5G 頻段IMT 與衛(wèi)星系統(tǒng)干擾共存鏈路計算分析

閻庚耀，朱 旭

（黑龍江工商學(xué)院，黑龍江 哈爾濱）

引言

在部署地面IMT 系統(tǒng)時，當IMT 小基站數(shù)量達到一定程度后，會對衛(wèi)星帶來明顯的集總干擾，導(dǎo)致衛(wèi)星通信質(zhì)量降低。因此，為了保證衛(wèi)星業(yè)務(wù)的正常開展，需要開展IMT 系統(tǒng)與衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾共存分析，只有當IMT 系統(tǒng)對衛(wèi)星造成的干擾不影響衛(wèi)星業(yè)務(wù)正常開展，說明兩者可以共存。因此，在確定5G 重點候選頻段時，必須要對IMT 與衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾共存鏈路進行計算分析，從而保證5G 地面基站部署的科學(xué)性。

1 5G 頻段IMT 與衛(wèi)星系統(tǒng)的兼容性分析

1.1 IMT 系統(tǒng)分析

IMT（國際移動通信）代表了移動通信技術(shù)的標準方案，IMT-2000 對應(yīng)了第三代移動通信技術(shù)（即3G）的標準方案；相應(yīng)的，IMT-Advanced 為4G 標準方案，隨著5G 技術(shù)的成熟，國際電聯(lián)無線電通信部門（ITUR）正式將IMT-2020 定為5G 標準方案。相比于前一代，IMT-2020 系統(tǒng)在帶寬、發(fā)射功率、饋線損耗、基站激活率等參數(shù)上均有優(yōu)化，例如帶寬從360 MHz 拓展到480 MHz，基站激活率從35%升高到50%。IMT-2020 系統(tǒng)的天線模型有2 種基本類型：一種是全向天線模型，適用于25～30 GHz 頻段IMT 小基站，其特點是將發(fā)射功率集中在特定方向，以獲得最高功率和最大增益；除了該方向外，其他方向上的增益由天線仰角決定[1]。當天線仰角的區(qū)間為[-90°,90°]時，該模型的增益計算公式如下：

式中：G(θ)表示全向天線增益；G0表示特定方向上的最大增益，這里取5 dBi；θ 表示天線仰角，區(qū)間為-90°～90°；θ3表示波束寬度，根據(jù)上式可以繪制全向天線的方向圖，如圖1 所示。

圖1 直角坐標系下天線方向圖

由圖1 可知，當θ 值為0 時，該模型有最大增益，此時小基站將會對衛(wèi)星系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重干擾。另一種是波束成形天線模型，適用于18～24.5 GHz 頻段IMT 小基站，由4 列10 行的天線陣列組成，其特點是陣列天線的增益可疊加，該模型的增益計算公式為：

式中：AE,H(β)和AE,V(θ)分別表示陣列天線在橫向和縱向上的增益，β 和θ 均為天線方位角，前者的活動區(qū)間為[-180°,180°]，后者的活動區(qū)間為[0,180°]；Am表示陣列天線的前后比，這里以30 dB 計；β3和θ3表示在橫向和豎向上3 dB 波束帶寬；Gmax表示最大增益，這里以10 dBi 計。根據(jù)上式可以繪制全向天線的方向圖，如圖2 所示。

圖2 IMT 波束成形天線橫增益圖

由圖2 可知，當θ 值為0 時，天線在縱向上的增益最大；同樣的，當β 值為0 時，天線在橫向上的增益最大。

1.2 衛(wèi)星系統(tǒng)分析

1.2.1 對地靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)

對地靜止軌道衛(wèi)星可支持衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)，對應(yīng)的是25 GHz～30 GHz 頻段。按照組網(wǎng)方式可以將衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)分為若干種類型，例如以語音通信為主的單點通信系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)分發(fā)為主的分發(fā)系統(tǒng)，以骨干節(jié)點數(shù)據(jù)備份為主的MCPC 系統(tǒng)等；按照傳輸速率可以將衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)分為兩種類型，分別是以語音、低速數(shù)據(jù)為主的“窄帶”和以流媒體、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)為主的“寬帶”[2]。對地靜止軌道衛(wèi)星接收參數(shù)如下：工作頻段，25 GHz～30 GHz；工作帶寬，480 MHz；天線增益，36 dBi；噪聲溫度，540 K；衛(wèi)星高度，35 786 km。

1.2.2 數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)

為了進一步提高軌道覆蓋率（最高可達100%），中繼衛(wèi)星系統(tǒng)中包含了若干顆分布于不同軌道的衛(wèi)星，可支持衛(wèi)星間業(yè)務(wù)，對應(yīng)的是18～24.5 GHz 頻段。數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)可發(fā)揮“紐帶”作用，將航天器與地球站聯(lián)系起來，實現(xiàn)超遠程通信，該系統(tǒng)能避免外太空電磁干擾，保證數(shù)據(jù)實時傳輸，兼有良好的經(jīng)濟效益和實用價值[3]。數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星接收參數(shù)如下：工作頻段，18～24.5 GHz；工作帶寬，600 MHz；天線增益，58.0 dBi；噪聲溫度，1 000 K；衛(wèi)星高度，根據(jù)地面基站天線仰角的變化而變化，范圍4×104～10×104km 不等。

1.3 IMT 與衛(wèi)星系統(tǒng)兼容性研究

IMT 系統(tǒng)通常以小基站的形式安裝在通信需求較大、人口流量較高的城市中心，具有大帶寬、高容量的特點。IMT 小基站在運行過程中可能對衛(wèi)星系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量下降，如何保證兩者之間的兼容性成為研究重點。根據(jù)干擾產(chǎn)生原因的不同，可以將其分為2 種類型，即單點干擾與集總干擾，前者產(chǎn)生的影響可以忽略，后者產(chǎn)生的影響取決于基站數(shù)量，基站越多則集總干擾越明顯[4]。只有當IMT 系統(tǒng)對衛(wèi)星系統(tǒng)的集總干擾在合理范圍內(nèi)，兩者才具有兼容性。

2 5G 頻段IMT 與衛(wèi)星系統(tǒng)干擾共存鏈路計算

2.1 鏈路計算分析方法

現(xiàn)階段常用的干擾共存研究方法有確定性分析法、仿真測試法等若干種。其中，根據(jù)測試原理的不同，又可將仿真測試法分為2 種：一種是鏈路級仿真，采用“點到點”的方式建立一條無線鏈路；另一種是系統(tǒng)級仿真，采用“一對多”的方式建立多條鏈路。本研究選擇仿真測試法對IMT 系統(tǒng)與衛(wèi)星系統(tǒng)之間的干擾展開分析。

2.1.1 單點干擾

單點干擾是指地面上部署的任意一臺IMT 小基站對衛(wèi)星產(chǎn)生的干擾。衛(wèi)星接收到的IMT 干擾功率可通過下式求得：

式中：P 表示接收到的干擾功率；P1表示IMT 小基站發(fā)射功率；G1(θ)表示發(fā)射裝置的天線增益；G2表示接收裝置的天線增益；Q 表示路徑損耗；L 表示饋線損耗；L1表示降雨衰減；L2表示極化損耗；C 表示地物損耗。根據(jù)上式求得的P 值較小，通常情況下不會對衛(wèi)星各項功能的實現(xiàn)產(chǎn)生明顯影響。

2.1.2 集總干擾

集總干擾是指衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)所有的IMT 小基站對衛(wèi)星產(chǎn)生的干擾，在IMT 系統(tǒng)部署較為密集的情況下，這些干擾可以疊加?；诖?，要想精確計算出集總干擾功率，首先要掌握地面上能夠?qū)πl(wèi)星產(chǎn)生干擾的IMT 小基站的具體數(shù)量，以及這些小基站的具體分布位置。在實際中，IMT 小基站的分布受到多方面因素（如地形、海拔等）的影響，其分布往往沒有明顯的規(guī)律，計算難度較大。本研究為了降低研究難度，設(shè)定了以下理想條件：（1）衛(wèi)星覆蓋區(qū)域是規(guī)則形狀；（2）衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)IMT 小基站為均勻分布；（3）任意一個IMT 小基站對衛(wèi)星產(chǎn)生的干擾是相同的[5]。在上述限定條件下，假設(shè)衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)共有n 個IMT 小基站，則集總干擾功率的計算公式為：

式中：P1表示集總干擾功率；P 表示單點干擾功率。通過上式分別求得最大干擾功率Pmax和集總干擾功率P1，并對比兩項數(shù)值的大小。若存在“P1＜Pmax”，則該頻段地面部署的IMT 小基站對衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)上行產(chǎn)生的干擾不影響共存；反之，若存在“P1＞Pmax”，則干擾影響共存。

2.2 IMT 與衛(wèi)星系統(tǒng)干擾共存研究

2.2.1 鏈路計算分析

這里以IMT-2020 全向天線為例，結(jié)合其參數(shù)使用上文所述的集總干擾計算方法，求出25 GHz～30 GHz 頻段內(nèi)IMT 系統(tǒng)與衛(wèi)星系統(tǒng)的仿真參數(shù)。天線參數(shù)如下：

（1）天線高度，6 m。

（2）系統(tǒng)帶寬，600 MHz。

（3）發(fā)射功率，24 dBm。

（4）饋線損耗，-3 dB。

（5）基站激活率，50%。

除了上述參數(shù)外，根據(jù)地區(qū)實際情況將降雨衰減設(shè)定為20 dB，衛(wèi)星覆蓋面積3×106km2，IMT 小基站數(shù)量設(shè)定為228 000 個。利用上述參數(shù)分別求得了IMT 發(fā)射端和衛(wèi)星接收端在不同水平仰角下的仿真參數(shù)，見表1、表2。

表1 IMT 系統(tǒng)（發(fā)射端）仿真參數(shù)

表2 衛(wèi)星系統(tǒng)（接收端）仿真參數(shù)

由表2 的計算結(jié)果可知，無論天線的水平仰角在10°～90°之間如何變化，集總干擾總是小于最大干擾，符合P1＜Pmax，說明IMT 小基站對衛(wèi)星系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾不影響共存。

2.2.2 干擾共存分析

大量研究表明，降雨衰減對IMT 與衛(wèi)星系統(tǒng)之間的相互干擾會產(chǎn)生較為明顯的影響。本研究在研究兩種系統(tǒng)之間的干擾共存情況時，設(shè)置了對照試驗，分別探究了考慮降雨衰減和不考慮降雨衰減條件下，干擾余量與天線仰角之間的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同仰角下的干擾余量變化

圖3 中，當干擾余量大于0 時，說明IMT 小基站的集總干擾在衛(wèi)星系統(tǒng)的抗干擾閾值以內(nèi)；反之，若干擾余量小于0，表示IMT 小基站的集總干擾超過了衛(wèi)星系統(tǒng)的抗干擾閾值。結(jié)合圖3 中的兩條曲線可知，在考慮降雨衰減的情況下干擾余量更高，并且在天線仰角為40°時達到最大值，此時干擾余量為36 dB；在不考慮降雨衰減的情況下，同角度下干擾余量僅為15 dB；從整體上看，兩種情況下干擾余量隨天線仰角增加的變化規(guī)律基本一致。

分析其原因，在鏈路預(yù)算分析中如果考慮降雨衰減，此時IMT 系統(tǒng)中發(fā)射機發(fā)出的信號在傳播過程中會隨著傳播路徑的增加，衰減也會同步加大，相應(yīng)的對衛(wèi)星產(chǎn)生的干擾會被削弱。同理可得，在不考慮降雨衰減時，信號在傳播過程中的衰減較小，衛(wèi)星系統(tǒng)所受干擾相對明顯。由于25 GHz～30 GHz 屬于高頻段，降雨衰減對毫米波傳播的影響明顯，在干擾共存分析中必須要考慮降雨衰減。此時IMT 對衛(wèi)星的干擾在允許范圍之內(nèi)，因此高頻段IMT 系統(tǒng)與衛(wèi)星系統(tǒng)的共存是可行的。

結(jié)束語

進入5G 時代，頻譜資源的重要性得到了進一步的凸顯。相比于廣電網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)較多的低頻段，25 GHz以上的高頻段主要開展衛(wèi)星系統(tǒng)業(yè)務(wù)，頻率資源相對充裕，成為5G 重點候選頻段。根據(jù)IMT 與衛(wèi)星系統(tǒng)干擾共存鏈路計算結(jié)果，合理部署地面基站，確保IMT集總干擾低于衛(wèi)星的抗干擾閾值，才能使衛(wèi)星系統(tǒng)業(yè)務(wù)正常開展，為5G 基站部署提供依據(jù)。