R P.452傳播模型

CL(d)——周圍物體的散射損耗，采用ITU-R P.2108建議書給出的適用于地面?zhèn)鞑キh(huán)境的地物損耗模型（dB）

ACLR——鄰信道泄露比（dB），0代表同頻干擾，本報(bào)告中鄰頻時(shí)ACLR取45 dB

衛(wèi)星地球站天線的增益與離軸角的關(guān)系參考ITU-RS.465建議書，

其中，在3.5 GHz頻點(diǎn)上，天線直徑D為2.4 m時(shí)φ>3.0°，而D為1.8 m時(shí)φ>4.1°按前面公式計(jì)算。對(duì)于與地球站的偏軸角大于48°的干擾信號(hào)則天線增益均為-10 dB，如圖6所示。

2.3.2.2 集總干擾計(jì)算

IMT系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星固定（空對(duì)地）業(yè)務(wù)的集總干擾計(jì)算公式如下：

式中：

Iagg——到達(dá)衛(wèi)星地球站接收機(jī)輸入端的集總干擾功率譜密度（dBm/MHz）

In——第n個(gè)IMT基站對(duì)衛(wèi)星地球站的干擾功率譜密度（dBm/MHz）

圖6 衛(wèi)星地球站天線增益與離軸角關(guān)系

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 同頻干擾結(jié)果

仿真中，假設(shè)5G系統(tǒng)與FSS地球站隔離1、5、10、50 km，傳播模型時(shí)間概率取1%，P.2108地物損耗的位置百分比P在0%～100%隨機(jī)取值，得出共存所需要的隔離度如表3所示，正值表示還需要提供額外隔離度，負(fù)值表示可以共存。

表3 同頻干擾結(jié)果

由表3可知，F(xiàn)SS地球站的仰角越高，5G系統(tǒng)與FSS地球站共存所需要的額外隔離度越小。距離增大，在相同仰角情況下，所需要的隔離度減小。結(jié)果顯示，僅當(dāng)2個(gè)系統(tǒng)隔離50 km，且FSS地球站仰角45°情況下，2個(gè)系統(tǒng)不需要額外隔離度，其他場(chǎng)景下，2個(gè)系統(tǒng)共存均需要額外隔離度。

2.4.2 鄰頻帶外輻射結(jié)果

仿真中，假設(shè)5G系統(tǒng)與FSS地球站隔離1、5、10、50 km，傳播模型時(shí)間概率取1%，P.2108地物損耗的位置百分比P在0%～100%隨機(jī)取值，得出共存所需要的隔離度如表4所示。

表4 鄰頻帶外輻射干擾結(jié)果

由表4可知，無論在50 m還是100 m隔離距離下，2個(gè)系統(tǒng)共存均需要額外隔離度。距離增大，在相同仰角情況下，所需要的隔離度減小。50 m情況下，2個(gè)系統(tǒng)所需要的額外隔離度為23.81～29.36 dB，100 m情況下，2系統(tǒng)所需要的額外隔離度為17.11～25.63 dB。

2.4.3 飽和干擾結(jié)果

仿真中，假設(shè)5G系統(tǒng)與FSS地球站隔離1、5、10、50 km，傳播模型時(shí)間概率取1%，P.2108地物損耗的位置百分比P在0%～100%隨機(jī)取值，得出共存所需要的隔離度如表5所示。

表5 飽和干擾結(jié)果

由表5可知，F(xiàn)SS地球站抗飽和電平為-60 dBm/100 MHz情況下，無論在50 m還是100 m隔離距離下，2個(gè)系統(tǒng)共存均需要額外隔離度。距離增大，在相同仰角情況下，所需要的隔離度減小。50 m情況下，2個(gè)系統(tǒng)所需要的額外隔離度為15.54～20.57 dB，100 m情況下2個(gè)系統(tǒng)所需要的額外隔離度為16.53～24.07 dB。

3 干擾隔離措施分析及建議

3.1 常見干擾隔離措施

在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)的過程中，從工程的角度采用一些優(yōu)化辦法改善無線干擾問題。這些方法主要有：增加頻率保護(hù)帶、提高濾波器精度、設(shè)備參數(shù)限制、站址部署調(diào)整、優(yōu)化天線安裝、站點(diǎn)屏蔽等。

3.1.1 增加頻率保護(hù)帶

增加頻率保護(hù)帶解決方案就是通過頻率規(guī)劃，使得干擾系統(tǒng)的發(fā)射頻段和被干擾系統(tǒng)的接收頻段在頻域上得到一定的隔離。隨著隔離的增大，干擾系統(tǒng)發(fā)射機(jī)信號(hào)落入被干擾接收機(jī)接收帶寬內(nèi)的分量減小，同時(shí)接收機(jī)接收濾波器對(duì)干擾系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)的衰落加大，因此系統(tǒng)間干擾減小。

適當(dāng)?shù)念l率保護(hù)帶可以有效緩解鄰頻干擾問題。同時(shí)，在考慮使用附加濾波器來限制干擾信號(hào)時(shí)，由于理想線性的濾波器難以實(shí)現(xiàn)，因此也需要留一定的保護(hù)帶為濾波器提供過渡帶。但另一方面，由于頻率資源的稀缺以及發(fā)射、接收濾波器頻率響應(yīng)特性的不同，使用保護(hù)帶時(shí)也應(yīng)綜合考慮其他干擾解決方案，盡量減少保護(hù)帶寬的大小。

3.1.2 提高濾波器精度

提高濾波器精度解決方案即在原有設(shè)備的無線收發(fā)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過使用高精度濾波器或附加濾波器來進(jìn)一步提高發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的濾波特性，達(dá)到系統(tǒng)間共存所需的隔離度。在衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)地球站接收前端，加裝濾波器可以降低來自5G系統(tǒng)的飽和干擾。提高濾波器精度是有效解決干擾的途徑之一，但也意味著成本的增加。

3.1 .3設(shè)備參數(shù)限制

設(shè)備參數(shù)限制是規(guī)定足夠的設(shè)備指標(biāo)來保證收發(fā)頻率相鄰的共存問題，主要有嚴(yán)格限制5G基站設(shè)備的帶外輻射指標(biāo)、FSS地球站的抗飽和干擾指標(biāo)等。這是國家無線電監(jiān)管機(jī)構(gòu)在具體頻段規(guī)劃后進(jìn)行的設(shè)備限制。

3.1.4 站址部署調(diào)整

5G系統(tǒng)站址部署調(diào)整可以有效地控制對(duì)衛(wèi)星接收地球站的干擾，如IMT的部署位置與衛(wèi)星接收地球站之間有天然屏蔽（如樹木、建筑物、墻壁等）。同時(shí)，部署時(shí)考慮部署地點(diǎn)與衛(wèi)星接收地球站站址的距離隔離、IMT天線的方位角與衛(wèi)星接收地球站波束主軸方向的隔離、調(diào)整IMT天線方向和天線波束寬度也可以達(dá)到降低IMT實(shí)際系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星接收地球站干擾的目的。

3.1.5 優(yōu)化天線安裝

優(yōu)化天線安裝方案包括天線傾角、天線背板屏蔽等，通過采取一些優(yōu)化措施，提高天線間的耦合損失，降低干擾。

a）天線下傾：對(duì)于3.5 GHz 5G系統(tǒng)而言，通過調(diào)整基站的天線傾角可以縮減IMT基站的覆蓋范圍，同時(shí)減小IMT系統(tǒng)主瓣對(duì)衛(wèi)星接收地球站的干擾。

b）天線背板屏蔽：IMT天線背板屏蔽是一種降低IMT系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星接收地球站的干擾的工程措施。考慮到所需的天線輻射覆蓋范圍和天線部署位置，可以通過在IMT天線增加背板來降低對(duì)衛(wèi)星接收地球站的干擾；干擾降低量和背板材料有關(guān)，干擾降低量可達(dá)10 dB量級(jí)以上。該方式適用于衛(wèi)星接收地球站不位于IMT系統(tǒng)天線主瓣方向的場(chǎng)景。

3.1.6 站點(diǎn)屏蔽

不同的站點(diǎn)屏蔽技術(shù)可以用來減輕來自3.5 GHz的5G系統(tǒng)的干擾，站點(diǎn)屏蔽技術(shù)不適用于所有衛(wèi)星接收地球站場(chǎng)景，如天線場(chǎng)區(qū)面積受限、工程實(shí)施條件受限等情況，且需增加額外建設(shè)費(fèi)用。

a）ITU-R SF.1486建議書中描述了在衛(wèi)星接收地球站周圍采用物理或自然的屏蔽方法。

b）帶斜柵欄或吸收材料的雙重柵欄。雙重柵欄是一種有效對(duì)抗來自2個(gè)截然相反方向的干擾源的干擾減緩解決方案，具體如圖7所示。

圖7 帶斜柵欄吸收材料的雙重柵欄

c）網(wǎng)格屏蔽。網(wǎng)格屏蔽解決方案用于減輕在衛(wèi)星接收地球站周圍隨機(jī)分布的3.5 GHz系統(tǒng)對(duì)FSS衛(wèi)星接收地球站的干擾。一層網(wǎng)格帶來的信號(hào)衰減可達(dá)30 dB，10 cm分隔距離的雙層網(wǎng)格的信號(hào)衰減將高達(dá)60 dB。

3.2 5G與FSS地球站共存干擾規(guī)避措施建議

綜上，將3 400～3 600 MHz頻段規(guī)劃用于5G系統(tǒng)，可以通過規(guī)范5G系統(tǒng)射頻技術(shù)指標(biāo)、加裝衛(wèi)星接收機(jī)高頻頭濾波器、站點(diǎn)屏蔽、站址隔離等措施實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)與衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)的兼容共存，具體建議如下。

a）同頻干擾解決方案：從仿真結(jié)果看，兩者需要幾十km的隔離距離，但考慮實(shí)際傳播特性、衛(wèi)星地球站接收能力等因素，2個(gè)系統(tǒng)隔離度會(huì)進(jìn)一步減小。由于FSS地球站部署的站址規(guī)模有限，可以通過上述工程措施，逐站協(xié)調(diào)解決，解決方案建議后續(xù)由國家主管機(jī)構(gòu)總體牽頭制定協(xié)調(diào)機(jī)制，解決運(yùn)營商與衛(wèi)星操作者頻率使用協(xié)調(diào)問題。

b）鄰頻和飽和干擾解決方案：考慮到3 600～3 700 MHz頻段FSS地球站部署規(guī)模有限，可按照同頻解決方案逐站協(xié)商解決。對(duì)于3 700～4 200 MHz頻段FSS地球站，需要規(guī)范提高5G系統(tǒng)帶外發(fā)射技術(shù)指標(biāo)，提高FSS地球站接收前端能力，同時(shí)建議運(yùn)營商在3 400～3 600 MHz頻段部署5G基站時(shí)盡量避開FSS地球站天線凈空前方。

4 結(jié)束語

當(dāng)在某一頻譜部署新的無線系統(tǒng)時(shí)，需要對(duì)新系統(tǒng)與現(xiàn)有頻段上的業(yè)務(wù)以鄰頻段業(yè)務(wù)進(jìn)行兼容性分析，得出系統(tǒng)共存時(shí)所需要的隔離距離以及額外隔離度需求的指標(biāo)，從而為頻段規(guī)劃及分配提供必要的技術(shù)支撐?；诠泊娣治龅慕Y(jié)論，通過一定的措施可以實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)與衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)（空對(duì)地）的兼容共存。5G系統(tǒng)是我國實(shí)施“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國”“制造強(qiáng)國”戰(zhàn)略的重要信息基礎(chǔ)設(shè)施，更是發(fā)展新一代信息通信技術(shù)的高地。頻率資源是研發(fā)、部署5G系統(tǒng)最關(guān)鍵的基礎(chǔ)資源。5G頻譜中3 400～3 600 MHz是產(chǎn)業(yè)鏈聚集度最高的中頻段，也是最適合運(yùn)營用于5G初期部署的頻段。建議國家能夠牽頭制定協(xié)調(diào)機(jī)制，解決運(yùn)營商與衛(wèi)星操作者頻使用協(xié)調(diào)問題，引導(dǎo)運(yùn)營商進(jìn)行5G部署，實(shí)現(xiàn)我國5G全球引領(lǐng)。