苗欣欣，關(guān) 馨，楊明川

(哈爾濱工業(yè)大學 電子與信息工程學院，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引言

通信技術(shù)日新月異，第五代移動通信技術(shù)(5G)將支持高速率、低延遲和大規(guī)模的訪問服務(wù)，以增強系統(tǒng)的總體性能[1-2]。世界無線電通信大會(WRC-15)將毫米波段確定為5G無線電業(yè)務(wù)的可用頻段[3]。其中3 400～3 600 MHz頻段是5G系統(tǒng)推出的最重要的候選頻段之一[4]。而3 400～4 200 MHz頻段在全球范圍內(nèi)主要分配給衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)(Fixed- Satellite Service,FSS)使用，雖然大多數(shù)FSS地面站工作在3 700～4 200 MHz頻段，但由于它們通常配備3 400～4 200 MHz頻段的低噪聲模塊變頻器(LNB)[5]，導致FSS地面站將受到來自5G系統(tǒng)的同頻段干擾。 因此，如何最小化5G系統(tǒng)與FSS之間的同頻干擾已成為在該頻段內(nèi)大規(guī)模部署5G系統(tǒng)的前提。

目前，國內(nèi)外針對FSS地面站與5G系統(tǒng)之間的共存問題已經(jīng)開展了多項研究。對于低于6 GHz的系統(tǒng)共存，F(xiàn)CC開發(fā)了一個包括雷達和固定衛(wèi)星服務(wù)地球站(FES)的3.55～3.7 GHz共享框架[6]。在此基礎(chǔ)上，文獻[7]利用蒙特卡羅模擬法評估了5G 干擾基站的分布情況，通過對3.8 GHz頻段下5G基站對FSS地球站下行鏈路的干擾分析，得到5G系統(tǒng)和FSS地球站之間所需的保護距離。文獻[8]介紹了幾種不需要在2個系統(tǒng)之間進行協(xié)調(diào)的被動緩解技術(shù)，提出了一個關(guān)于密集城區(qū)FES干擾的案例研究，研究結(jié)果表明，當FES與5G系統(tǒng)距離非常接近時，同頻道部署可能會成為一大難題。

本文主要研究3 400～3 600 MHz波段上5G系統(tǒng)對FES下行鏈路的干擾情況，其中FES僅工作于接收模式。由于5G基站(BS)的發(fā)射功率遠大于5G用戶設(shè)備(UE)，因此BS對FES的干擾遠大于UE對FES的干擾。本文主要以5G基站對FSS地球站的干擾情況為主，通過干擾場景模擬、系統(tǒng)模型假設(shè)以及干擾仿真分析，最終確定5G BS對FES的主要干擾因素。

1 干擾場景與分析方法

1.1 干擾場景

5G系統(tǒng)與FSS系統(tǒng)間存在的主要干擾有4種：① 5G 基站對FSS地球站的干擾；② 5G 用戶設(shè)備對FSS地球站的干擾；③ FSS衛(wèi)星對5G 基站的干擾；④ FSS衛(wèi)星對5G 用戶設(shè)備的干擾[9]。針對這4種干擾情況，圖1給出了5G系統(tǒng)與FSS地球站間的干擾示意圖。

圖1 5G系統(tǒng)與 FSS地球站間的干擾示意圖

圖1的干擾分為2種情況：① 當FSS系統(tǒng)下行鏈路與地面5G系統(tǒng)下行鏈路工作頻率一致且均為f時,5G用戶設(shè)備除接收來自基站發(fā)射的有用信號外，還將接收到來自衛(wèi)星的干擾信號；FSS地球站除接收衛(wèi)星發(fā)射的有用信號外，還將接收到來自5G基站的干擾信號。由于基站的發(fā)射功率較大，導致FSS地球站受到的干擾較為嚴重。② 當FSS系統(tǒng)下行鏈路與地面5G系統(tǒng)上行鏈路工作頻率一致且均為F時,5G基站除接收來自5G用戶設(shè)備發(fā)射的有用信號外，還將接收到來自衛(wèi)星的干擾信號；FSS地球站除接收衛(wèi)星發(fā)射的有用信號外，還將接收到來自5G用戶設(shè)備的干擾信號。

5G系統(tǒng)對FSS地球站的干擾主要源于5G用戶設(shè)備和5G基站，但由于5G基站的發(fā)射功率遠高于5G用戶設(shè)備，因此基站對FSS地球站造成的干擾遠大于5G用戶。下面主要展開5G基站對FSS地球站干擾場景的研究。

根據(jù)目前5G網(wǎng)絡(luò)的部署情況，5G基站數(shù)目眾多且分布密集。當FSS地球站接收到的基站干擾信號強度大于其預設(shè)的門限值時，F(xiàn)SS地球站的LNB飽和并出現(xiàn)非線性失真[5]。在此情況下，F(xiàn)SS地球站將無法正常工作。5G基站與FSS地球站的分布拓撲圖如圖2所示，其中5G基站以環(huán)形均勻地分布在FSS地球站的周圍。

圖2 5G基站與FSS地球站的分布拓撲圖

單個5G基站對FSS地球站的干擾模型如圖3所示。其中O和A分別代表FSS地球站和5G基站的位置，矢量OM，AO表示地球站天線的主軸和5G基站對FSS地球站的干擾方向?！螹ON是FSS地球站的仰角，∠MOA是干擾方向與地球站主軸之間的空間離軸角[7]。

圖3 5G單站對FSS地球站的干擾模型

1.2 干擾分析

本文采用ITU-R M.2101建議書的方法來評估5G基站對FSS地球站的干擾。由于通信系統(tǒng)的用戶位置時刻變化，為了近似模擬實際通信系統(tǒng)的運行狀態(tài)，本文利用蒙特卡渃算法將整個系統(tǒng)劃分為多個時間片段進行抓拍取樣，之后根據(jù)系統(tǒng)的干擾場景、天線模型、路徑損耗模型及傳播模型等完成系統(tǒng)仿真，具體分析流程如圖4所示。

圖4 5G基站與FSS地球站間干擾分析流程

假設(shè)只考慮5G基站對FSS地球站的同頻干擾，造成干擾的原因主要在于FSS地球站的仰角、5G基站的干擾功率以及5G基站的干擾數(shù)量。因此，F(xiàn)SS地球站接收到一個5G基站的干擾功率為：

(1)

式中，PT,5G為5G基站的發(fā)射功率，G5G為5G基站的天線增益，GFES為FSS地球站的接收天線增益，PL5G,FES為5G基站與FSS地球站之間的路徑損耗，θBS,FES為基站到用戶方向與基站到FSS地球站方向之間的夾角，θFES,BS為衛(wèi)星到FSS地球站方向與基站到FSS地球站方向之間的夾角。

考慮來自多個5G基站的干擾時，F(xiàn)SS地球站接收到的干擾功率可由式(2)計算：

(2)

式中，Iagg為FSS地球站接收到的5G基站所發(fā)射的集總干擾功率，In為第n個5G基站發(fā)射的干擾功率。

2 系統(tǒng)模型及參數(shù)

2.1 系統(tǒng)模型

5G系統(tǒng)的基站和終端都采用大規(guī)模MIMO技術(shù)，通過調(diào)整天線陣列的波束方向來增加在目標方向上的增益，而減小其他方向的增益。在仿真中，5G基站采用ITU-R M.2101建議書的8×8單元陣列天線模型[10]。FSS地球站采用ITU-R S.465建議書的天線模型[11]，其中FSS地球站的天線增益與空間離軸角的關(guān)系為：

(3)

其中，

(4)

式中，φ為干擾方向與地球站主軸之間的空間離軸角，φmin為最小偏離軸線角，D/λ為天線半徑與波長之比。FSS地球站的天線接收增益G與空間離軸角φ之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 FSS地球站天線增益仿真圖(ITU-R S.465模型)

由圖5可以看出，隨著5G基站的干擾方向逐漸偏離FSS地球站的主軸方向，F(xiàn)SS地球站的天線對基站干擾信號的接收增益呈迅速下降的趨勢，在離軸角大于48°的情況下增益為-10 dB。當頻點為3 600 MHz，F(xiàn)SS地球站天線的直徑為2.4 m時，由式(4)可計算出最小離軸角約為3°，F(xiàn)SS地球站的接收天線增益約為20 dB。

5G基站與FSS地球站之間的傳播損耗主要是鏈路損耗，對于鏈路損耗采用自由空間傳播模型，損耗計算為式(5)：

L(d)=92.5+20lg(d)+20lg(f)，

(5)

式中，d為5G基站發(fā)射機與FSS接收機之間的視距，單位為km。f為工作頻率，單位為GHz。

2.2 系統(tǒng)參數(shù)

5G系統(tǒng)根據(jù)ITU-R M.2101建議書確定的主要參數(shù)如表1所示。

表1 5G系統(tǒng)參數(shù)

參數(shù)5G BSUE頻段/MHz3 400^3 600 小區(qū)半徑/m300天線模型ITU-R M.2101發(fā)射功率/dBm50^6023天線高度/m201.5天線下傾角10°-天線規(guī)格64(8×8)4(2×2)天線陣子增益/dBi55水平/垂直3dB寬度65°90°水平/垂直前后比3025FSS噪聲系數(shù)/dB59

FSS地球站系統(tǒng)根據(jù)ITU-R的相關(guān)建議書確定的主要參數(shù)如表2所示。

表2 FSS地球站系統(tǒng)參數(shù)

參數(shù)FSS地球站頻段/MHz3 400^3 600 天線模型ITU-R S.465-6天線高度/m22天線直徑/m2.4天線增益/dBi20天線離軸角5°/10°/20°/30°/50°干擾門限/dBI/N = -12.2接收噪聲電平值-118.6 dBm(10 lg KTB,T=100K,B=1 MHz)

3 系統(tǒng)仿真

根據(jù)上述的系統(tǒng)參數(shù)，本文主要仿真城區(qū)場景的同頻干擾情況。仿真過程中，5G基站的發(fā)射功率取50～60 dBm，F(xiàn)SS地球站與5G基站間的保護距離初設(shè)為5 km，當來自基站的集總干擾超過規(guī)定的干擾門限(I/N=-12.2 dB)時，逐漸增大保護距離直至50 km。5G基站對FSS地球站的干擾噪聲比與保護距離之間的關(guān)系如圖6所示。

圖6 FSS地球站接收到的干擾噪聲比與保護距離的關(guān)系

由圖6可以看出，F(xiàn)SS地球站天線主波束的方向與基站干擾信號之間的離軸角越大，衛(wèi)星與5G系統(tǒng)間共存所需的保護距離越小。當空間離軸角為5°，10°，20°，30°，50°時，F(xiàn)SS地球站與5G基站之間所需的保護距離分別約為：大于50，46，29，18.5，12 km。若考慮95%的干擾門限標準，當保護距離為10 km時，除50°離軸角的地球站外，其他所有FSS地球站都無法滿足條件。因此，增大FSS地球站天線主軸與基站干擾信號間的夾角或增大保護距離，都可以減小5G基站對FSS地球站的干擾。

基站與FSS地球站之間的保護距離為20 km時，5G基站數(shù)量與FSS地球站干擾噪聲比的關(guān)系如圖7所示。由圖7可以看出，當FSS地球站接收到的干擾噪聲值達到標準干擾門限時，空間離軸角為10°，15°，20°，25°的FSS地球站最多能容納的基站數(shù)目分別約為100，270，500，900個。角度越大，F(xiàn)SS地球站所能容納的基站數(shù)目就越多。但隨著5G基站數(shù)目的增多，產(chǎn)生的干擾噪聲比越高，F(xiàn)SS地球站受到干擾程度就越大。因此，合理安排和控制5G基站的數(shù)量是減小對FSS地球站干擾的重要手段之一。

圖7 FSS地球站接收到的干擾噪聲比與5G基站數(shù)目的關(guān)系

圖8給出了FSS地球站接收干擾噪聲比與5G基站及保護距離之間的關(guān)系。當5G基站發(fā)射功率為50，53，55，57，59 dBm時，兩系統(tǒng)間需要的保護距離分別約為5，7，11，16，25 km。

圖8 FSS干擾噪聲比與5G基站發(fā)射功率之間的關(guān)系

由圖8可以看出，5G基站的發(fā)射功率越高，系統(tǒng)所需的保護距離越大，對FSS地球站產(chǎn)生的干擾程度越強，越不利于衛(wèi)星與5G系統(tǒng)的共存。為了盡可能減少此類情況對FSS系統(tǒng)的影響，就需要對5G基站的設(shè)計提出更高的要求。

4 結(jié)束語

對于衛(wèi)星與5G系統(tǒng)的干擾共存問題，本文對3 400～3 600 MHz頻段內(nèi)5G和FSS地球站之間的共存場景進行了干擾分析。 在同信道干擾下，僅考慮5G基站對FSS地球站的干擾情況。通過對FSS接收端的干擾噪聲比性能仿真得出，若要滿足FSS 地球站的干擾門限標準，系統(tǒng)間至少需要15～20 km的保護距離。并且5G對FSS系統(tǒng)的干擾不僅在于FSS地球站天線主軸與5G基站干擾信號之間的夾角，還取決于5G基站的數(shù)目和發(fā)射功率。