900 MHz頻段5G NR與鄰頻DME系統(tǒng)共存研究

牛憶瑩，周 瑤，李福昌（中國(guó)聯(lián)通研究院，北京 100048）

0 引言

鑒于904～915 MHz和949～960 MHz頻率資源重耕后可能用于5G NR FDD，本文對(duì)5G NR 與緊鄰頻960～1 215 MHz 測(cè)距儀（Distance Measure Equipment，DME）的兼容共存開(kāi)展了先期研究，主要針對(duì)單向鏈路上5G NR 對(duì)DME 系統(tǒng)的干擾影響進(jìn)行了分析，對(duì)未來(lái)該段頻譜資源的重耕規(guī)劃具有一定參考價(jià)值。

1 系統(tǒng)干擾模型

1.1 干擾場(chǎng)景

DME 系統(tǒng)作為飛機(jī)無(wú)線電導(dǎo)航廣泛使用的一種近程導(dǎo)航設(shè)備，既可用作導(dǎo)航設(shè)備也可用作機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航設(shè)備?？膳c其他近程導(dǎo)航和著陸設(shè)備如甚高頻全向信標(biāo)（VHF omnidirectional radio range，VOR）和儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System，ILS）相配合使用，有如下幾種使用方案［1-2］。

a）DME/DME 使用方案〔見(jiàn)圖1（a）〕。該方案常用于航線導(dǎo)航和機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航，飛機(jī)分別測(cè)得至2 個(gè)航線DME 地面信標(biāo)臺(tái)的距離來(lái)確定飛機(jī)的位置，構(gòu)成ρ-ρ體制定位方案。為了提高定位精確度，在實(shí)踐中也可同時(shí)利用3個(gè)航線地面信標(biāo)臺(tái)所提供的距離信息進(jìn)行定位。

圖1 DME/DME使用方案

b）DME/VOR 使用方案〔見(jiàn)圖1（b）〕。該方案常用于航線導(dǎo)航和機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航，在此定位方案中，飛機(jī)可同時(shí)接受來(lái)自VOR 提供的以磁北為基準(zhǔn)的方位信息和來(lái)自DME 地面信標(biāo)的距離信息，用以確定飛機(jī)的位置，構(gòu)成ρ-θ體制定位方案，該方案被普遍使用。

c）DME/ILS 使用方案。該方案常用于機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航，在某些不便于安裝指點(diǎn)標(biāo)的機(jī)場(chǎng)內(nèi)，常由DME 系統(tǒng)地面信標(biāo)與ILS 相配合。其中ILS 提供航向道和下滑道指引，DME提供飛機(jī)相對(duì)跑道入口的距離信息。

基于上述使用方案信息，本文將5G NR 對(duì)鄰頻DME系統(tǒng)的干擾場(chǎng)景分為2種。即飛機(jī)平穩(wěn)飛行狀態(tài)下機(jī)載DME 用于航線導(dǎo)航，統(tǒng)計(jì)地面覆蓋NR 基站的干擾影響；飛機(jī)起飛降落狀態(tài)下機(jī)載DME 用于機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航，統(tǒng)計(jì)機(jī)場(chǎng)部署NR基站的干擾影響［3］。

1.2 干擾分析數(shù)學(xué)模型

IMT 系統(tǒng)對(duì)機(jī)載DME 接收機(jī)的干擾可以通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

Ireceive——NR 系統(tǒng)基站對(duì)DME 接收機(jī)的干擾功率（dBm/MHz）

Pt——NR系統(tǒng)基站的發(fā)射功率（dBm/MHz）

Gt——NR系統(tǒng)基站天線發(fā)射增益（dBi）

Gr——DME天線接收增益（dBi）

Gloss——其他損耗（dB）

PL——NR系統(tǒng)基站到DME的傳播損耗（dB）

2 仿真實(shí)現(xiàn)

基于DME 系統(tǒng)和5G 系統(tǒng)的典型特性參數(shù)，采用蒙特卡洛模擬仿真進(jìn)行半靜態(tài)干擾分析。

2.1 仿真參數(shù)

2.1.1 DME系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)ITU-R M.2013 建議書(shū)，地對(duì)空方向機(jī)載DME詢問(wèn)器的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示［4］。

表1 DME系統(tǒng)基本參數(shù)

DME 機(jī)載天線特性參考ITU-R M.1642-1，圖2 提供［-90°，0°］仰角范圍內(nèi)的天線增益［5］。對(duì)于仰角范圍中未給出增益的仰角，使用線性插值的方式獲得天線增益，對(duì)于所有方位角來(lái)說(shuō)，仰角與天線增益間關(guān)系是相同的。

圖2 -90°～0°仰角范圍內(nèi)DME天線增益

2.1.2 5G系統(tǒng)參數(shù)

5G NR 宏蜂窩系統(tǒng)的參數(shù)來(lái)源于ITU-R WP5D 38e Chairman’s Report（Annex 4.4 to 5D/716），具體如表2 所示［6-7］。5G NR 系統(tǒng)基站的帶外發(fā)射模板和ACLR參考3GPP TS 38.104，如表3所示［8］。

表2 NR FDD宏蜂窩系統(tǒng)參數(shù)

2.1.3 傳播模型

NR 系統(tǒng)基站到DME 機(jī)載的干擾鏈路傳播損耗計(jì)算采用自由空間模型（參考ITU-R P.525 建議書(shū)），自由空間基本傳輸損耗公式為［9］：

式中：

Lbf——傳播損耗值（dB）

f——頻率（MHz）

d——距離（km）

2.2 仿真拓?fù)?/h3>

根據(jù)1.1 節(jié)，建立DME 航線導(dǎo)航和機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航的仿真拓?fù)洹?/p>

當(dāng)DME用于航線導(dǎo)航時(shí)，以DME/VOR 方案為例。參考中國(guó)典型一線大城市（北京），假設(shè)城市為圓形，仿真總區(qū)域?yàn)? 環(huán)內(nèi)，半徑為25 km，其中五環(huán)內(nèi)（R＜15 km）為城區(qū)場(chǎng)景，五環(huán)到六環(huán)為郊區(qū)場(chǎng)景（15 km＜R＜25 km）。考慮網(wǎng)絡(luò)負(fù)載因子為50%，計(jì)算飛機(jī)下方該面積范圍內(nèi)的所有5G 基站對(duì)機(jī)載DME 的集總干擾。仿真拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 DME航線導(dǎo)航的平穩(wěn)飛行場(chǎng)景

當(dāng)DME 用于機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航時(shí)，以DME/ILS 方案為例。飛機(jī)處于起飛或降落狀態(tài)，沿著3°下滑臺(tái)運(yùn)行，此時(shí)飛機(jī)高度較低，考慮覆蓋的單個(gè)5G 基站對(duì)機(jī)載DME的干擾。仿真拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 DME機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航的起飛降落場(chǎng)景

3 仿真分析結(jié)果

3.1 DME用于航線導(dǎo)航

假設(shè)飛機(jī)飛行高度在10 000～20 880 m，考慮基站對(duì)飛機(jī)器的干擾情況。圖5 為機(jī)載DME 受到的干擾功率示意。

圖5 飛機(jī)平穩(wěn)飛行中的干擾示意

由圖5可知，DME用于航線導(dǎo)航時(shí)，在平穩(wěn)飛行場(chǎng)景下，不論飛行高度在何位置，地面基站對(duì)DME 的集總干擾功率皆小于干擾門(mén)限值。

3.2 DME用于機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航

假設(shè)基站位于跑道中心延長(zhǎng)線上，考慮基站對(duì)飛機(jī)器的干擾情況。根據(jù)《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（MH5001-2021）中對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道外延長(zhǎng)線有關(guān)障礙物保護(hù)面要求，由于仿真假設(shè)使用的900 MHz 基站天線掛高為30 m，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，機(jī)場(chǎng)跑道沿線外929 m以內(nèi)范圍不允許設(shè)置30 m 高度建筑物，以保證飛機(jī)下滑安全著落［10］。圖6給出了基站部署在距離飛機(jī)著陸點(diǎn)950～1 300 m的情況下飛機(jī)受到的干擾功率。

圖6 飛機(jī)出發(fā)和到達(dá)流程中的干擾示意

假設(shè)基站位于跑道中心延長(zhǎng)線側(cè)邊，考慮基站對(duì)飛機(jī)器的干擾情況。圖7給出了基站位于飛機(jī)跑道中心延長(zhǎng)線距離10、50、100 m 3 種情況下，5G 基站部署在距離飛機(jī)著陸點(diǎn)0～800 m 的情況下飛行器受到的干擾情況。

圖7 飛機(jī)出發(fā)和到達(dá)流程中的干擾示意

由圖7可知，DME用于機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航時(shí)，在起飛降落場(chǎng)景下不論BS 部署在何位置，其對(duì)DME 的干擾功率皆小于干擾門(mén)限值。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了900 MHz 頻段上NR FDD 系統(tǒng)與960～1 215 MHz 頻段DME 系統(tǒng)的干擾共存情況，分析了DME 的不同使用方案對(duì)平穩(wěn)飛行和起飛降落兩大場(chǎng)景下的系統(tǒng)干擾的影響。研究結(jié)論顯示，5G NR 系統(tǒng)與DME 系統(tǒng)間可以實(shí)現(xiàn)鄰頻共存，無(wú)需額外的隔離措施保護(hù)。