3.5 GHz頻段5G系統(tǒng)對ATG系統(tǒng)干擾分析

劉蕾 侯繼江 蔡云斌 張少偉 芒戈

（1.中國電信股份有限公司研究院，北京 102209；2.中國電信股份有限公司，北京 100033；3.中國電信上海應急通信局，上海 200080）

引 言

飛機曾經(jīng)一度被稱為網(wǎng)絡信息的最后孤島. 近些年，隨著移動通信以及衛(wèi)星通信等技術的不斷發(fā)展，使民用客機為乘客提供空中互聯(lián)網(wǎng)服務成為可能，機載Wi-Fi 的逐漸普及使在空中上網(wǎng)不再遙不可及.

放眼全球，早在2005年，歐洲空客就宣布推出了客艙“Wi-Fi網(wǎng)絡系統(tǒng)”，借助“全球星”衛(wèi)星通信系統(tǒng)，首先實現(xiàn)了高空飛機客艙上網(wǎng). 到2007年，全球首個借助地面基站(base station, BS)信號覆蓋空中航線，給飛行中的飛機提供CDMA無線接入服務的地空寬帶系統(tǒng)(air-to-ground, ATG)問世[1]. 在國內，2015年6月，東航、南航、國航、廈航和海航獲得工信部批復，部分飛機獲得空中提供互聯(lián)網(wǎng)服務的資格[2].此后，國內掀起一陣機上Wi-Fi研究熱潮.

到目前為止，實現(xiàn)高空上網(wǎng)主要有兩種方式：

第一種是通過衛(wèi)星通信的方式實現(xiàn)地空通信，即利用衛(wèi)星、飛機和衛(wèi)星地面站三者進行數(shù)據(jù)通信.優(yōu)勢是通信范圍非常廣泛，尤其適合國際航線. 但其缺點也較為明顯：由于數(shù)據(jù)傳輸距離較遠導致通信時延較大；在設備、維護和帶寬成本等方面開銷較高[3].

第二種是基于ATG的地空通信方式[4]，即地面BS覆蓋高空航線方式實現(xiàn)地空寬帶通信. ATG系統(tǒng)利用成熟的陸地移動通信技術(如3G/4G/5G技術)[5]，沿飛行航線布設地面基站對空發(fā)射無線電信號，利用地空通信鏈路向空中飛機提供高帶寬的通信服務[6].地面站部署天線對空覆蓋，飛機則通過安裝在飛機上的機載接收設備[7]，接收到地面信號后轉換成機艙內的Wi-Fi信號覆蓋，在滿足前艙行業(yè)需求的同時，可滿足后艙旅客互聯(lián)網(wǎng)接入的需求，有效實現(xiàn)地空高速數(shù)據(jù)傳送. 相比衛(wèi)星通信，ATG有著不可比擬的高數(shù)據(jù)帶寬、低延遲、低成本和不受天氣影響的高可靠性的優(yōu)勢[8]. 我國陸地面積占比較大且連續(xù)性高，國內航線占比高，國內電信運營商的地面移動通信網(wǎng)絡覆蓋面廣、技術成熟，故在國內開展ATG系統(tǒng)的研究具有良好的基礎條件[3].

歐洲郵電管理委員會(European Commission of Posts and Telecommunications, CEPT)在WRC-19大會周期提出，針對非安全應用，去掉某些國際移動通信(international mobile telecommunications，IMT)頻段“航空移動除外”的限制，考慮新的用例(如ATG)以增強飛機或無人機上的BS或終端(user equipment,UE)的連接.

2020年1月6日，2020年全國民航工作會議工作重點中明確要求“加強智慧民航研究，加快新技術推廣應用”[9]. ATG業(yè)務的開展需要無線頻譜、基站站址、傳輸網(wǎng)絡等基礎業(yè)務資源的配合. 為了有效節(jié)約頻譜資源，充分利用運營商的無線網(wǎng)絡資源，與地面移動通信業(yè)務復用已有的頻率是開展ATG地空通信業(yè)務的最優(yōu)選擇[10]. 在《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》[11]中，目前國內3 500～3 600 MHz頻段劃分的移動業(yè)務中含有“航空移動除外”限制，而3 400～3 500 MHz頻段內則沒有該限制，故可首先考慮在3 400～3 500 MHz頻段開展ATG業(yè)務.

同頻復用將產(chǎn)生一定程度的系統(tǒng)間干擾，本文基于3 400～3 500 MHz頻段(即3.5 GHz頻段)，采用5G系統(tǒng)參數(shù)和ATG基本參數(shù)，仿真計算地面5G系統(tǒng)BS對機上ATG系統(tǒng)的干擾及地面5G系統(tǒng)用戶對ATG BS的干擾，并對兩系統(tǒng)間的同頻共存問題進行詳細分析研究，以確定在該頻段內使用ATG系統(tǒng)的可行性.

1 干擾場景及分析方法

1.1 干擾場景

地面5G BS對機載ATG系統(tǒng)干擾場景如圖1所示，地面5G系統(tǒng)BS部署分為城區(qū)、城郊連續(xù)和郊區(qū)三種場景. 考慮到飛機在起飛和降落階段不開啟ATG系統(tǒng)，不存在干擾情況，因此，干擾場景不考慮飛機起飛和降落這兩個階段.

圖1 地面5G BS對機載ATG系統(tǒng)干擾場景Fig. 1 Interference scenario of terrestrial 5G BS to airborne ATG system

5G系統(tǒng)有兩種類型的網(wǎng)絡結構：同構網(wǎng)絡由單一BS類型構成，可以是宏BS、微BS或室內BS；異構網(wǎng)絡由多種BS類型組合而成，比如宏BS使用較低頻段進行全覆蓋，微BS使用高頻段進行小范圍覆蓋. 本文所分析的頻段為3.5 GHz，因此只考慮宏BS的部署，不考慮微BS.

由于3.5 GHz頻段的雙工方式為時分雙工(time division duplex, TDD)，因此地面5G終端用戶會對ATG地面BS產(chǎn)生干擾，干擾場景如圖2所示.

圖2 地面5G用戶對ATG BS干擾場景Fig. 2 Schematic diagram of 5G UE to ATG BS scenarios

單個5G BS對機載ATG系統(tǒng)的干擾如圖3所示，θ為波束傳播方向和5G BS到飛機干擾信號方向的夾角. 單個5G系統(tǒng)用戶對ATG BS的干擾如圖4所示，θ為5G系統(tǒng)用戶天線波束傳播方向與5G系統(tǒng)用 戶到ATG BS天線干擾信號方向的夾角.

圖3 單個5G BS對機載ATG系統(tǒng)的干擾Fig. 3 Single 5G BS interferes to the airborne ATG system

圖4 單個5G系統(tǒng)用戶對ATG BS的干擾Fig. 4 Single 5G UE interferes to the ATG BS

1.2 干擾分析方法

單個5G宏BS在飛機ATG系統(tǒng)處產(chǎn)生的干擾為

式中：In是第n個5G宏BS在飛機ATG系統(tǒng)處產(chǎn)生的干擾；Pn是 第n個5G宏BS的發(fā)射功率；Gn是 第n個5G宏BS朝飛機方向的天線增益；LFS為5G宏BS到飛機的自由空間損耗；GATG為飛機ATG系統(tǒng)天線朝5G BS方向的增益；LArray為5G宏BS天線陣列損耗；Lces為地物損耗；LCP為天線交叉極化損耗.

由于5G宏BS和UE位置的隨機性和天線的方向性等因素，5G BS和UE對ATG系統(tǒng)造成的干擾也具有隨機性，因此，本文采用蒙特卡洛仿真方法，每一次仿真快照中隨機部署5G宏BS和UE. 計算5G BS服務用戶時，發(fā)射功率會通過天線旁瓣對機載ATG系統(tǒng)造成干擾；計算5G UE對BS通信時，發(fā)射功率會通過天線旁瓣對ATG BS造成干擾. 經(jīng)過多次仿真，統(tǒng)計干擾及其累積分布函數(shù)(cumulative distribution function, CDF)曲線，以分析5G BS對機載ATG系統(tǒng)造成的干擾情況和5G用戶對ATG BS造 成的干擾情況.

2 仿真參數(shù)

2.1 地面5G系統(tǒng)參數(shù)

仿真中涉及的5G系統(tǒng)參數(shù)，包括BS部署、天線類型和用戶分布等，均參考ITU-R的相關建議書[14]，主要地面5G系統(tǒng)參數(shù)情況如表1所示. 5G BS所使用的水平和垂直天線方向圖如圖5和圖6所示，可以看出，最大增益為23.1 dBi. 根據(jù)ITU-R M.2101建議書[15]，宏BS范圍內分布的用戶與BS間距離服從σ=32的瑞利分布，用戶的方位角服從N(0°，30°)的正態(tài)分布，且角度范圍限制在±60°.

圖5 水平方向天線增益(φ=0°)Fig. 5 Horizontal antenna gain diagram(φ=0°)

圖6 垂直方向天線增益(θ=0°)Fig. 6 Vertical antenna gain diagram(θ=0°)

表1 地面5G系統(tǒng)參數(shù)Tab. 1 Parameters of 5G terrestrial system

由于城區(qū)、郊區(qū)和城效連續(xù)的BS密度、小區(qū)半徑均不相同，所以地面5G系統(tǒng)對空產(chǎn)生的集總干擾以及地面5G用戶對ATG BS產(chǎn)生的干擾也不同，因此后續(xù)會分析多種場景下地面5G BS對飛機ATG系統(tǒng)的干擾情況以及5G IMT系統(tǒng)用戶對ATG BS的干擾情況. 三種場景下的5G系統(tǒng)BS部署相關參數(shù)如表2所示.

表2 三種場景下5G系統(tǒng)BS部署參數(shù)Tab. 2 5G BS deployment parameters in 3 scenarios

2.2 飛機ATG系統(tǒng)參數(shù)

由于ATG系統(tǒng)僅在高空飛行時啟用，不考慮起飛和降落時間段的高度，相關參數(shù)見表3.

表3 ATG系統(tǒng)參數(shù)Tab. 3 ATG system parameters

3 仿真結果

3.1 5G BS對機載ATG系統(tǒng)的干擾仿真結果

分別對飛機ATG系統(tǒng)在不同場景下接收到的來自地面5G BS的干擾進行仿真，統(tǒng)計最大干擾功率密度和平均干擾功率密度，來分析5G BS對機載ATG系統(tǒng)的干擾.

三種場景下5G BS對機載ATG系統(tǒng)干擾功率密度CDF曲線見圖7，具體的干擾功率密度見表4. 可以看出：機上ATG系統(tǒng)受到城區(qū)地面5G BS的集總干擾為主要干擾，飛機處于城區(qū)地面5G系統(tǒng)上空10 km處受到的最大干擾功率密度為-76.58 dBm/MHz；在城郊連續(xù)區(qū)域，飛機處于10 km高空時地面5G BS對機載ATG系統(tǒng)的最大干擾功率密度為-75.64 dBm/MHz；郊區(qū)地面5G BS對機上ATG系統(tǒng)的干擾影響較小，飛機處于10 km高空處受到的最大干擾功率密度為-81.78 dBm/MHz. 由機載ATG系統(tǒng)接收到的地面ATG BS的信號功率可以得出，機載ATG系統(tǒng)在城區(qū)、城郊連續(xù)區(qū)和郊區(qū)的信干噪比(signal to interference noise ratio, SINR)分別為4.64 dB、3.71 dB和9.95 dB.并根據(jù)SINR值由香農(nóng)公式計算得到城區(qū)、城郊連續(xù)和郊區(qū)場景中的理論吞吐量分別為187.68 Mbps、166.32 Mbps和328.45 Mbps. 根據(jù)仿真結果可以發(fā)現(xiàn)，在城區(qū)、城郊連續(xù)和郊區(qū)三種場景下，在受到地面5G BS干擾的情況時，ATG可提供的吞吐量足夠滿足機上用戶的需求.

圖7 5G BS對機載ATG系統(tǒng)的干擾功率密度CDF曲線Fig. 7 Interference power density CDF curve of 5G BS to airborne ATG system

表4 不同場景下5G BS對機載ATG系統(tǒng)的干擾功率密度Tab. 4 Interference power density in different scenarios of 5G BS to the airborne ATG system

3.2 5G用戶對ATG BS的干擾仿真結果

分別對ATG BS在不同場景下接收到的來自5G用戶的干擾進行仿真，統(tǒng)計平均干擾功率密度，來分析5G用戶對ATG BS的干擾.

由于在城郊連續(xù)場景下，5G系統(tǒng)用戶對ATG BS的干擾主要來源于城區(qū)，因此只分析城區(qū)和郊區(qū)兩種場景. 5G系統(tǒng)用戶對ATG BS干擾功率密度CDF曲線見圖8，具體的干擾功率密度見表5. 可以看出：在城區(qū)場景中，當ATG BS與5G系統(tǒng)用戶間隔距離分別為1 km、3 km和5.4 km時，平均干擾功率密度分別為-115.04 dBm/MHz、-117.33 dBm/MHz和-119.3 dBm/MHz；郊區(qū)場景中，當ATG BS與IMT系統(tǒng)用戶間隔距離分別為5 km、10 km和15 km時，平均干擾功率密度分別為-134.54 dBm/MHz、-138.93 dBm/MHz和-141.65 dBm/MHz. 仿真結果分別給出了城區(qū)場景和郊區(qū)場景中5G系統(tǒng)用戶對ATG BS干擾功率密度的參考值，通過對比可以發(fā)現(xiàn)5G系統(tǒng)用戶對ATG BS的干擾比5G BS對機載ATG系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾要低得多.

圖8 5G用戶對ATG BS干擾功率密度CDF曲線Fig. 8 Interference power density CDF curve of 5G UE to ATG BS

表5 不同場景下5G系統(tǒng)用戶對ATG BS干擾功率密度Tab. 5 Interference power density in different scenarios of 5G UE to ATG BS

4 結 論

文中通過仿真計算城區(qū)、城郊連續(xù)和郊區(qū)等不同場景下3.5 GHz頻段地面5G系統(tǒng)基站對機上ATG系統(tǒng)的平均干擾功率密度，確定了機上ATG系統(tǒng)受到的地面5G系統(tǒng)干擾為可接受干擾. 由ATG系統(tǒng)收到的地面ATG基站的信號功率，確定了三種場景下的SINR值以及理論吞吐量. 由ATG可提供的吞吐量可得，機上ATG系統(tǒng)在上述三種場景地面5G系統(tǒng)的干擾下，能夠滿足機上用戶需求. 此外，還給出了城區(qū)和郊區(qū)在不同隔離距離下5G系統(tǒng)用戶對ATG基站的集總干擾參考值，以用于參考.后續(xù)將考慮在更多IMT頻段下進行地面5G系統(tǒng)對ATG系統(tǒng)的干擾分析.