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        Q/V頻段5G基站對NGSO星座系統(tǒng)地球站的干擾分析*

        2021-05-31 03:03:40
        電訊技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:拉遠(yuǎn)星座波束

        (國家無線電監(jiān)測中心,北京 100037)

        0 引 言

        據(jù)國際電聯(lián)(International Telecommunication Union,ITU)預(yù)測,在2020—2030年期間,移動寬帶數(shù)據(jù)流量將增加10~100倍,這必然需要大量的無線電頻譜作支撐[1]。毫米波頻段以連續(xù)頻譜資源大的優(yōu)點,在5G網(wǎng)絡(luò)未來建設(shè)中具有重要的作用,其中,37~43.5 GHz的部分頻段已被標(biāo)識為全球統(tǒng)一的5G頻段[2]。

        隨著航天技術(shù)的發(fā)展,非靜止軌道(Non-geostationary Satellite Orbit,NGSO)星座系統(tǒng)迎來了新一波發(fā)展熱潮,并且NGSO星座具有大規(guī)?;陌l(fā)展趨勢[3]。美國SpaceX公司在2015年提出Starlink計劃,擬發(fā)射42 000顆衛(wèi)星,目前已發(fā)射1 025顆衛(wèi)星,其中961顆衛(wèi)星在軌[4]。這些新興NGSO星座擬規(guī)劃使用37.5~51.4 GHz頻段,與5G毫米波系統(tǒng)存在用頻重疊。考慮到NGSO星座系統(tǒng)全球無縫覆蓋,衛(wèi)星規(guī)模大,地球站分布廣且無處不在,那么NGSO星座系統(tǒng)與5G毫米波系統(tǒng)之間將存在潛在的有害干擾。因此,在37~43.5 GHz頻段部署5G系統(tǒng)和NGSO星座系統(tǒng)之前,開展系統(tǒng)間的干擾分析尤為必要。

        目前關(guān)于NGSO星座系統(tǒng)與5G系統(tǒng)間的干擾分析的研究較少,但是靜止軌道(Geostationary Satellite Orbit,GSO)衛(wèi)星系統(tǒng)與5G系統(tǒng)間的干擾分析研究較多。文獻(xiàn)[5-7]的研究主要針對GSO系統(tǒng)和5G系統(tǒng)之間的干擾場景。在NGSO星座系統(tǒng)與5G系統(tǒng)共存的動態(tài)場景下,涉及的動態(tài)時變參數(shù)更多,鏈路距離、天線波束指向等鏈路特征均不斷變化,適用于GSO衛(wèi)星系統(tǒng)的靜態(tài)仿真方法將不再適用NGSO星座系統(tǒng),因此,上述研究對NGSO星座系統(tǒng)與5G系統(tǒng)間干擾分析的借鑒意義不大。

        為了解決上述問題,本文考慮NGSO星座系統(tǒng)衛(wèi)星位置動態(tài)時變性,建立了基于時間離散的“拉遠(yuǎn)式”和“挖洞式”的動態(tài)干擾分析模型,按照最大仰角鏈路建立策略為NGSO星座系統(tǒng)地球站建立鏈路,并通過設(shè)置不同的保護(hù)距離評估分析5G基站對NGSO星座系統(tǒng)地球站的集總干擾。

        1 系統(tǒng)建模

        1.1 系統(tǒng)特性

        1.1.1 5G毫米波系統(tǒng)特性

        考慮到NGSO衛(wèi)星點波束具有覆蓋面積大的特點,單個點波束的覆蓋直徑高達(dá)1 000 km[8],因此衛(wèi)星點波束覆蓋范圍下的5G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵⑹怯珊晷^(qū)和微小區(qū)構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?,低頻段部署的宏小區(qū)用于實現(xiàn)大面積覆蓋,毫米波頻段部署的微小區(qū)用于實現(xiàn)熱點地區(qū)覆蓋及提升系統(tǒng)容量。

        在研究5G系統(tǒng)對NGSO地球站的干擾時,對于城市微蜂窩場景,仿真時考慮15.2 km2的5G部署區(qū)域,先在仿真區(qū)域內(nèi)確定19個宏小區(qū)的拓?fù)?站間距為961 m),每個宏小區(qū)包含3個相同的六邊形扇區(qū);然后在宏小區(qū)的每個扇區(qū)內(nèi)都內(nèi)分布著2個微基站簇,在每個簇內(nèi)撒放4個微基站,并確保微基站之間的距離不小于50 m,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示,在局部區(qū)域內(nèi)共部署了456個微基站,符合WP5D工作組建議的每平方千米30個基站的仿真密度。

        圖1 局部區(qū)域內(nèi)的5G基站部署

        1.1.2 NGSO星座系統(tǒng)特性

        對于NGSO星座系統(tǒng),根據(jù)業(yè)務(wù)類型進(jìn)行分類,包括用戶波束和饋線波束兩種典型的波束,用戶波束的覆蓋面積比饋線波束的覆蓋面積小;根據(jù)波束對地覆蓋特性進(jìn)行分類,可分為固定點波束和可調(diào)點波束。固定點波束相對于衛(wèi)星固定,其特點是當(dāng)衛(wèi)星運動時,其對地覆蓋區(qū)域隨衛(wèi)星的運動而變化,使用這種點波束的系統(tǒng),地球站將會由于衛(wèi)星的運動需要從一個點波束切換到另一個點波束??烧{(diào)點波束的特點是通過調(diào)節(jié)衛(wèi)星天線,可以實現(xiàn)衛(wèi)星波束的對地覆蓋范圍保持固定。目前規(guī)劃的40 GHz頻段NGSO星座系統(tǒng)大多采用可調(diào)點波束,因此本仿真中基于可調(diào)用戶點波束進(jìn)行波束建模。

        1.2 干擾場景

        5G微基站干擾NGSO星座系統(tǒng)地球站的場景示意圖如圖2所示,O1表示NGSO星座系統(tǒng)地球站接收天線的位置,O1P為NGSO星座系統(tǒng)地球站接收天線的主瓣方向,O2表示5G微基站發(fā)射天線的位置,O2A為5G微基站指向5G用戶終端的波束主瓣方向,O1O2為從5G微基站指向NGSO星座系統(tǒng)地球站的干擾鏈路方向;ψ為干擾鏈路方向與地球站接收主瓣方向之間的離軸角;φBS為5G微基站波束主瓣水平面投影與水平線之間的夾角,即5G微基站的方位角;φBS,ES為5G微基站相對于NGSO星座系統(tǒng)地球站的方位角;θBS為5G微基站波束主瓣與其水平面投影形成的角度,即5G微基站的仰角;θBS,ES為5G微基站相對于NGSO星座系統(tǒng)地球站的仰角。

        圖2 5G微基站干擾NGSO星座系統(tǒng)地球站的場景示意圖

        1.2.1 “拉遠(yuǎn)式”拓?fù)淠P?/p>

        圖3給出了“拉遠(yuǎn)式”拓?fù)淠P停诘厍蛘疽欢ūWo(hù)距離之外的一側(cè)部署5G基站,仿真分析部署范圍內(nèi)微基站對地球站的集總干擾情況。該場景拓?fù)渲饕m用于郊區(qū)場景。

        圖3 “拉遠(yuǎn)式”拓?fù)淠P?/p>

        1.2.2 “挖洞式”拓?fù)淠P?/p>

        圖4給出了“挖洞式”拓?fù)淠P停訬GSO星座系統(tǒng)的地球站為中心,在地球站保護(hù)距離之外的四周部署5G系統(tǒng),仿真分析部署范圍內(nèi)微基站對地球站的集總干擾情況。該場景主要適用于城區(qū)或郊區(qū)場景下周圍熱點較多的情況。

        圖4 “挖洞式”拓?fù)淠P?/p>

        2 干擾分析

        2.1 天線模型

        2.1.1 5G基站天線模型

        參考建議書ITU-R M.2101[9],5G系統(tǒng)采用大規(guī)模陣列天線,通過調(diào)整陣列中的每個陣元的加權(quán)系數(shù)生成指向性強(qiáng)的波束,可使波束直接指向用戶終端。天線陣元的輻射模型見式(1)~(3):

        (1)

        (2)

        AE(φ,θ)=GE,max-min{-[AE,H(φ)+AE,V(θ)],Am}。

        (3)

        式中:AE,H和AE,V分別表示天線陣元水平和垂直方向的增益;φ和θ分別為波束的方位角和仰角;φ3 dB和θ3 dB為陣元水平/垂直半功率波束角;Am表示天線陣元前后比,反映了天線對后瓣的抑制能力;SLAv表示天線旁瓣限制;AE(φ,θ)為天線陣元的天線增益,GE,max為每個天線陣元的最大天線增益。

        考慮由NH行NV列天線陣元組成的天線陣列,通過對每個天線陣元做加權(quán)處理后再進(jìn)行疊加,可以得到特定波束i的整體天線陣列的增益AA,Beami,計算公式見式(4)~(6):

        (4)

        (5)

        sin(φi,escan)]}。

        (6)

        式中:wi,n,m為權(quán)重函數(shù),用于在水平和垂直兩個維度對波束進(jìn)行控制,假設(shè)每個天線陣元的權(quán)重幅度都相等,通過相位來控制波束使得5G基站的發(fā)送波束指向服務(wù)的用戶終端,其由天線陣列所要求的下傾角和陣元的分布間隔決定;vn,m為疊加位置矢量;dV和dH分別表示天線陣元的垂直與水平分布間隔;λ表示系統(tǒng)頻率對應(yīng)的波長;θi,etilt為5G基站指向用戶終端的天線陣列下傾角,φi,escan為5G基站指向用戶終端的天線陣列水平角,θi,etilt和φi,escan由5G基站的天線陣列面板法線方向、用戶終端的位置共同決定。

        2.1.2 NGSO地球站天線模型

        干擾分析時,NGSO地球站的天線模型參考建議書ITU-R S.1428[10],具體的輻射天線方向圖見式(7):

        (7)

        2.2 路徑損耗模型

        本文主要考慮5G基站與NGSO地球站之間的鏈路損耗和雜散損耗。其中,鏈路損耗采用自由空間模型:

        L(d)=92.5+20lg(d)+20lg(f)。

        (8)

        式中:d為地球站與5G基站間的視距,單位為km;f為工作頻率,單位為GHz。

        因為5G基站和NGSO地球站的假定天線高度都低于標(biāo)稱雜散高度,所以仿真時需要考慮雜散損耗。參考ITU-R P.2108 建議書[11]的3.2節(jié),對于地到地路徑雜散損耗,不超過p%的位置,通過以下公式計算:

        Lctt=-5lg(10-0.2Ll+10-0.2Ls)-6Q-1(p/100),

        (9)

        Ll=23.5+9.6lg(f),

        (10)

        Ls=32.98+23.9lg(d)+3lg(f)。

        (11)

        式中:Q-1(p/100)為逆補(bǔ)正態(tài)分布函數(shù);f為工作頻率,單位為GHz;d為總的路徑長度,單位為km。

        2.3 空間角度計算

        2.3.1 離軸角

        已知衛(wèi)星點波束、衛(wèi)星以及地球站的位置,地球站與衛(wèi)星的波束主瓣方向之間的離軸角采用下式計算[12]:

        (12)

        式中:des2sat、dbeam2sat和dbeam2es分別表示地球站和衛(wèi)星、點波束和衛(wèi)星以及點波束和地球站之間的距離,Re表示地球半徑,h表示衛(wèi)星軌道高度,α表示緯度,γ表示經(jīng)度,下標(biāo)u、s、b分別表示地球站、衛(wèi)星、點波束。

        2.3.2 5G基站下傾后的仰角、方位角修正

        為了減少小區(qū)間干擾,5G基站天線一般會設(shè)置物理下傾角以控制天線主瓣的覆蓋范圍。然而一旦天線物理下傾后,在天線水平面測得的仰角和方位角就不再適用,需要進(jìn)行修正。天線的仰角和方位角的物理傾角修正應(yīng)采用公式(13),詳細(xì)公式推導(dǎo)見建議書ITU-R F.1336[13]。

        (13)

        式中:θh和φh分別表示從天線位置水平面測到的仰角和方位角,β表示物理下傾角。

        2.4 集總干擾

        2.4.1 集總干擾計算

        NGSO地球站接收到來自單個5G基站的干擾功率I為

        I=P+Gtx(θBS,ES,φBS,ES)-Ltx+Grx(ψ)-Lf+ABW。

        (14)

        式中:P為5G微基站的發(fā)射功率,Gtx(θBS,ES,φBS,ES)表示基站指向NGSO地球站方向的發(fā)射天線增益,Ltx表示自由空間路徑損耗,Grx(ψ)表示NGSO地球站在離軸角ψ方向上的接收天線增益,Lf表示饋線損耗,ABW表示帶寬調(diào)節(jié)因子。

        考慮到5G系統(tǒng)具有大面積部署的特點,NGSO地球站將會受到在其周圍部署的所有5G基站的集總干擾Iagg:

        (15)

        式中:Ii表示第i個5G基站對地球站的干擾,M表示干擾5G基站總數(shù)目。

        NGSO地球站接收到來自5G基站的集總干噪比(Interference-to-Noise Ratio,INR)為

        INR=Iagg-10lg(KBT)

        (16)

        式中:K表示玻爾茲曼常數(shù),B表示NGSO星座系統(tǒng)的下行鏈路通信帶寬,T表示NGSO星座系統(tǒng)地球站天線等效噪聲溫度。

        2.4.2 干擾計算流程

        由于5G用戶終端的位置是通過隨機(jī)撒點生成的,因此5G基站的主波束指向?qū)⒕哂须S機(jī)性,需要通過在每一個仿真時刻下都對5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行多次抓拍來獲取該仿真時刻下的統(tǒng)計性結(jié)果。在每一個仿真時刻下的仿真流程如下:

        Step1 初始化5G基站和NGSO地球站相關(guān)仿真參數(shù),每次抓拍前初始化用戶終端參數(shù)。

        Step2 生成NGSO星座系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)據(jù),然后針對每個地球站進(jìn)行可見性分析,并保存每個地球站的可見性矩陣,按照最大仰角建鏈策略為地球站選擇目標(biāo)衛(wèi)星。

        Step3 按照場景拓?fù)渖蒑個5G基站,并在5G基站天線的法線方向(-60°~60°)、半徑為50 m的扇區(qū)范圍內(nèi)隨機(jī)生成3個用戶,記錄下基站的位置、基站與用戶間的仰角和方位角。

        Step4 計算5G基站與NGSO地球站的仰角和方位角,確定出5G基站指向地球站的干擾信號發(fā)送增益。

        Step5 計算NGSO地球站與5G基站的離軸角,確定NGSO地球站對干擾信號的接收增益。

        Step6 計算5G基站與NGSO地球站之間的路徑損耗。

        3 仿真與分析

        3.1 仿真參數(shù)

        以O(shè)neWeb星座系統(tǒng)為例,分析5G毫米波系統(tǒng)下行鏈路對OneWeb星座系統(tǒng)下行鏈路的干擾。

        3.1.1 NGSO星座系統(tǒng)地球站參數(shù)

        OneWeb星座有18個衛(wèi)星軌道,軌道高度為1 200 km,傾角為87.9°,每個軌道上40顆衛(wèi)星,共720顆衛(wèi)星。在ITU發(fā)布的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料數(shù)據(jù)庫中查詢,OneWeb衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料ID為119500303[14],本文選取T2E下行波束,相應(yīng)的OneWeb星座系統(tǒng)的通信參數(shù)如表1所示。

        表1 NGSO星座系統(tǒng)通信參數(shù)

        3.1.2 5G毫米波系統(tǒng)基站參數(shù)

        按照ITU WP5D工作組建議,5G毫米波系統(tǒng)的仿真參數(shù)見表2。采用表中的參數(shù),對5G微基站天線模型進(jìn)行仿真,當(dāng)微基站天線采用8×16的陣列天線時,計算得到最大陣列天線增益為26.072 1 dBi,陣列天線的三維增益方向圖如圖5所示。

        表2 用于干擾共存研究的5G系統(tǒng)參數(shù)

        圖5 陣列天線的三維增益方向圖(8×16天線陣列)

        3.2 結(jié)果與分析

        本文采用基于時間離散的動態(tài)仿真,通過對NGSO衛(wèi)星的運行軌跡進(jìn)行動態(tài)仿真,實現(xiàn)不同時刻下NGSO地球站的鏈路建立,分析仿真時間內(nèi)5G基站對NSGO地球站的干擾影響。仿真時,NGSO地球站位置為(116°E、40°N),仿真步長為60 s,仿真步數(shù)為1 440。

        當(dāng)保護(hù)距離為100 m時,基于“挖洞式”和“拉遠(yuǎn)式”兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞?G基站干擾NGSO地球站的INR累計分布曲線如圖6所示,給出了干擾強(qiáng)度的統(tǒng)計性分析結(jié)果。

        圖6 INR累計分布曲線(保護(hù)距離100 m)

        從圖6可以看出,在本文參考的特性參數(shù)下,在100%的時間內(nèi),兩種拓?fù)淠P途粫^建議書ITU-R S.1324[15]中INR=-12.2 dB的干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn),這與Q/V頻段下5G基站指向地面的天線波束的指向性更強(qiáng)有關(guān)。

        圖7給出了不同仿真時刻對應(yīng)的INR。由于NGSO地球站的天線指向具有時變性,NGSO地球站對干擾信號接收增益會不斷變化,因此NGSO地球站受到的來自5G基站的干擾將會動態(tài)變化。

        (a)“拉遠(yuǎn)式”

        針對“拉遠(yuǎn)式”仿真拓?fù)洌ㄟ^設(shè)置不同的保護(hù)距離來分析其對干擾的影響,仿真結(jié)果見圖8。如圖所示,當(dāng)保護(hù)距離減小時,由于干擾路徑的路徑損耗會變小,最終到達(dá)NGSO地球站的干擾功率將會增大;當(dāng)保護(hù)距離為50 m時,95%的時間內(nèi),干擾余量不小于15.38 dB。

        圖8 基于不同仿真參數(shù)的干擾結(jié)果比較(“拉遠(yuǎn)式”)

        4 結(jié)束語

        本文研究了5G毫米波系統(tǒng)基站對NGSO星座系統(tǒng)地球站的下行鏈路干擾場景,建立了基于時間離散的“拉遠(yuǎn)式”和“挖洞式”的動態(tài)集總干擾分析模型,以O(shè)neWeb系統(tǒng)為例仿真分析了兩種拓?fù)淠P拖录偢稍氡鹊睦鄯e分布。在“拉遠(yuǎn)式”拓?fù)淠P偷母蓴_場景下,保護(hù)距離為50 m時,95%的時間內(nèi)NGSO系統(tǒng)地球站干擾余量不小于15.38 dB,Q/V頻段5G基站與NGSO星座系統(tǒng)地球站有兼容共存的空間。以上研究可為NGSO星座系統(tǒng)的頻率規(guī)劃提供參考。下一步將重點考慮如何分析5G毫米波基站對NGSO星座系統(tǒng)衛(wèi)星的集總干擾。

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