(國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，北京 100037)

0 引 言

據(jù)國(guó)際電聯(lián)(International Telecommunication Union,ITU)預(yù)測(cè)，在2020—2030年期間，移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)流量將增加10～100倍，這必然需要大量的無(wú)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(diǎn)，在5G網(wǎng)絡(luò)未來(lái)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(shí)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(lái)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(shì)[3]。美國(guó)SpaceX公司在2015年提出Starlink計(jì)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?？紤]到NGSO星座系統(tǒng)全球無(wú)縫覆蓋，衛(wèi)星規(guī)模大，地球站分布廣且無(wú)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(kāi)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(duì)GSO系統(tǒng)和5G系統(tǒng)之間的干擾場(chǎng)景。在NGSO星座系統(tǒng)與5G系統(tǒng)共存的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下，涉及的動(dòng)態(tài)時(shí)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(duì)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(wèn)題，本文考慮NGSO星座系統(tǒng)衛(wèi)星位置動(dòng)態(tài)時(shí)變性，建立了基于時(shí)間離散的“拉遠(yuǎn)式”和“挖洞式”的動(dòng)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(guò)設(shè)置不同的保護(hù)距離評(píng)估分析5G基站對(duì)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(diǎn)波束具有覆蓋面積大的特點(diǎn)，單個(gè)點(diǎn)波束的覆蓋直徑高達(dá)1 000 km[8]，因此衛(wèi)星點(diǎn)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(shí)現(xiàn)大面積覆蓋，毫米波頻段部署的微小區(qū)用于實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)地區(qū)覆蓋及提升系統(tǒng)容量。

在研究5G系統(tǒng)對(duì)NGSO地球站的干擾時(shí)，對(duì)于城市微蜂窩場(chǎng)景，仿真時(shí)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(gè)宏小區(qū)的拓?fù)?站間距為961 m)，每個(gè)宏小區(qū)包含3個(gè)相同的六邊形扇區(qū)；然后在宏小區(qū)的每個(gè)扇區(qū)內(nèi)都內(nèi)分布著2個(gè)微基站簇，在每個(gè)簇內(nèi)撒放4個(gè)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(gè)微基站，符合WP5D工作組建議的每平方千米30個(gè)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(duì)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(duì)地覆蓋特性進(jìn)行分類，可分為固定點(diǎn)波束和可調(diào)點(diǎn)波束。固定點(diǎn)波束相對(duì)于衛(wèi)星固定，其特點(diǎn)是當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)時(shí)，其對(duì)地覆蓋區(qū)域隨衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)而變化，使用這種點(diǎn)波束的系統(tǒng)，地球站將會(huì)由于衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)需要從一個(gè)點(diǎn)波束切換到另一個(gè)點(diǎn)波束?？烧{(diào)點(diǎn)波束的特點(diǎn)是通過(guò)調(diào)節(jié)衛(wèi)星天線，可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星波束的對(duì)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(diǎn)波束，因此本仿真中基于可調(diào)用戶點(diǎn)波束進(jìn)行波束建模。

1.2 干擾場(chǎng)景

5G微基站干擾NGSO星座系統(tǒng)地球站的場(chǎng)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(duì)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(duì)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(chǎng)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?，在地球站一定保護(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(duì)地球站的集總干擾情況。該場(chǎng)景拓?fù)渲饕m用于郊區(qū)場(chǎng)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?，以NGSO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(duì)地球站的集總干擾情況。該場(chǎng)景主要適用于城區(qū)或郊區(qū)場(chǎng)景下周圍熱點(diǎn)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(shū)ITU-R M.2101[9]，5G系統(tǒng)采用大規(guī)模陣列天線，通過(guò)調(diào)整陣列中的每個(gè)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(jiàn)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(duì)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(gè)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(guò)對(duì)每個(gè)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(jì)算公式見(jiàn)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(gè)維度對(duì)波束進(jìn)行控制，假設(shè)每個(gè)天線陣元的權(quán)重幅度都相等，通過(guò)相位來(lái)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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)；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(shí)，NGSO地球站的天線模型參考建議書(shū)ITU-R S.1428[10]，具體的輻射天線方向圖見(jiàn)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?yàn)?G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(shí)需要考慮雜散損耗。參考ITU-R P.2108 建議書(shū)[11]的3.2節(jié)，對(duì)于地到地路徑雜散損耗，不超過(guò)p%的位置，通過(guò)以下公式計(jì)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(zhǎng)度，單位為km。

2.3 空間角度計(jì)算

2.3.1 離軸角

已知衛(wèi)星點(diǎn)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(jì)算[12]：

(12)

式中：des2sat、dbeam2sat和dbeam2es分別表示地球站和衛(wèi)星、點(diǎn)波束和衛(wèi)星以及點(diǎn)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(diǎn)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(huì)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(cè)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(jiàn)建議書(shū)ITU-R F.1336[13]。

(13)

式中：θh和φh分別表示從天線位置水平面測(cè)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(jì)算

NGSO地球站接收到來(lái)自單個(gè)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(diǎn)，NGSO地球站將會(huì)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(gè)5G基站對(duì)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(lái)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(jì)算流程

由于5G用戶終端的位置是通過(guò)隨機(jī)撒點(diǎn)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(guò)在每一個(gè)仿真時(shí)刻下都對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行多次抓拍來(lái)獲取該仿真時(shí)刻下的統(tǒng)計(jì)性結(jié)果。在每一個(gè)仿真時(shí)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(duì)每個(gè)地球站進(jìn)行可見(jiàn)性分析，并保存每個(gè)地球站的可見(jiàn)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?qǐng)鼍巴負(fù)渖蒑個(gè)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(gè)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(jì)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(hào)發(fā)送增益。

Step5 計(jì)算NGSO地球站與5G基站的離軸角，確定NGSO地球站對(duì)干擾信號(hào)的接收增益。

Step6 計(jì)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(duì)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(gè)衛(wèi)星軌道，軌道高度為1 200 km，傾角為87.9°，每個(gè)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(kù)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(jiàn)表2。采用表中的參數(shù)，對(duì)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(shí)，計(jì)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(shí)間離散的動(dòng)態(tài)仿真，通過(guò)對(duì)NGSO衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)刻下NGSO地球站的鏈路建立，分析仿真時(shí)間內(nèi)5G基站對(duì)NSGO地球站的干擾影響。仿真時(shí)，NGSO地球站位置為(116°E、40°N)，仿真步長(zhǎng)為60 s，仿真步數(shù)為1 440。

當(dāng)保護(hù)距離為100 m時(shí)，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(jì)分布曲線如圖6所示，給出了干擾強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)性分析結(jié)果。

圖6 INR累計(jì)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(shí)間內(nèi)，兩種拓?fù)淠Ｐ途粫?huì)超過(guò)建議書(shū)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(shí)刻對(duì)應(yīng)的INR。由于NGSO地球站的天線指向具有時(shí)變性，NGSO地球站對(duì)干擾信號(hào)接收增益會(huì)不斷變化，因此NGSO地球站受到的來(lái)自5G基站的干擾將會(huì)動(dòng)態(tài)變化。

(a)“拉遠(yuǎn)式”

針對(duì)“拉遠(yuǎn)式”仿真拓?fù)?，通過(guò)設(shè)置不同的保護(hù)距離來(lái)分析其對(duì)干擾的影響，仿真結(jié)果見(jiàn)圖8。如圖所示，當(dāng)保護(hù)距離減小時(shí)，由于干擾路徑的路徑損耗會(huì)變小，最終到達(dá)NGSO地球站的干擾功率將會(huì)增大；當(dāng)保護(hù)距離為50 m時(shí)，95%的時(shí)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(yǔ)

本文研究了5G毫米波系統(tǒng)基站對(duì)NGSO星座系統(tǒng)地球站的下行鏈路干擾場(chǎng)景，建立了基于時(shí)間離散的“拉遠(yuǎn)式”和“挖洞式”的動(dòng)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(chǎng)景下，保護(hù)距離為50 m時(shí)，95%的時(shí)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(diǎn)考慮如何分析5G毫米波基站對(duì)NGSO星座系統(tǒng)衛(wèi)星的集總干擾。