UAS與地面IMT網(wǎng)絡(luò)干擾分析及規(guī)避建議

王婷婷，周 瑤，劉吉鳳，牛憶瑩（中國聯(lián)通研究院，北京 100048）

1 UAS與地面IMT系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

隨著無人機系統(tǒng)（UAS）商業(yè)需求的快速增長，需要為無人機與地面操作者、無人機之間提供通信鏈路，用于無人機指揮控制命令、數(shù)據(jù)流量的傳輸。為節(jié)省網(wǎng)絡(luò)部署成本，并最大限度提高頻率利用效率，目前通信運營商更傾向于使用現(xiàn)有地面通信（IMT）網(wǎng)絡(luò)為無人機鏈路提供服務(wù)，通信鏈路預計將采用地面IMT系統(tǒng)中已在多個頻段廣泛部署的LTE技術(shù)。

由于UAS 終端與基站間傳輸環(huán)境為超視距（BV?LOS）條件，無人機終端的信號將影響周邊大范圍區(qū)域內(nèi)的地面基站與用戶，同時也會受到大量基站的影響。目前3GPP、ECC均已開展了UAS無人機系統(tǒng)與地面IMT 系統(tǒng)干擾共存研究，3GPP 在TSG RAN#75 次會議上，針對Release 15 通過了新的研究項目：Study on Enhanced Support for Aerial Vehicles，該研究旨在調(diào)查使用LTE 網(wǎng)絡(luò)為飛行器提供服務(wù)的能力，其中LTE 基站天線側(cè)重地面覆蓋，同時支持Release 14 功能（例如有源天線、FD-MIMO 等），并形成了輸出報告3GPP TR 36.777。

ECC 在2020 年第52 次會議上形成了會議文件ECC（20）055 Annex 11_Draft ECC Report 309，旨在研究在MFCN 監(jiān)管框架內(nèi)，使用MFCN 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)無人機指揮控制與數(shù)據(jù)傳輸鏈路，研究頻段包括700 MHz、800 MHz、900 MHz、1 500 MHz、1 800 MHz、2 GHz、2.6 GHz、3.4～3.8 GHz、26 GHz 共9 個頻段，涉及的共存業(yè)務(wù)包括MFCN、PPDR、廣播（DTT）、ARNS、GSM-R、FRMCS、RMR、PMP/PAMR、METSAT、RAS、國防系統(tǒng)、CGC等。

2 UAS與地面IMT系統(tǒng)共存研究假設(shè)

現(xiàn)網(wǎng)中基站為更好覆蓋地面用戶，通常天線具有0～10°的下傾角，而當UAS 終端高于基站主瓣方向時，將會由基站旁瓣提供服務(wù)。由于旁瓣中存在零點，遠處基站的信號可能會比距離最近的基站更強，此時UAS終端會選擇由遠處基站來提供服務(wù)。

由于UAS 終端與基站間的超視距傳輸條件，相比地面用戶終端，UAS 終端會接收到來自更多基站的下行干擾，導致UAS 信道質(zhì)量較差，終端處于小區(qū)邊緣的概率更高。

2.1 共存場景

按照干擾系統(tǒng)與被干擾系統(tǒng)工作頻率是否相同，可將UAS 與地面IMT 系統(tǒng)共存干擾分為同頻干擾與鄰頻干擾。同頻干擾研究頻段為700 MHz、800 MHz和2 GHz，鄰頻干擾的研究頻段包括700 MHz、800 MHz、2.6 GHz、3.4～3.8 GHz。UAS 由地面網(wǎng)絡(luò)A 提供服務(wù)，被干擾系統(tǒng)為網(wǎng)絡(luò)B，共存場景如圖1所示。

2.2 拓撲結(jié)構(gòu)

在UAS 與地面IMT 系統(tǒng)共存研究中，IMT 系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)采用19 小區(qū)3 扇區(qū)結(jié)構(gòu)（見圖2）。城區(qū)微站UMi-AV 小區(qū)站間距ISD 為200 m，城區(qū)宏站UMa-AV小區(qū)站間距為500 m，郊區(qū)宏站RMa-AV 小區(qū)站間距為1 732 m。蜂窩小區(qū)半徑R=ISD/3（ISD為站間距）。

圖2 共存拓撲結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)參數(shù)

3GPP 采用的UMi-AV、UMa-AV、RMa-AV 等IMT系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。按照無人機終端在扇區(qū)終端總數(shù)中的占比，分為5 個研究case：case1（0%，NUAS=0）、case2（0.67%，NUAS=0.1）、case3（7.1%，NUAS=1）、case4（25%，NUAS=3）、case5（50%，NUAS=5），UAS 終端占比為PUAS=NUAS/（Nground），Nground為地面終端總數(shù)（包含室內(nèi)和室外）。

表1 IMT系統(tǒng)參數(shù)

ECC 采用的系統(tǒng)參數(shù)與3GPP 主要區(qū)別在于每扇區(qū)用戶數(shù)，ECC 每扇區(qū)只連接一個用戶，通過將該用戶設(shè)置為地面用戶或UAS 終端，對比評估UAS 終端對鄰頻網(wǎng)絡(luò)的干擾程度。

2.4 信道模型

當UAS 終端hUT低于高度HT時，UAS-BS 傳輸模型與地面一致，采用3GPP TR 38.901《Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz》模型計算LOS 概率。當UAS 終端高于高度HT時，UAS 終端與基站之間的傳輸LOS 概率采用分段函數(shù)進行計算。其中，高度HT與基站類型有關(guān)，Umi-AV 和Uma-AV 的高度HT值為22.5 m，RMa-AV 高度HT值為10 m。當UAS終端高于高度HMAX后，默認LOS 概率為100%，其中Uma-AV 的高度HMAX值為100 m，RMa-AV 高度HMAX值為40 m（見圖3）。

圖3 信道模型

當UAS 終端高度位于HT與HMAX之間時，UAS-BS傳輸?shù)腖OS概率與路損計算如下：

a）UMi-AV模型

其 中，p1=233.98lg（hUT）-0.95，d1=max（294.05lg（hUT）-432.94，18）。

b）UMa-AV模型

其中，p1=4 300lg（hUT）-3 800，d1=max［460lg（hUT）-700，18］。

c）RMa-AV模型

其中，p=max［15 021lg（hUT）-16 053，1 000］，d=max［1 350.8lg（hUT）-1 602，18］。

當UAS 終端hUT低于高度HT時，UAS-BS 傳輸模型與地面一致，采用3GPP TR 38.901 模型計算路徑損耗。當UAS 終端高于高度HT時，UAS 終端與基站之間的路徑損耗，根據(jù)傳播環(huán)境為LOS 或NLOS 分別計算，未考慮快衰落。路徑損耗的計算方式為：

a）UMi-AV模型：

其中PL'表示自由空間路徑損耗。

b）UMa-AV模型：

c）RMa-AV模型：

2.5 功率控制與評估標準

終端的功率方式采用開環(huán)功率控制，開環(huán)功控不需要接收端的反饋，發(fā)射端根據(jù)自身測量得到的信息對發(fā)射功率進行控制，控制準確度建立在上行鏈路與下行鏈路的衰落一致性上。

在評估UAS 與IMT 網(wǎng)絡(luò)干擾情況時，主要系統(tǒng)級評估指標為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的上行和下行吞吐量，在不斷增加網(wǎng)絡(luò)中UAS 數(shù)量過程中，計算與統(tǒng)計整體終端吞吐量損失、地面終端吞吐量損失、UAS終端吞吐量損失。

3 UAS與地面IMT系統(tǒng)共存結(jié)論

3.1 同頻共存

根據(jù)3GPP 研究結(jié)論，現(xiàn)有地面LTE 網(wǎng)絡(luò)可以支持無人機超視距飛行，包括UAS 終端的切換。從仿真數(shù)據(jù)可以看出，case1、case2、case3 中地面終端、UAS 終端、總體終端性能下降較少，case4和case5中終端性能下降明顯。因此需對UAS 終端數(shù)量進行限制，以保證UAS 與地面網(wǎng)絡(luò)的共存。當UAS 終端比例較低時（每扇區(qū)共15 個用戶，其中UAS 終端數(shù)為1），對上行和下行性能的影響較小。當每個小區(qū)UAS 終端不超過總終端數(shù)量的33%時，可以避免自干擾。根據(jù)多個研究機構(gòu)的仿真結(jié)果（見表2），可以看出以下共同趨勢。

表2 地面終端下行吞吐量仿真數(shù)據(jù)

a）增加UAS 終端比例，將導致地面終端的上行和下行吞吐量下降。當資源利用率提高時，地面終端上行吞吐量的惡化會更加嚴重。

b）增加UAS 終端比例，將導致UAS 終端的上行和下行吞吐量下降。當資源利用率提高時，UAS 終端上行吞吐量的惡化更加嚴重。

c）增加UAS 終端比例，將導致基站底噪升高。當資源利用率提高時，地面終端上行吞吐量的惡化更加嚴重。

3.2 鄰頻共存

ECC 對700～800 MHz、2.6 GHz、3.4～3.8 GHz 等頻段上UAS 終端對鄰頻地面網(wǎng)絡(luò)的干擾情況進行了研究，結(jié)果如圖4 所示。研究結(jié)果表明，在700～800 MHz、2.6 GHz頻段UAS終端不會對地面鄰頻網(wǎng)絡(luò)造成明顯干擾，被干擾網(wǎng)絡(luò)的上行吞吐量損失保持在可接受范圍內(nèi)（<0.5%）。在3.4～3.8 GHz 頻段，UAS 終端對地面鄰頻網(wǎng)絡(luò)的干擾，小于地面普通用戶終端對地面鄰頻網(wǎng)絡(luò)的干擾。當航空UE 高度超過3 km 時，對地面鄰頻網(wǎng)絡(luò)的干擾可忽略不計。

圖4 3.4～3.8 GHz頻段鄰頻干擾吞吐量損失

4 UAS與地面IMT系統(tǒng)干擾規(guī)避措施

為了緩解與消除UAS 終端對現(xiàn)有IMT 地面網(wǎng)絡(luò)的干擾影響，3GPP 研究了干擾規(guī)避措施，并評估了未采用干擾規(guī)避措施前與采用干擾規(guī)避措施后，地面終端與UAS終端的吞吐量性能變化。

為了緩解由UAS 終端引起的下行干擾，3GPP 評估了多種干擾緩解措施的性能，包括Release-13 FDMIMO、在UAS 終端使用定向天線和波束賦形技術(shù)、覆蓋擴展技術(shù)、數(shù)據(jù)與指揮控制命令協(xié)同傳輸方案等。通過仿真評估，這些措施可以有效緩解UAS 對IMT 網(wǎng)絡(luò)的下行干擾問題，降低對地面終端的吞吐量影響，提高UAS終端的吞吐量。

為了緩解由UAS 終端引起的上行干擾，3GPP 評估了2 種干擾緩解措施的性能，包括增強功率控制機制、在UAS 終端使用定向天線。通過仿真評估，增強功率控制機制中可降低干擾影響的功率參數(shù)包括UE特定部分路損補償因子、UE 特定P0 參數(shù)、鄰區(qū)干擾控制參數(shù)、閉環(huán)功率控制。通過采用增強功率控制機制和UAS 終端定向天線，即使存在高密度的UAS 終端，這些策略也有利于降低對地面終端上行吞吐量的影響。

此外，ECC 建議通過設(shè)置UAS 禁飛區(qū)、降低UAS終端密度等方式，以完全避免UAS 對現(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)的干擾。

5 總結(jié)

本文對3GPP、ECC等標準化組織關(guān)于UAS與地面IMT系統(tǒng)干擾研究情況進行梳理、分析與總結(jié)，包括共存場景、拓撲結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)參數(shù)、傳播模型及評估標準，并對UAS 與地面IMT 系統(tǒng)的同頻與鄰頻干擾情況進行了分析總結(jié)。為降低UAS 終端對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的性能影響，本文給出多種干擾規(guī)避措施與建議，以促進UAS與地面IMT系統(tǒng)的共同發(fā)展。