Q/V頻段5G基站對NGSO星座系統(tǒng)地球站的干擾分析*

(國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037)

0 引 言

據(jù)國際電聯(lián)(International Telecommunication Union,ITU)預測，在2020—2030年期間，移動寬帶數(shù)據(jù)流量將增加10～100倍，這必然需要大量的無線電頻譜作支撐[1]。毫米波頻段以連續(xù)頻譜資源大的優(yōu)點，在5G網(wǎng)絡未來建設中具有重要的作用，其中，37～43.5 GHz的部分頻段已被標識為全球統(tǒng)一的5G頻段[2]。

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，非靜止軌道(Non-geostationary Satellite Orbit,NGSO)星座系統(tǒng)迎來了新一波發(fā)展熱潮，并且NGSO星座具有大規(guī)模化的發(fā)展趨勢[3]。美國SpaceX公司在2015年提出Starlink計劃，擬發(fā)射42 000顆衛(wèi)星，目前已發(fā)射1 025顆衛(wèi)星，其中961顆衛(wèi)星在軌[4]。這些新興NGSO星座擬規(guī)劃使用37.5～51.4 GHz頻段，與5G毫米波系統(tǒng)存在用頻重疊?？紤]到NGSO星座系統(tǒng)全球無縫覆蓋，衛(wèi)星規(guī)模大，地球站分布廣且無處不在，那么NGSO星座系統(tǒng)與5G毫米波系統(tǒng)之間將存在潛在的有害干擾。因此，在37～43.5 GHz頻段部署5G系統(tǒng)和NGSO星座系統(tǒng)之前，開展系統(tǒng)間的干擾分析尤為必要。

目前關(guān)于NGSO星座系統(tǒng)與5G系統(tǒng)間的干擾分析的研究較少，但是靜止軌道(Geostationary Satellite Orbit,GSO)衛(wèi)星系統(tǒng)與5G系統(tǒng)間的干擾分析研究較多。文獻[5-7]的研究主要針對GSO系統(tǒng)和5G系統(tǒng)之間的干擾場景。在NGSO星座系統(tǒng)與5G系統(tǒng)共存的動態(tài)場景下，涉及的動態(tài)時變參數(shù)更多，鏈路距離、天線波束指向等鏈路特征均不斷變化，適用于GSO衛(wèi)星系統(tǒng)的靜態(tài)仿真方法將不再適用NGSO星座系統(tǒng)，因此，上述研究對NGSO星座系統(tǒng)與5G系統(tǒng)間干擾分析的借鑒意義不大。

為了解決上述問題，本文考慮NGSO星座系統(tǒng)衛(wèi)星位置動態(tài)時變性，建立了基于時間離散的“拉遠式”和“挖洞式”的動態(tài)干擾分析模型，按照最大仰角鏈路建立策略為NGSO星座系統(tǒng)地球站建立鏈路，并通過設置不同的保護距離評估分析5G基站對NGSO星座系統(tǒng)地球站的集總干擾。

1 系統(tǒng)建模

1.1 系統(tǒng)特性

1.1.1 5G毫米波系統(tǒng)特性

考慮到NGSO衛(wèi)星點波束具有覆蓋面積大的特點，單個點波束的覆蓋直徑高達1 000 km[8]，因此衛(wèi)星點波束覆蓋范圍下的5G系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲將是由宏小區(qū)和微小區(qū)構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)絡拓撲，低頻段部署的宏小區(qū)用于實現(xiàn)大面積覆蓋，毫米波頻段部署的微小區(qū)用于實現(xiàn)熱點地區(qū)覆蓋及提升系統(tǒng)容量。

在研究5G系統(tǒng)對NGSO地球站的干擾時，對于城市微蜂窩場景，仿真時考慮15.2 km2的5G部署區(qū)域，先在仿真區(qū)域內(nèi)確定19個宏小區(qū)的拓撲(站間距為961 m)，每個宏小區(qū)包含3個相同的六邊形扇區(qū)；然后在宏小區(qū)的每個扇區(qū)內(nèi)都內(nèi)分布著2個微基站簇，在每個簇內(nèi)撒放4個微基站，并確保微基站之間的距離不小于50 m，網(wǎng)絡拓撲如圖1所示，在局部區(qū)域內(nèi)共部署了456個微基站，符合WP5D工作組建議的每平方千米30個基站的仿真密度。

圖1 局部區(qū)域內(nèi)的5G基站部署

1.1.2 NGSO星座系統(tǒng)特性

對于NGSO星座系統(tǒng)，根據(jù)業(yè)務類型進行分類，包括用戶波束和饋線波束兩種典型的波束，用戶波束的覆蓋面積比饋線波束的覆蓋面積小；根據(jù)波束對地覆蓋特性進行分類，可分為固定點波束和可調(diào)點波束。固定點波束相對于衛(wèi)星固定，其特點是當衛(wèi)星運動時，其對地覆蓋區(qū)域隨衛(wèi)星的運動而變化，使用這種點波束的系統(tǒng)，地球站將會由于衛(wèi)星的運動需要從一個點波束切換到另一個點波束?？烧{(diào)點波束的特點是通過調(diào)節(jié)衛(wèi)星天線，可以實現(xiàn)衛(wèi)星波束的對地覆蓋范圍保持固定。目前規(guī)劃的40 GHz頻段NGSO星座系統(tǒng)大多采用可調(diào)點波束，因此本仿真中基于可調(diào)用戶點波束進行波束建模。

1.2 干擾場景

5G微基站干擾NGSO星座系統(tǒng)地球站的場景示意圖如圖2所示，O1表示NGSO星座系統(tǒng)地球站接收天線的位置，O1P為NGSO星座系統(tǒng)地球站接收天線的主瓣方向，O2表示5G微基站發(fā)射天線的位置，O2A為5G微基站指向5G用戶終端的波束主瓣方向，O1O2為從5G微基站指向NGSO星座系統(tǒng)地球站的干擾鏈路方向；ψ為干擾鏈路方向與地球站接收主瓣方向之間的離軸角；φBS為5G微基站波束主瓣水平面投影與水平線之間的夾角，即5G微基站的方位角；φBS,ES為5G微基站相對于NGSO星座系統(tǒng)地球站的方位角；θBS為5G微基站波束主瓣與其水平面投影形成的角度，即5G微基站的仰角；θBS,ES為5G微基站相對于NGSO星座系統(tǒng)地球站的仰角。

圖2 5G微基站干擾NGSO星座系統(tǒng)地球站的場景示意圖

1.2.1 “拉遠式”拓撲模型

圖3給出了“拉遠式”拓撲模型，在地球站一定保護距離之外的一側(cè)部署5G基站，仿真分析部署范圍內(nèi)微基站對地球站的集總干擾情況。該場景拓撲主要適用于郊區(qū)場景。

圖3 “拉遠式”拓撲模型

1.2.2 “挖洞式”拓撲模型

圖4給出了“挖洞式”拓撲模型，以NGSO星座系統(tǒng)的地球站為中心，在地球站保護距離之外的四周部署5G系統(tǒng)，仿真分析部署范圍內(nèi)微基站對地球站的集總干擾情況。該場景主要適用于城區(qū)或郊區(qū)場景下周圍熱點較多的情況。

圖4 “挖洞式”拓撲模型

2 干擾分析

2.1 天線模型

2.1.1 5G基站天線模型

參考建議書ITU-R M.2101[9]，5G系統(tǒng)采用大規(guī)模陣列天線，通過調(diào)整陣列中的每個陣元的加權(quán)系數(shù)生成指向性強的波束，可使波束直接指向用戶終端。天線陣元的輻射模型見式(1)～(3)：

(1)

(2)

AE(φ,θ)=GE,max-min{-[AE,H(φ)+AE,V(θ)],Am}。

(3)

式中：AE,H和AE,V分別表示天線陣元水平和垂直方向的增益；φ和θ分別為波束的方位角和仰角；φ3 dB和θ3 dB為陣元水平/垂直半功率波束角；Am表示天線陣元前后比，反映了天線對后瓣的抑制能力；SLAv表示天線旁瓣限制；AE(φ,θ)為天線陣元的天線增益，GE,max為每個天線陣元的最大天線增益。

考慮由NH行NV列天線陣元組成的天線陣列，通過對每個天線陣元做加權(quán)處理后再進行疊加，可以得到特定波束i的整體天線陣列的增益AA,Beami，計算公式見式(4)～(6):

(4)

(5)

sin(φi,escan)]}。

(6)

式中：wi,n,m為權(quán)重函數(shù)，用于在水平和垂直兩個維度對波束進行控制，假設每個天線陣元的權(quán)重幅度都相等，通過相位來控制波束使得5G基站的發(fā)送波束指向服務的用戶終端，其由天線陣列所要求的下傾角和陣元的分布間隔決定；vn,m為疊加位置矢量；dV和dH分別表示天線陣元的垂直與水平分布間隔；λ表示系統(tǒng)頻率對應的波長；θi,etilt為5G基站指向用戶終端的天線陣列下傾角,φi,escan為5G基站指向用戶終端的天線陣列水平角,θi,etilt和φi,escan由5G基站的天線陣列面板法線方向、用戶終端的位置共同決定。

2.1.2 NGSO地球站天線模型

干擾分析時，NGSO地球站的天線模型參考建議書ITU-R S.1428[10]，具體的輻射天線方向圖見式(7):

(7)

2.2 路徑損耗模型

本文主要考慮5G基站與NGSO地球站之間的鏈路損耗和雜散損耗。其中，鏈路損耗采用自由空間模型：

L(d)=92.5+20lg(d)+20lg(f)。

(8)

式中：d為地球站與5G基站間的視距，單位為km；f為工作頻率，單位為GHz。

因為5G基站和NGSO地球站的假定天線高度都低于標稱雜散高度，所以仿真時需要考慮雜散損耗。參考ITU-R P.2108 建議書[11]的3.2節(jié)，對于地到地路徑雜散損耗，不超過p%的位置，通過以下公式計算:

Lctt=-5lg(10-0.2Ll+10-0.2Ls)-6Q-1(p/100)，

(9)

Ll=23.5+9.6lg(f)，

(10)

Ls=32.98+23.9lg(d)+3lg(f)。

(11)

式中：Q-1(p/100)為逆補正態(tài)分布函數(shù)；f為工作頻率，單位為GHz；d為總的路徑長度，單位為km。

2.3 空間角度計算

2.3.1 離軸角

已知衛(wèi)星點波束、衛(wèi)星以及地球站的位置，地球站與衛(wèi)星的波束主瓣方向之間的離軸角采用下式計算[12]：

(12)

式中：des2sat、dbeam2sat和dbeam2es分別表示地球站和衛(wèi)星、點波束和衛(wèi)星以及點波束和地球站之間的距離，Re表示地球半徑，h表示衛(wèi)星軌道高度，α表示緯度，γ表示經(jīng)度，下標u、s、b分別表示地球站、衛(wèi)星、點波束。

2.3.2 5G基站下傾后的仰角、方位角修正

為了減少小區(qū)間干擾，5G基站天線一般會設置物理下傾角以控制天線主瓣的覆蓋范圍。然而一旦天線物理下傾后，在天線水平面測得的仰角和方位角就不再適用，需要進行修正。天線的仰角和方位角的物理傾角修正應采用公式(13)，詳細公式推導見建議書ITU-R F.1336[13]。

(13)

式中：θh和φh分別表示從天線位置水平面測到的仰角和方位角，β表示物理下傾角。

2.4 集總干擾

2.4.1 集總干擾計算

NGSO地球站接收到來自單個5G基站的干擾功率I為

I=P+Gtx(θBS,ES,φBS,ES)-Ltx+Grx(ψ)-Lf+ABW。

(14)

式中：P為5G微基站的發(fā)射功率，Gtx(θBS,ES,φBS,ES)表示基站指向NGSO地球站方向的發(fā)射天線增益，Ltx表示自由空間路徑損耗，Grx(ψ)表示NGSO地球站在離軸角ψ方向上的接收天線增益，Lf表示饋線損耗，ABW表示帶寬調(diào)節(jié)因子。

考慮到5G系統(tǒng)具有大面積部署的特點，NGSO地球站將會受到在其周圍部署的所有5G基站的集總干擾Iagg：

(15)

式中：Ii表示第i個5G基站對地球站的干擾，M表示干擾5G基站總數(shù)目。

NGSO地球站接收到來自5G基站的集總干噪比(Interference-to-Noise Ratio,INR)為

INR=Iagg-10lg(KBT)

(16)

式中：K表示玻爾茲曼常數(shù)，B表示NGSO星座系統(tǒng)的下行鏈路通信帶寬，T表示NGSO星座系統(tǒng)地球站天線等效噪聲溫度。

2.4.2 干擾計算流程

由于5G用戶終端的位置是通過隨機撒點生成的，因此5G基站的主波束指向?qū)⒕哂须S機性，需要通過在每一個仿真時刻下都對5G網(wǎng)絡拓撲進行多次抓拍來獲取該仿真時刻下的統(tǒng)計性結(jié)果。在每一個仿真時刻下的仿真流程如下：

Step1 初始化5G基站和NGSO地球站相關(guān)仿真參數(shù)，每次抓拍前初始化用戶終端參數(shù)。

Step2 生成NGSO星座系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，然后針對每個地球站進行可見性分析，并保存每個地球站的可見性矩陣，按照最大仰角建鏈策略為地球站選擇目標衛(wèi)星。

Step3 按照場景拓撲生成M個5G基站，并在5G基站天線的法線方向(-60°～60°)、半徑為50 m的扇區(qū)范圍內(nèi)隨機生成3個用戶，記錄下基站的位置、基站與用戶間的仰角和方位角。

Step4 計算5G基站與NGSO地球站的仰角和方位角，確定出5G基站指向地球站的干擾信號發(fā)送增益。

Step5 計算NGSO地球站與5G基站的離軸角，確定NGSO地球站對干擾信號的接收增益。

Step6 計算5G基站與NGSO地球站之間的路徑損耗。

3 仿真與分析

3.1 仿真參數(shù)

以OneWeb星座系統(tǒng)為例，分析5G毫米波系統(tǒng)下行鏈路對OneWeb星座系統(tǒng)下行鏈路的干擾。

3.1.1 NGSO星座系統(tǒng)地球站參數(shù)

OneWeb星座有18個衛(wèi)星軌道，軌道高度為1 200 km，傾角為87.9°，每個軌道上40顆衛(wèi)星，共720顆衛(wèi)星。在ITU發(fā)布的衛(wèi)星網(wǎng)絡資料數(shù)據(jù)庫中查詢，OneWeb衛(wèi)星網(wǎng)絡資料ID為119500303[14]，本文選取T2E下行波束，相應的OneWeb星座系統(tǒng)的通信參數(shù)如表1所示。

表1 NGSO星座系統(tǒng)通信參數(shù)

3.1.2 5G毫米波系統(tǒng)基站參數(shù)

按照ITU WP5D工作組建議，5G毫米波系統(tǒng)的仿真參數(shù)見表2。采用表中的參數(shù)，對5G微基站天線模型進行仿真，當微基站天線采用8×16的陣列天線時，計算得到最大陣列天線增益為26.072 1 dBi，陣列天線的三維增益方向圖如圖5所示。

表2 用于干擾共存研究的5G系統(tǒng)參數(shù)

圖5 陣列天線的三維增益方向圖(8×16天線陣列)

3.2 結(jié)果與分析

本文采用基于時間離散的動態(tài)仿真，通過對NGSO衛(wèi)星的運行軌跡進行動態(tài)仿真，實現(xiàn)不同時刻下NGSO地球站的鏈路建立，分析仿真時間內(nèi)5G基站對NSGO地球站的干擾影響。仿真時，NGSO地球站位置為(116°E、40°N)，仿真步長為60 s，仿真步數(shù)為1 440。

當保護距離為100 m時，基于“挖洞式”和“拉遠式”兩種網(wǎng)絡拓撲的5G基站干擾NGSO地球站的INR累計分布曲線如圖6所示，給出了干擾強度的統(tǒng)計性分析結(jié)果。

圖6 INR累計分布曲線(保護距離100 m)

從圖6可以看出，在本文參考的特性參數(shù)下，在100%的時間內(nèi)，兩種拓撲模型均不會超過建議書ITU-R S.1324[15]中INR=-12.2 dB的干擾保護標準，這與Q/V頻段下5G基站指向地面的天線波束的指向性更強有關(guān)。

圖7給出了不同仿真時刻對應的INR。由于NGSO地球站的天線指向具有時變性，NGSO地球站對干擾信號接收增益會不斷變化，因此NGSO地球站受到的來自5G基站的干擾將會動態(tài)變化。

(a)“拉遠式”

針對“拉遠式”仿真拓撲，通過設置不同的保護距離來分析其對干擾的影響，仿真結(jié)果見圖8。如圖所示，當保護距離減小時，由于干擾路徑的路徑損耗會變小，最終到達NGSO地球站的干擾功率將會增大；當保護距離為50 m時，95%的時間內(nèi)，干擾余量不小于15.38 dB。

圖8 基于不同仿真參數(shù)的干擾結(jié)果比較(“拉遠式”)

4 結(jié)束語

本文研究了5G毫米波系統(tǒng)基站對NGSO星座系統(tǒng)地球站的下行鏈路干擾場景，建立了基于時間離散的“拉遠式”和“挖洞式”的動態(tài)集總干擾分析模型，以OneWeb系統(tǒng)為例仿真分析了兩種拓撲模型下集總干噪比的累積分布。在“拉遠式”拓撲模型的干擾場景下，保護距離為50 m時，95%的時間內(nèi)NGSO系統(tǒng)地球站干擾余量不小于15.38 dB，Q/V頻段5G基站與NGSO星座系統(tǒng)地球站有兼容共存的空間。以上研究可為NGSO星座系統(tǒng)的頻率規(guī)劃提供參考。下一步將重點考慮如何分析5G毫米波基站對NGSO星座系統(tǒng)衛(wèi)星的集總干擾。