0 引言

    目前，我國(guó)正在北京地區(qū)開展3 400-3 600 MHz頻段的第五代移動(dòng)通信(the fifth generation mobile communication，5G)技術(shù)研發(fā)與測(cè)試試驗(yàn)。然而，C頻段與擴(kuò)展C頻段(3 400-4 200 MHz)一直是我國(guó)和亞洲地區(qū)衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的傳統(tǒng)核心頻段^[1]。與其他頻段相比，我國(guó)C頻段衛(wèi)星系統(tǒng)使用地位更高，部署和應(yīng)用范圍更廣，并體現(xiàn)在我國(guó)重大衛(wèi)星工程、行業(yè)衛(wèi)星通信應(yīng)用、航天衛(wèi)星研制、國(guó)際衛(wèi)星出口等多個(gè)領(lǐng)域^[2]。為保證5G系統(tǒng)與衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)（Fixed Satellite Service，FSS）的兼容共用，避免對(duì)在軌及計(jì)劃使用的衛(wèi)星系統(tǒng)產(chǎn)生有害干擾，本文開展了該頻段上5G系統(tǒng)基站對(duì)FSS地面接收站(地球站)的干擾分析研究，為該頻段未來(lái)規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。

1 干擾場(chǎng)景與分析方法

1.1 干擾場(chǎng)景

    由于擴(kuò)展C頻段是我國(guó)固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)的下行頻段，所以5G系統(tǒng)與FSS系統(tǒng)的干擾主要有4種：5G基站對(duì)FSS地球站的干擾、5G用戶對(duì)FSS地球站的干擾、FSS衛(wèi)星對(duì)5G基站的干擾、FSS衛(wèi)星對(duì)5G用戶的干擾。本文主要研究在城區(qū)和郊區(qū)兩種場(chǎng)景下，5G基站對(duì)FSS地球站的干擾場(chǎng)景。

    3.5 GHz頻段上的5G系統(tǒng)主要用于廣域覆蓋，故3.5 GHz頻段上5G系統(tǒng)基站均采用三扇區(qū)宏站，蜂窩組網(wǎng)。共存研究時(shí)，5G基站與FSS地球站部署在同一地理區(qū)域，假設(shè)存在一個(gè)FSS地球站，5G系統(tǒng)基站呈環(huán)狀部署在地球站周圍^[3]，其共存拓?fù)淠Ｐ腿鐖D1所示。其中，D_protection表示兩系統(tǒng)共存時(shí)所需的保護(hù)距離，D_intersite表示兩個(gè)基站之間的距離。

    單個(gè)5G系統(tǒng)基站發(fā)射機(jī)對(duì)FSS地球站的干擾模型如圖2所示。其中，O為FSS地球站所在位置，OP為地球站主軸方向，A為5G基站發(fā)射天線所在位置，AO為5G基站發(fā)射機(jī)對(duì)FSS地球站的干擾方向；α為地球站天線主軸與其在水平面的投影構(gòu)成的角度，即地球站的仰角；為干擾方向與地球站主軸方向的空間離軸角^[4]。

1.2 干擾分析方法

    5G系統(tǒng)基站對(duì)FSS系統(tǒng)主要考慮同頻干擾和鄰頻干擾^[5]。具體造成干擾的程度主要取決于FSS地球站的仰角、所接收到的5G系統(tǒng)的集總干擾功率等。

    若只考慮一個(gè)5G基站的干擾時(shí)，則地球站接收到的干擾功率可由式(1)計(jì)算：

其中，I_IMT為FSS地球站接收機(jī)輸入端接收到的1 MHz帶寬內(nèi)的干擾功率(dBm)，P_IMT為5G系統(tǒng)基站每MHz帶寬的發(fā)射功率(dBm)，G_IMT(γ，β)為5G系統(tǒng)基站的天線增益(dB)，G_FFS()為FSS地球站接收天線增益(dB)，L(f，d)為大范圍的路徑損耗(dB)，CL(d)為周圍物體的散射損耗(dB)，ACLR為鄰信道泄露比(dB)。

    5G系統(tǒng)基站對(duì)FSS地球站的集總干擾可由式(2)計(jì)算：

其中，I_agg為到達(dá)衛(wèi)星地球站接收機(jī)輸入端的集總干擾功率譜密度(dBm/MHz)，I_n為第n個(gè)5G基站對(duì)衛(wèi)星地球站的干擾功率譜密度(dBm/MHz)。

    (1)5G系統(tǒng)天線模型

    5G系統(tǒng)將使用大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)天線，大規(guī)模MIMO天線利用其波束賦形技術(shù)可以形成方向性極強(qiáng)的窄波束，從而在目標(biāo)方向波束增益最大，而在干擾和無(wú)用方向產(chǎn)生零陷，增益最小^[6-7]，天線模型參考ITU-R M.2101建議書^[8]。

    (2)FSS地球站接收天線模型

    衛(wèi)星地球站天線的增益與離軸角的關(guān)系參考ITU-R S.465建議書^[9]，如式(3)、式(4)所示：

    (3)傳播模型

5G系統(tǒng)基站對(duì)FSS地球站的干擾傳播發(fā)生在室外，其干擾傳播機(jī)理主要包括視距傳播、繞射等，根據(jù)ITU P系列建議書無(wú)線電傳播模型分類，參考P.452建議書^[10]和TG 5/1工作組中的Clutter Loss，計(jì)算5G系統(tǒng)基站到FSS地球站的傳播損耗。

2 系統(tǒng)參數(shù)

2.1 5G系統(tǒng)典型參數(shù)

    根據(jù)建議書ITU-R M.2101和報(bào)告書ITU-R M.2292，參考5G系統(tǒng)高頻參數(shù)和2017年業(yè)內(nèi)最新進(jìn)展，3.5 GHz頻段5G系統(tǒng)參數(shù)建議如表1。

2.2 FSS系統(tǒng)地球站參數(shù)

    參考ITU相關(guān)建議書和CCSA前期研究情況，衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)參數(shù)建議如表2。

    根據(jù)表格中的相關(guān)參數(shù)，可計(jì)算出該頻段衛(wèi)星地球站輸入端的干擾功率門限為-130.8 dBm/MHz。

3 系統(tǒng)仿真

    根據(jù)上述系統(tǒng)參數(shù)，本文仿真了在城區(qū)和郊區(qū)兩個(gè)場(chǎng)景，同頻和鄰頻兩種情況下，不同仰角時(shí)5G系統(tǒng)基站對(duì)FSS系統(tǒng)地球站的干擾。仿真過(guò)程中，基站發(fā)射功率取最大值32 dBm/100 MHz，P.452傳播模型時(shí)間比設(shè)置設(shè)為50%，Clutter Loss位置百分比設(shè)為50%。干擾功率為100次撒點(diǎn)的均值。地球站周圍至少有7圈基站部署。

3.1 城區(qū)場(chǎng)景

    研究?jī)上到y(tǒng)同頻共存時(shí)，5G系統(tǒng)基站部署在地球站周圍半徑為32.85 km的圓環(huán)行區(qū)域內(nèi)。此區(qū)域范圍是為了保證當(dāng)隔離距離為30 km時(shí)，地球站周圍仍有7圈基站部署。最初的隔離距離設(shè)為一個(gè)站間距(城區(qū)0.45 km)，當(dāng)集總干擾功率超過(guò)干擾功率門限時(shí)，增大隔離距離，直到隔離距離為30 km。衛(wèi)星接收到的平均干擾功率與隔離距離的關(guān)系如圖3所示。

    從圖3中可以看出，兩系統(tǒng)同頻部署，衛(wèi)星仰角為15°、30°、45°時(shí)，需要的保護(hù)距離分別約為28.4 km、27.5 km、27.1 km。當(dāng)隔離距離為10 km，衛(wèi)星仰角為15°、30°、45°時(shí)，額外干擾余量分別約為24 dB、22 dB、21 dB。從上述數(shù)據(jù)中可以看出，隨著FSS地球站仰角的增大，兩系統(tǒng)共存需要的保護(hù)距離減小。但是，當(dāng)仰角為45°時(shí)，仍需要約27.1 km的保護(hù)距離，此距離要求難以在城區(qū)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)隔離距離為10 km時(shí)，低仰角時(shí)干擾余量高達(dá)24 dB，高仰角時(shí)干擾余量高達(dá)21 dB。

    當(dāng)5G系統(tǒng)與FSS系統(tǒng)鄰頻部署時(shí)，5G系統(tǒng)部署半徑為5 km，鄰道泄露比取45 dB，最小隔離距離設(shè)為0.01 km(基站天線和地球站天線高度差)。衛(wèi)星接收到的干擾功率與隔離距離的關(guān)系如圖4所示。

    從圖4中可以看出，兩系統(tǒng)鄰頻部署，衛(wèi)星仰角為15°、30°、45°時(shí)，需要的保護(hù)距離均約為0.38 km，即兩系統(tǒng)隔離一個(gè)站間距(城區(qū)0.45 km)時(shí)就能夠達(dá)到共存條件。兩系統(tǒng)間隔離距離為最小值時(shí)，不論衛(wèi)星仰角高低變化，干擾余量均很大。分析可知，在城區(qū)場(chǎng)景下兩系統(tǒng)鄰頻部署時(shí)，需要一個(gè)站間距的隔離距離即可滿足共存要求。

3.2 郊區(qū)場(chǎng)景

    研究?jī)上到y(tǒng)同頻共存時(shí)，5G系統(tǒng)基站部署在地球站周圍半徑為36 km的圓環(huán)行區(qū)域內(nèi)。仿真方法與城區(qū)同頻部署場(chǎng)景相同。衛(wèi)星接收到的干擾功率與隔離距離的關(guān)系如圖5所示。

    從圖5中可以看出，兩系統(tǒng)同頻部署，衛(wèi)星仰角為15°、30°、45°時(shí)，需要的保護(hù)距離約為26.8 km、25.4 km、24.9 km。當(dāng)保護(hù)距離為10 km，衛(wèi)星仰角為15°、30°、45°時(shí)，額外干擾余量分別約為22 dB、20 dB、19 dB。由數(shù)據(jù)可以看出，兩系統(tǒng)共存需要的保護(hù)距離亦隨著FSS地球站仰角的增大而減小，需要的保護(hù)距離依舊很大。

    當(dāng)5G系統(tǒng)與FSS系統(tǒng)鄰頻部署時(shí)，5G系統(tǒng)部署半徑為10 km，最小隔離距離為0.022 km(基站天線和地球站天線高度差)，鄰道泄露比取45 dB。衛(wèi)星接收到的干擾功率與保護(hù)距離的關(guān)系如圖6所示。

    從圖6中可以看出，兩系統(tǒng)鄰頻部署，衛(wèi)星仰角為15°、30°、45°時(shí)，需要的保護(hù)距離均約為0.62 km。兩系統(tǒng)隔離距離設(shè)為一個(gè)站間距(郊區(qū)為0.9 km)時(shí)，基站對(duì)地球站的集總干擾小于干擾門限。當(dāng)隔離距離為最小值時(shí)，干擾余量約為29 dB。分析可知，在郊區(qū)場(chǎng)景下兩系統(tǒng)鄰頻部署時(shí)，需要一個(gè)站間距的隔離距離即可滿足共存要求。

4 結(jié)論

    通過(guò)上述數(shù)據(jù)可以得出，5G系統(tǒng)基站與FSS地球站同區(qū)域同頻部署時(shí)，基站對(duì)FSS地球站的干擾較大，需要約24.9~28.4 km的保護(hù)距離。兩系統(tǒng)同區(qū)域鄰頻段部署時(shí)，對(duì)FSS地球站的干擾較小，5G系統(tǒng)基站的ACLR為45 dB時(shí)，需要幾百米的保護(hù)距離。因此，可通過(guò)提高5G系統(tǒng)基站的ACLR，或者通過(guò)頻率隔離等措施實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)的鄰頻共存。

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作者信息：

李可策1，李景春2，楊文翰2，許  穎2

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津300401；2.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，北京100037）