900MHz頻段HIBS與5G NR同頻共存干擾研究

王程，劉曉雅，蔡雨倩，王曉茜，王衛(wèi)東

（北京郵電大學(xué)，北京 100876）

0 引言

將高空平臺作為國際移動通信（International Mobile Telecommunication，IMT）基站，形成的高空平臺基站（HAPS IMT Base Station，HIBS）具有覆蓋范圍大、部署機(jī)動靈活、傳播損耗小等優(yōu)勢，吸引了多個國家的注意力，成為了國際電信聯(lián)盟無線電通信組2023 年世界無線電通信大會（International Telecommunication Union-Radiocommunications sector World Radiocommunication Conference-23，ITU-R WRC-23）1.4 議題、第三代合作伙伴計劃規(guī)范15（3thGeneration Partnership Project Release 15，3GPP Release 15 ）至Release 18 的研究重點之一。2019年WRC 大會上，HIBS 成為WRC-23 研究議題1.4，在全球或區(qū)域范圍內(nèi)，在2.7 GHz 以下頻段已標(biāo)識IMT 的頻段中，開展HIBS 用于移動通信服務(wù)的研究。相比目前地面通信系統(tǒng)逐漸采用的高頻段，2.7 GHz 以下頻段的電磁波波長更大，更容易發(fā)生衍射，對障礙物的繞射能力更強(qiáng)，從而能夠提供更好的深度覆蓋性能，但中低頻段范圍內(nèi)剩余資源日益緊張，因此在中低頻段內(nèi)進(jìn)行頻譜重耕就顯得格外重要。

隨著現(xiàn)有通信技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，頻譜資源的需求日益增大，現(xiàn)階段在高頻頻段已有大量空間業(yè)務(wù)部署，文獻(xiàn)[1]介紹了高空平臺通信系統(tǒng)定義和基本框架，提出了高空平臺通信系統(tǒng)在我國的應(yīng)用前景分析和可能面臨的挑戰(zhàn)；文獻(xiàn)[2]圍繞38—39.5 GHz 頻段內(nèi)IMT-2020 系統(tǒng)與HIBS 系統(tǒng)固定業(yè)務(wù)的干擾共存問題進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，通過設(shè)定一定的參數(shù)以及距離間隔，有可能實現(xiàn)IMT-2020 系統(tǒng)與HIBS 系統(tǒng)的同區(qū)域部署；文獻(xiàn)[3]通過仿真對2.1 GHz頻段5G NR 與現(xiàn)有通信系統(tǒng)干擾共存進(jìn)行了研究，給出了不同仿真場景下滿足共存需求的條件；文獻(xiàn)[4]結(jié)合我國無線電頻率使用現(xiàn)狀，對1.8 GHz 頻段內(nèi)時分-長期演進(jìn)（Time Division-Long Term Evolution，TD-LTE）系統(tǒng)與其他系統(tǒng)干擾共存的問題進(jìn)行分析研究，提出相應(yīng)的規(guī)避干擾措施。文獻(xiàn)[5]從頻譜效率、誤碼率等不同方面對5G-高空基站下行鏈路性能進(jìn)行評估，結(jié)果表明在用戶仰角適當(dāng)?shù)那闆r下，通過高空基站提供5G 服務(wù)這一方法十分有前景。文獻(xiàn)[6]研究了當(dāng)IMT-2020 系統(tǒng)部署在6 GHz 以下頻段時IMT-2020系統(tǒng)分別同自系統(tǒng)以及固定衛(wèi)星系統(tǒng)之間同頻和鄰頻的干擾共存情況。上述文獻(xiàn)均對900 MHz 以上頻段的干擾共存進(jìn)行了分析研究，因此本文在充分利用低頻段優(yōu)秀性能的前提下對900 MHz 頻段進(jìn)行分析研究并給出規(guī)避建議。

在900 MHz 頻段，HIBS 與第五代新空口傳輸系統(tǒng)（5thGeneration New Radio，5G NR）的同頻共存仿真場景主要有以下4 種：（1）HIBS 基站干擾5G NR 終端；（2）HIBS 終端干擾5G NR 基站；（3）5G NR 基站干擾HIBS 終端；（4）5G NR 終端干擾HIBS 基站；本文主要分為5 個部分，分別是：第一章，引言，介紹此次研究的背景意義，給出此次研究的主要仿真場景；第二章，系統(tǒng)模型，依次介紹本研究中采用的拓?fù)渖赡Ｐ团c傳播模型；第三章，相鄰信道干擾功率比（Adjacent Channel Interference power Ratio，ACIR）計算，給出HIBS 系統(tǒng)與5G NR 系統(tǒng)的ACIR 計算方案與計算結(jié)果；第四章，仿真結(jié)論，對仿真參數(shù)與仿真流程進(jìn)行描述，并給出仿真結(jié)果及分析；第五章，結(jié)束語，對此次研究的內(nèi)容給出總結(jié)，并對未來的工作提出展望。

1 系統(tǒng)模型

1.1 拓?fù)渖?/h3>

地面5G NR 系統(tǒng)的拓?fù)洳捎?GPP TR 36.942 中的3扇區(qū)結(jié)構(gòu)。HIBS 系統(tǒng)可以通過多波束配置，將單個平臺的覆蓋范圍劃分為多個扇區(qū)（例如3 個，7 個或更多），在本研究中單個HIBS 平臺采用7 扇區(qū)部署結(jié)構(gòu)，單個HIBS 平臺生成的效果圖如圖1 所示。

圖1 HIBS小區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

共存拓?fù)淙鐖D2 所示，研究的仿真場景為同覆蓋場景，即5G NR 系統(tǒng)在HIBS 系統(tǒng)的正下方生成，此時系統(tǒng)間干擾程度較強(qiáng)，基于該種拓?fù)溲芯康玫降氖窃搱鼍跋鹿泊嫠枰淖畲蟾綦x度。

圖2 共存拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 傳播模型

地-地間傳播模型采用3GPP TR 38.901 內(nèi)城市和農(nóng)村傳播損耗模型，空-地間分別采用3GPP TR 38.811 和ITU-R P.1409 兩種傳播模型進(jìn)行仿真，并對兩種傳播模型進(jìn)行對比分析。其中ITU-R P.1409 傳播模型多用于ITU 議題，其傳播模型的路損仿真值大于3GPP TR 38.911 中傳播模型的路損仿真值，原因在于ITU 模型主要是面向兩個系統(tǒng)之間的共存研究，路損仿真值較大的模型更有利于降低兩個系統(tǒng)之間的互干擾，增大了兩個系統(tǒng)之間共存的可能性，有助于ITU層面的頻譜協(xié)調(diào)；而3GPP TR 38.811 傳播模型是面向兩個系統(tǒng)實際運行時運營商、設(shè)備商進(jìn)行射頻、帶外等指標(biāo)的研究參考，更加貼近實際設(shè)備使用的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該模型得到較小的路損仿真值將使得系統(tǒng)間互干擾較為嚴(yán)格，這樣得到的隔離指標(biāo)在保證系統(tǒng)性能上更為可靠。

（1）3GPP TR 38.811

3GPP TR 38.901 闡述了5G NR 網(wǎng)絡(luò)支持非地面網(wǎng)絡(luò)（Non-Terrestrial Network,NTN）的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其中第6節(jié)對衛(wèi)星、HIBS 空地傳輸模型進(jìn)行了說明?？?地傳輸模型公式為：PL=PLb+PLg+PLs+PLe，其中，PL 表示總的鏈路損耗，PLb表示基本鏈路損耗，PLg表示大氣衰減，PLs表示對流層或電離層閃爍導(dǎo)致的衰減，PLe表示建筑物入口損耗，以上損耗的單位均為dB。需要注意的是，由于大氣衰減、對流層或電離層閃爍在6 GHz 以下均不考慮，且此次研究假設(shè)所有終端均處在室外，即不考慮建筑物入口損耗，因此本文中的空地模型僅考慮基本鏈路損耗的部分。

（2）ITU-R P.1409

根 據(jù)ITU-R P.1409-1（WP3M-TD-0070），對 于HIBS 與地面終端間傳播路徑，基礎(chǔ)傳播損耗采用ITU-R P.528（WP3K-TD-0041）進(jìn)行計算。由于ITU-R P.2108 地空路徑地物損耗的適用范圍為10 GHz—100 GHz，因此地物損耗根據(jù)SG3 發(fā)送5D（第五研究組）的1.4 議題聯(lián)絡(luò)函（WP3K-TD-0062）附件進(jìn)行計算?；緜鬏敁p耗計算公式為：Lb=Afs+Aa+AT+Y(p)，其中，Afs為自由空間傳輸損耗，Aa為大氣損耗，AT為衍射損耗，Y(p)為長期可變性損失。

2 ACIR計算

在本研究中，上行鏈路HIBS 系統(tǒng)的工作帶寬設(shè)置為20 MHz，每個子幀服務(wù)3 個用戶，每用戶占用16 個資源塊（Resource Black，RB），其RB 帶寬為375 kHz。5G NR 系統(tǒng)的工作帶寬設(shè)置為5 MHz 與10 MHz 兩種情況，每個子幀服務(wù)3 個用戶，在5 MHz 工作帶寬情況下每用戶占用4 RB，在10 MHz 工作帶寬情況下每用戶占用8 RB，其RB 帶寬也為375 kHz。下行鏈路HIBS 系統(tǒng)和5G NR 系統(tǒng)均只服務(wù)1 個用戶。參考3GPP TR 36.942中假設(shè)，上行鏈路的ACIR 由終端的ACLR 決定。

（1）HIBS 終端干擾5G NR 基站

參考3GPP TR 36.942，上行鏈路的ACIR 由終端的相鄰信道泄漏比（Adjacent Channel Leakage Ratio，ACLR）決定。此時，HIBS 終端的ACLR 為30、43 dB 兩種取值。需要注意的是，HIBS 終端在上行干擾5G NR 基站時，HIBS 系統(tǒng)的帶寬和5G NR 系統(tǒng)的工作帶寬是非對稱的，在上行帶寬不對稱且干擾系統(tǒng)帶寬較大時，帶寬較小的被干擾系統(tǒng)只會受到干擾系統(tǒng)產(chǎn)生的部分干擾功率。此外，頻率上靠近干擾系統(tǒng)的被干擾系統(tǒng)終端將比頻率上遠(yuǎn)離干擾系統(tǒng)的被干擾系統(tǒng)終端受到更高的干擾，圖3 和圖4 分別是20 MHz HIBS終端和5 MHz/10 MHz 帶寬的5G NR 基站的共存示意圖。

圖3 20 MHz HIBS系統(tǒng)上行干擾5MHz 5G NR系統(tǒng)示意圖

圖4 20 MHz HIBS系統(tǒng)上行干擾10MHz 5G NR系統(tǒng)示意圖

在20 MHz HIBS 終端干擾5 MHz 5G NR 基站時，參考3GPP TR 36.942 中5.1.1.4.1 計算方案，ACLR=Y+XFACLR+PACLR，其中Y為干擾終端的ACLR，即 HIBS 終端的ACLR，取30 或43 dB，X為仿真中設(shè)置的ACLR 步長（…-10,-5,0,5,10…dB），F(xiàn)ACLR=10×log10(Bvictim/BAggressor)，F(xiàn)ACLR為非對稱帶寬計算因子，Bvictim為被干擾系統(tǒng)帶寬，PACLR為功率控制因子且值為0。BAggressor為干擾系統(tǒng)帶寬。此時，F(xiàn)ACLR=10× log10(4/16)=-6.02 dB。由于HIBS系統(tǒng)和5G NR 系統(tǒng)的上行鏈路均是3 個用戶終端（User Equipment，UE），因此ACLR 的維度和取值為：

同理，在20 MHz HIBS 終端上行干擾10 MHz 5G NR 基站時，F(xiàn)ACLR=10×log10(8/16)=-3.01 dB。此時HIBS系統(tǒng)和5G NR 系統(tǒng)的上行鏈路均是3 個UE，因此ACLR的維度和取值為：

（2）5G NR 終端干擾HIBS 基站

參考3GPP TR 36.942，上行鏈路的ACIR 由終端的ACLR 決定。此時需要注意的是，當(dāng)被干擾系統(tǒng)帶寬比干擾系統(tǒng)帶寬大時，被干擾系統(tǒng)將受到來自干擾系統(tǒng)的多部分ACLR 的共同影響，這時ACLR 通過公式ACLR=P帶內(nèi)/P泄露計算。NR 終端干擾HIBS 如圖5 所示，其中圖5（a）為5 MHz 5G NR 第一個終端干擾HIBS 第一個終端，圖5（b）為5 MHz 5G NR 第二個終端干擾HIBS 第一個終端，圖5（c）為5 MHz 5G NR 第三個終端干擾HIBS第一個終端，圖5（d）為5 MHz 5G NR 第一個終端干擾HIBS 第二個終端，其他同理。

圖5 5 MHz 5G NR系統(tǒng)上行干擾20 MHz HIBS系統(tǒng)示意圖

此時，5G NR 第一個終端干擾HIBS 第一個終端的ACLR 為10×log10(1/(1+10-3+2×10-4.3))=-0.0048 dB，干擾第二個與第三個終端的ACLR 為10×log10(1/(1+2×10-3+10-4.3))=-0.0089 dB，其余5G NR 終端干擾HIBS 用戶的ACLR 為10×log10(1/(4×10-4.3))=36.97 dB。此時HIBS 系統(tǒng)和5G NR 系統(tǒng)的上行鏈路均是3 個UE，因此ACLR 的維度和取值為：

參考5 MHz 5G NR 終端干擾20 MHz HIBS 基站，圖6 是10 MHz 5G NR 終端干擾20 MHz HIBS 基站示意圖，其中圖6（a）至圖6（c）分別是10 MHz 5G NR 第一、二、三個終端干擾HIBS 第一個終端，圖6（d）至圖6（f）分別是10 MHz 5G NR 第一、二、三個終端干擾HIBS 第二個終端，圖6（g）為10 MHz 5G NR 終端干擾HIBS 第三個終端。

圖6 10 MHz 5G NR系統(tǒng)上行干擾20MHz HIBS系統(tǒng)示意圖

此時，5G NR 第一個終端干擾HIBS 第一個與第二個終端的ACLR 為10×log10(1/(1+10-3))=-0.0043 dB，干擾第三個終端的ACLR 為10×log10(1/(10-3+10-4.3))=29.787 6dB，5G NR 第一個終端干擾HIBS 第二個終端的ACLR 為10×log10(1/(2×10-4.3))=39.9897 dB，5G NR 第二個終端干擾HIBS 第二個終端的ACLR 為10×log10(1/(10-3+10-4.3))=29.7876 dB，5G NR 第三個終端干擾HIBS 第二個終端的ACLR 為10×log10(1/(1+10-3))=-0.0043 dB，其余終端的ACLR 為10×log10(1/(2×10-4.3))=39.9897 dB。此時HIBS 系統(tǒng)和5G NR 系統(tǒng)的上行鏈路均是3 個UE，因此ACLR的維度和取值為：

（3）HIBS 基站干擾5G NR 終端

下行HIBS 系統(tǒng)和5G NR 系統(tǒng)每子幀均服務(wù)1 個用戶，該用戶占用所有帶寬，因此同頻干擾情況下行相鄰信道選擇性（Adjacent Channel Selectivity，ACS）為0 dB。

（4）5G NR 基站干擾HIBS 終端

下行HIBS 系統(tǒng)和5G NR 系統(tǒng)每子幀均服務(wù)1 個用戶，該用戶占用所有帶寬，因此同頻干擾情況下行ACS 為0 dB。

3 仿真結(jié)論

3.1 仿真參數(shù)與仿真流程

（1）仿真參數(shù)

HIBS 及UE 仿真參數(shù)見表1。

表1 HIBS及UE仿真參數(shù)

5G NR 仿真參數(shù)見表2。

表2 5G NR仿真參數(shù)

（2）仿真流程

本文采用蒙特卡洛仿真方法對900 MHz 頻段HIBS 系統(tǒng)與5G NR 系統(tǒng)的同頻干擾共存情況進(jìn)行分析，在仿真的每個快照中根據(jù)共存場景生成被干擾系統(tǒng)與干擾系統(tǒng)，進(jìn)行對應(yīng)的基站生成、用戶生成、路損計算、功率控制、干擾計算、性能統(tǒng)計等流程，并輸出橫坐標(biāo)為額外ACIR，縱坐標(biāo)為吞吐量損失百分比的性能仿真曲線，仿真流程由圖7 所示。

圖7 仿真流程圖

其中地面5G NR 系統(tǒng)的用戶生成采用3GPP TR 36.942 中的用戶生成方法。HIBS 系統(tǒng)采用的是7 扇區(qū)結(jié)構(gòu)，由于不同層波束映射到地面的不規(guī)則特性，因此小區(qū)第一層為正六邊形結(jié)構(gòu)，而第二層的小區(qū)為非正六邊形結(jié)構(gòu)。考慮到用戶生成需要在小區(qū)范圍內(nèi)隨機(jī)分布且覆蓋全區(qū)域，則先在中心六邊形小區(qū)內(nèi)生成用戶，再以第二層小區(qū)的非正六邊形為撒點范圍，進(jìn)行用戶生成，其目的是保證用戶在HIBS 系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)均服從隨機(jī)分布。

3.2 仿真結(jié)果及分析

此次研究中，5G NR 系統(tǒng)帶寬有5 MHz 和10 MHz 2 種，空地模型均有3GPP 和ITU 2 種以及場景均有城市和農(nóng)村2種，因此仿真case 共有8 種，分別是：a）5 MHz 5G NR 系統(tǒng)帶寬+城市場景+3GPP 空地模型；b）5 MHz 5G NR 系統(tǒng)帶寬+城市場景+ITU 空地模型；c）5 MHz 5G NR 系統(tǒng)帶寬+農(nóng)村場景+3GPP 空地模型；d）5 MHz 5G NR 系統(tǒng)帶寬+農(nóng)村場景+ITU 空地模型；e）10 MHz 5G NR 系統(tǒng)帶寬+城市場景+3GPP 空地模型；f）10 MHz 5G NR 系統(tǒng)帶寬+城市場景+ITU 空地模型；g）10 MHz 5G NR 系統(tǒng)帶寬+農(nóng)村場景+3GPP 空地模型；h）10 MHz 5GN R 系統(tǒng)帶寬+農(nóng)村場景+ITU 空地模型。

（1）HIBS 基站干擾5G NR 終端

HIBS 基站干擾5G NR 終端的仿真結(jié)果見圖8：

圖8 HIBS基站干擾5G NR終端仿真結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)允許上下行吞吐量損失為5% 的評估準(zhǔn)則可知，HIBS 基站干擾5G NR 終端case b 與f 均在沒有額外ACIR 的情況下可以滿足共存條件，case a、d、e 及h 均需要大約5 dB 的額外ACIR 才能滿足條件，而case c 和g 都是需要大約10 dB 的ACIR 才能滿足共存條件。

（2）HIBS 終端干擾5G NR 基站

HIBS 終端干擾5G NR 基站的仿真結(jié)果見圖9：

圖9 HIBS終端干擾5G NR基站仿真結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)允許上下行吞吐量損失為5% 的評估準(zhǔn)則可知，HIBS 終端干擾5G NR 基站所有case 均可以在沒有額外ACIR 的情況下滿足共存條件。

（3）5G NR 基站干擾HIBS 終端

5G NR 基站干擾HIBS 終端的仿真結(jié)果見圖10：

圖10 5G NR基站干擾HIBS終端仿真結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)允許上下行吞吐量損失為5% 的評估準(zhǔn)則可知，5G NR 基站干擾HIBS 終端case a、b、e、f 均在沒有額外ACIR 的情況下可以滿足共存條件，case c 和g均需要大約5 dB 的額外ACIR 才能滿足條件，而case d和h 都是需要大約10 dB 的ACIR 才能滿足共存條件。

（4）5G NR 終端干擾HIBS 基站

5G NR 終端干擾HIBS 基站的仿真結(jié)果見圖11：

圖11 5G NR終端干擾HIBS基站仿真結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)允許上下行吞吐量損失為5% 的評估準(zhǔn)則可知，5G NR 終端干擾HIBS 基站case a、b 均需要大約15 dB 的額外ACIR 才能滿足條件，case e、f 均需要大約20 dB 的額外ACIR 才能滿足條件，case c、d、h 均需要大約30 dB 的ACIR 才能滿足共存條件，而case g 需要大約30 dB 的ACIR 才能滿足共存條件。

4 結(jié)束語

中低頻段的頻譜資源對未來通信系統(tǒng)的發(fā)展格外重要，因此在未來的研究工作中要堅持不懈地對中低頻段的頻譜重耕進(jìn)行理論和實際探索。本文根據(jù)3GPP 和ITU 標(biāo)準(zhǔn)中的系統(tǒng)參數(shù)和仿真方法，對900 MHz 頻段HIBS 系統(tǒng)與5G NR 系統(tǒng)在采用2 種傳播模型（ITU、3GPP）、2 種傳播場景（城市、農(nóng)村）以及2 種帶寬（5 MHz、10 MHz）時，共8 種類型的同頻干擾進(jìn)行了仿真，結(jié)果顯示僅有HIBS 終端上行干擾5G NR 基站的同頻干擾場景可以在不采用額外ACIR 值時滿足干擾共存條件，而其他同頻干擾的場景若需實現(xiàn)干擾共存，則需要采用5 dB～30 dB 的額外ACIR 值。故而若要HIBS 系統(tǒng)和5G NR系統(tǒng)在900 MHz 頻段實現(xiàn)共存，建議從3 個方面實現(xiàn)：一是兩系統(tǒng)在頻率上采用一定程度的隔離，即進(jìn)行部分同頻或鄰頻共存。此時，頻率上的隔離可以提供額外的ACIR 值；二是可以對兩個系統(tǒng)做空間上的隔離，比如可以讓HIBS 系統(tǒng)和5G NR 系統(tǒng)覆蓋不同的區(qū)域，通過拉遠(yuǎn)的方式增加空間隔離度，實現(xiàn)兩系統(tǒng)的共存，根據(jù)確定性分析推導(dǎo)，在額外ACIR=0 dB 的情況下HBS 基站干擾5G NR 終端和5G NR 基站干擾HIBS 終端大約在隔離距離50 km 以內(nèi)可以實現(xiàn)共存，HIBS 終端干擾5G NR基站不需要額外隔離距離即可實現(xiàn)共存，而5G NR 終端干擾HIBS 基站則需要大概150 km 才可實現(xiàn)共存，其具體隔離距離值在后續(xù)的研究工作中將通過仿真方法給出更細(xì)致的結(jié)論；三是可以加裝額外的濾波器，來降低干擾源的帶外泄露功率。