高頻段下的5G系統(tǒng)對(duì)地球探測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)干擾共存研究

王毅 張寶菊 王為

【摘? 要】為推動(dòng)我國(guó)在5G系統(tǒng)熱門候選頻段24.25 GHz—27.5 GHz下的研究發(fā)展，分析5G系統(tǒng)在該頻段下與其他系統(tǒng)的干擾共存問(wèn)題，選取地球探測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)作為研究對(duì)象，分析5G系統(tǒng)對(duì)該系統(tǒng)的干擾影響，并通過(guò)確定性計(jì)算得到了在兩系統(tǒng)相距1.2 km處5G系統(tǒng)的基站天線垂直方向角和地球探測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)的地球站離軸角分別與干擾功率之間的關(guān)系，以及地球站離軸角分別處于10°、30°、45°時(shí)，干擾功率與兩系統(tǒng)隔離距離之間的關(guān)系。根據(jù)地球站的干擾保護(hù)準(zhǔn)則并結(jié)合仿真結(jié)果，可計(jì)算得出兩系統(tǒng)同頻共存時(shí)需要保持的最小隔離距離。

【關(guān)鍵詞】24.25 GHz—27.5 GHz;5G系統(tǒng);地球探測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng);大規(guī)模MIMO;隔離距離;天線角度

中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2019）05-0072-06

1? ?引言

隨著萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代即將到來(lái)，移動(dòng)通信作為日常生活中不可或缺的重要場(chǎng)景之一，即將迎來(lái)前所未有的挑戰(zhàn)?；ヂ?lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)日趨增多的用戶數(shù)，以及爆炸式增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)量和數(shù)據(jù)量，無(wú)疑在不斷地對(duì)未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)提出更高的要求[1]。在這種環(huán)境下，第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)便成為了世界各國(guó)重點(diǎn)研發(fā)對(duì)象之一。同時(shí)國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線部（ITU， International Telecommunication Union）也于2015年將第五代移動(dòng)通信正式命名為IMT-2020。

依據(jù)5G技術(shù)白皮書里的愿景來(lái)看，5G的研發(fā)雖然可以使得用戶在未來(lái)的時(shí)間里體驗(yàn)到超高接入速率、超低時(shí)延、大連接數(shù)量、超高流量密度和超高移動(dòng)性等多場(chǎng)景服務(wù)[2]，但是新的問(wèn)題隨之而來(lái)，那就是頻譜資源的稀缺使得5G系統(tǒng)不得不與同頻段下的一些原有業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)同頻共存，但是低頻段下的業(yè)務(wù)已經(jīng)過(guò)于密集，導(dǎo)致可利用的頻譜資源相對(duì)較少。因此，ITU將目標(biāo)鎖定在了高頻段上，并于2016年在日內(nèi)瓦召開(kāi)了ITU-R TG5.1工作組第一次會(huì)議，會(huì)議主要討論如何在高頻段內(nèi)使5G系統(tǒng)與同頻段下的原有業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)共存[3]。

本文在上述背景下，重點(diǎn)探究了在24.25 GHz—27.5 GHz高頻段下的5G業(yè)務(wù)與地球探測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)的同頻共存問(wèn)題，分別得到了兩個(gè)系統(tǒng)的天線角度與干擾功率之間的關(guān)系，并確定了在天線角度固定的情況下兩系統(tǒng)不受影響時(shí)的最小隔離距離。

2? ?系統(tǒng)建模與分析方法

2.1? 干擾模型

因?yàn)?4.25 GHz—27.5 GHz為5G熱門候選頻段，而負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)地球和大氣狀況的地球探測(cè)衛(wèi)星（空對(duì)地）系統(tǒng)又是作為該頻段下的重要系統(tǒng)之一，那么如何使得上述兩系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)同頻共存便是一個(gè)值得進(jìn)行深入研究的問(wèn)題。

本文選擇研究的干擾場(chǎng)景為24.25 GHz—27.5 GHz頻段下，基于Massive-MIMO的單個(gè)5G系統(tǒng)基站對(duì)地球探測(cè)衛(wèi)星（空對(duì)地）系統(tǒng)中衛(wèi)星地球站的單鏈路干擾。其中地球探測(cè)衛(wèi)星（空對(duì)地）系統(tǒng)中的地球站所關(guān)聯(lián)的是GSO（Geostationary Orbit，靜止軌道衛(wèi)星）人造衛(wèi)星，GSO人造衛(wèi)星的特性之一是相對(duì)于地球而言一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此衛(wèi)星地球站基于這種特性下的人造衛(wèi)星而言，其天線俯仰角通常是相對(duì)固定不變的。干擾模型如圖1所示。

2.2? 天線模型

（1）5G系統(tǒng)基站天線模型

為了提高信號(hào)的傳輸效率，提高5G系統(tǒng)接收信號(hào)的質(zhì)量，Massive-MIMO技術(shù)與波束成形技術(shù)成為了5G研究中的兩大核心技術(shù)。因此，本文將在5G系統(tǒng)基站端采用基于Massive-MIMO的波束成形天線陣列模型[4]。

圖2為一個(gè)典型的基于笛卡爾坐標(biāo)系的Massive-MIMO天線幾何模型。該天線模型由許多個(gè)位于yz平面等間隔（0.5倍波長(zhǎng)）的天線陣元組成，其中dz為垂直方向陣元間隔距離，dy為水平方向陣元間隔距離，θ為天線的垂直方向角，其變化范圍為0°～180°，φ為天線的水平方向角，其變化范圍為-180°～180°。具體的建模公式請(qǐng)參見(jiàn)式（1）至式（6）[5]。

在式（1）至式（3）中，Am為天線前后比，SLAV為旁瓣電平極限，φ3dB與θ3dB分別為陣元水平與垂直的半功率角，天線陣元增益用GE，max表示。

式（4）至式（6）中，vm，n和wm，n分別表示轉(zhuǎn)向因子和重量因子，NH與NV分別表示Massive-MIMO陣列中水平與垂直方向上的天線陣元的數(shù)量，下標(biāo)m/n表示水平/垂直方向上陣元的編號(hào)，θetilt為天線的電子下傾角，φescan為天線的電子水平轉(zhuǎn)向角，dv和dH分別表示水平和垂直方向上的陣元間距，ρ為相關(guān)系數(shù)，AA（φ，θ）為波束成形天線增益。

（2）地球探測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)地球站天線模型

本文中的地球站天線模型將采用建議書ITU-R S.580-6[6]中的接收天線模型，具體建模過(guò)程如式（7）所示：

在上述建模過(guò)程中，地球站的接收天線增益用GR來(lái)表示，其最大增益則用Gmax來(lái)表示，ε表示地球站天線的離軸角，在本文中指的是5G系統(tǒng)對(duì)地球站的干擾信號(hào)方向與地球站接收天線主軸方向的夾角。εmin的大小由天線的直徑D（米）與波長(zhǎng)λ（米）的比值來(lái)決定，具體計(jì)算公式參見(jiàn)式（8）：

2.3? 傳播模型

電磁波在大氣中傳輸時(shí)通常會(huì)伴隨有一定的路徑損耗，所以我們經(jīng)常會(huì)用數(shù)學(xué)關(guān)系式來(lái)建立與其相對(duì)應(yīng)的傳播模型，表示無(wú)線電波傳播損耗隨各種因素所發(fā)生的變化關(guān)系。常用的傳播模型有LOS模型、SPM 模型、Okumura-Hata模型、COST231-Hata模型、Walfisch-Ikegami模型、自由空間模型等[7]。本文選取的傳播模型為L(zhǎng)OS傳播模型，在該模型條件下，無(wú)線電信號(hào)將無(wú)遮擋地在發(fā)射端和接收端之間進(jìn)行傳播。式（9）為具體的LOS傳播模型關(guān)系式：

式（9）中PL0表示的是路徑損耗值，d表示的是兩系統(tǒng)之間的傳輸距離，其單位為km，f表示的是電磁波工作頻率，其單位為MHz，Ag表示的是大氣吸收損耗，其單位為dB。

2.4? 確定性計(jì)算分析方法

在探究5G基站對(duì)衛(wèi)星地球站的同頻干擾時(shí)，通常用到的典型干擾場(chǎng)景有兩種。第一種是單鏈路干擾，即一個(gè)5G基站對(duì)一個(gè)衛(wèi)星地球站的干擾。第二種是集總干擾，即多個(gè)5G基站對(duì)一個(gè)衛(wèi)星地球站的干擾，集總干擾又可以分為挖洞式和拉遠(yuǎn)式。因?yàn)楸疚乃x取的確定性干擾分析方法基于單鏈路干擾模型，所以對(duì)集總干擾不再做過(guò)多贅述。具體的單鏈路干擾計(jì)算式參見(jiàn)式（10）：

式（10）中I表示衛(wèi)星地球站接收機(jī)接收到的干擾功率（dBm），Pt為5G系統(tǒng)的總發(fā)射功率（dB），AA（φ，θ）為5G發(fā)射機(jī)波束成形天線增益，GR為地球站接收機(jī)天線增益，PL0為自由空間路徑損耗，LT為5G發(fā)射機(jī)饋線損耗（dB），LP為極化損耗（dB），CL為地物損耗（dB）。其中5G系統(tǒng)總發(fā)射功率Pt具體計(jì)算式參見(jiàn)式（11）[8]。通過(guò)式（10）的計(jì)算，我們可以得出在不同距離下，5G基站天線和地球站天線分別處于不同俯仰角和水平角時(shí)，5G系統(tǒng)對(duì)地球探測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)的單鏈路干擾功率。從而可以進(jìn)一步分析出在一定條件下，5G系統(tǒng)對(duì)地球探測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾時(shí)的最小隔離距離。

式（11）中GSINGLE代表的是單根天線的發(fā)射功率，NH與NV分別表示y軸陣列天線的數(shù)目與z軸陣列天線的數(shù)目。

3? ?仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1? 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

（1）5G系統(tǒng)基站參數(shù)

本文根據(jù)ITU-R WP5D研究報(bào)告[9]以及建議書ITU-R M.2101[10]得到24.25 GHz—27.5 GHz下的5G系統(tǒng)基站參數(shù)如表1所示：

（2）地球探測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)地球站參數(shù)

本文參考ITU-R WP7B發(fā)給TG5/1的聯(lián)絡(luò)函，得到地球探測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)接收特性參數(shù)如表2所示。

3.2? 仿真實(shí)驗(yàn)

本文仿真實(shí)驗(yàn)是基于Matlab 2014b平臺(tái)所完成，首先探究了兩系統(tǒng)在相距1.2 km并處于同一水平面時(shí)，5G系統(tǒng)的天線垂直方向角對(duì)干擾功率的影響。根據(jù)式（11）與表1的參數(shù)，我們可求得8×8陣列天線下的5G基站系統(tǒng)總發(fā)射功率Pt，接著算出在1.2 km處電磁波的路徑損耗PL0，所求結(jié)果參見(jiàn)式（12）與式（13）。最后再根據(jù)式（1）～式（6）、式（10）以及表1的參數(shù)，結(jié)合式（12）與式（13）的結(jié)果，在保持5G基站天線水平方向角不變（本文將水平方向角φ設(shè)置為0°）和衛(wèi)星地球站離軸角處于10°的前提下，求得5G基站天線垂直方向角與干擾功率之間的變化關(guān)系，具體仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，在兩系統(tǒng)相距1.2 km的條件下，當(dāng)5G基站天線垂直方向角為90°時(shí)，5G系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星地球站的干擾功率最大，此時(shí)可以計(jì)算得出該角度下的天線增益也最大，且值為23 dBi。

同理，我們也可以根據(jù)式（7） ～式（8）、式（13）以及表2的參數(shù)，在5G基站天線垂直方向角處于90°時(shí)，得出兩系統(tǒng)在相距1.2 km處地球站離軸角與干擾功率之間的變化關(guān)系，具體仿真結(jié)果如圖4所示：

從圖4中我們可以看出，在一定角度范圍內(nèi)，隨著衛(wèi)星地球站離軸角越高，受到5G基站的干擾功率越小。這是因?yàn)榈厍蛘倦x軸角越高，其接收天線在5G干擾信號(hào)方向上的增益越小，那么此時(shí)受到的干擾也會(huì)越小。

與此同時(shí)，本文還探究了當(dāng)5G基站天線的垂直方向角與衛(wèi)星地球站的離軸角都固定時(shí)（本文將基站天線垂直方向角設(shè)置為90°，衛(wèi)星地球站離軸角設(shè)置為10°），兩系統(tǒng)之間的隔離距離與干擾功率之間的關(guān)系。并根據(jù)衛(wèi)星地球站的最大干擾門限得出了5G系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星地球站系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾時(shí)所對(duì)應(yīng)的最小安全隔離距離。最后，本文對(duì)比了當(dāng)基站天線垂直方向角固定不變時(shí)（θ=90°），地球站離軸角分別處于10°、30°、45°下的隔離距離與干擾功率之間的關(guān)系。具體仿真圖如5和圖6所示。

從圖5中可以觀察得到，在兩系統(tǒng)天線角度處于固定不變的情況下，5G基站對(duì)衛(wèi)星地球站的干擾功率隨著兩系統(tǒng)之間的隔離距離的增加呈現(xiàn)出單調(diào)遞減的趨勢(shì)。當(dāng)隔離距離大于2.3 km時(shí)，干擾功率低于地球站最大干擾門限，此時(shí)5G基站對(duì)衛(wèi)星地球站不產(chǎn)生同頻干擾。同時(shí)通過(guò)對(duì)比圖6的三條曲線，我們還可以得出在5G基站天線垂直方向角固定不變時(shí)（θ=90°），地球站在受到同樣大小干擾功率的情況下，其離軸角越小，兩系統(tǒng)間的隔離距離越大，且離軸角分別處于10°、30°、45°時(shí)，5G基站不對(duì)地球站產(chǎn)生同頻干擾時(shí)的最小安全隔離距離分別為2.3 km、0.6 km、0.4 km。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)24.25 GHz—27.5 GHz下的5G系統(tǒng)與地球探測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)同頻共存問(wèn)題，本文探究了在一定條件下兩系統(tǒng)天線各自的俯仰角對(duì)干擾信號(hào)功率的影響。與此同時(shí)，在兩系統(tǒng)天線俯仰角一定的情況下（基站天線垂直方向角設(shè)置為90°，衛(wèi)星地球站天線離軸角設(shè)置為10°），根據(jù)地球站參數(shù)中的最大干擾門限，得到了衛(wèi)星地球站不受5G基站干擾影響時(shí)的最小隔離距離為2.3 km。最后仿真計(jì)算得出在基站天線垂直方向角不變（θ=90°），地球站天線離軸角分別處于10°、30°、45°下的最小安全隔離距離為2.3 km、0.6 km以及0.4 km。

參考文獻(xiàn)：

[1] SEXTON C， KAMINSKI N J， MARQUEZ-BARJA J M， et al. 5G： adaptable networks enabled by versatile radio access technologies[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2017，19（2）： 688-720.

[2] AGIWAL M， ROY A， SAXENA N. Next generation 5G wireless networks： a comprehensive survey[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2016，18（3）： 1617-1655.

[3] 朱禹濤，朱穎. WRC-15會(huì)議進(jìn)展及展望[J]. 電信網(wǎng)技術(shù)， 2016（3）： 1-4.

[4] WANG CX， Ha ider F， Gao X， et al. Cellular architecture and key technologies for 5G wireless communication networks[J]. IEEE Communications Magazine， 2014，52（2）： 122-130.

[5] HASSAN W A， JO H S， THAREK A R. The feasibility of coexistence between 5G and existing services in the 5G candidate bands in Malaysia[J]. IEEE Access， 2017（5）： 14867-14888.

[6] ITU-R S.580-6. Radiation diagrams for use as design objectives for antennas of earth stations operating with geostationary satellites， Recommendation[R]. 2004.

[7] 趙明峰. LTE 傳播模型淺析[J]. 電信科學(xué)， 2013（9）： 117-121.

[8] 李新利. 3-6GHz頻段5G系統(tǒng)對(duì)異系統(tǒng)的干擾研究[D]. 北京： 北京郵電大學(xué)， 2018.

[9] ITU-R. Characteristics of terrestrial IMT systems for frequency sharing interference analyses in the frequency range between 24.25 GHz and 86 GHz[R]. 2017.

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