高频段下的5G系统对地球探测卫星系统干扰共存研究

王毅 张宝菊 王为

【摘  要】为推动我国在5G系统热门候选频段24.25 GHz—27.5 GHz下的研究发展，分析5G系统在该频段下与其他系统的干扰共存问题，选取地球探测卫星系统作为研究对象，分析5G系统对该系统的干扰影响，并通过确定性计算得到了在两系统相距1.2 km处5G系统的基站天线垂直方向角和地球探测卫星系统的地球站离轴角分别与干扰功率之间的关系，以及地球站离轴角分别处于10°、30°、45°时，干扰功率与两系统隔离距离之间的关系。根据地球站的干扰保护准则并结合仿真结果，可计算得出两系统同频共存时需要保持的最小隔离距离。

【关键词】24.25 GHz—27.5 GHz;5G系统;地球探测卫星系统;大规模MIMO;隔离距离;天线角度

中图分类号：TN929.5

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2019）05-0072-06

1   引言

随着万物互联的时代即将到来，移动通信作为日常生活中不可或缺的重要场景之一，即将迎来前所未有的挑战。互联网和物联网日趋增多的用户数，以及爆炸式增长的业务量和数据量，无疑在不断地对未来移动通信系统提出更高的要求[1]。在这种环境下，第五代移动通信系统便成为了世界各国重点研发对象之一。同时国际电信联盟无线部（ITU， International Telecommunication Union）也于2015年将第五代移动通信正式命名为IMT-2020。

依据5G技术白皮书里的愿景来看，5G的研发虽然可以使得用户在未来的时间里体验到超高接入速率、超低时延、大连接数量、超高流量密度和超高移動性等多场景服务[2]，但是新的问题随之而来，那就是频谱资源的稀缺使得5G系统不得不与同频段下的一些原有业务实现同频共存，但是低频段下的业务已经过于密集，导致可利用的频谱资源相对较少。因此，ITU将目标锁定在了高频段上，并于2016年在日内瓦召开了ITU-R TG5.1工作组第一次会议，会议主要讨论如何在高频段内使5G系统与同频段下的原有业务实现共存[3]。

本文在上述背景下，重点探究了在24.25 GHz—27.5 GHz高频段下的5G业务与地球探测卫星系统的同频共存问题，分别得到了两个系统的天线角度与干扰功率之间的关系，并确定了在天线角度固定的情况下两系统不受影响时的最小隔离距离。

2   系统建模与分析方法

2.1  干扰模型

因为24.25 GHz—27.5 GHz为5G热门候选频段，而负责监测地球和大气状况的地球探测卫星（空对地）系统又是作为该频段下的重要系统之一，那么如何使得上述两系统之间实现同频共存便是一个值得进行深入研究的问题。

本文选择研究的干扰场景为24.25 GHz—27.5 GHz频段下，基于Massive-MIMO的单个5G系统基站对地球探测卫星（空对地）系统中卫星地球站的单链路干扰。其中地球探测卫星（空对地）系统中的地球站所关联的是GSO（Geostationary Orbit，静止轨道卫星）人造卫星，GSO人造卫星的特性之一是相对于地球而言一直处于静止状态，因此卫星地球站基于这种特性下的人造卫星而言，其天线俯仰角通常是相对固定不变的。干扰模型如图1所示。

2.2  天线模型

（1）5G系统基站天线模型

为了提高信号的传输效率，提高5G系统接收信号的质量，Massive-MIMO技术与波束成形技术成为了5G研究中的两大核心技术。因此，本文将在5G系统基站端采用基于Massive-MIMO的波束成形天线阵列模型[4]。

图2为一个典型的基于笛卡尔坐标系的Massive-MIMO天线几何模型。该天线模型由许多个位于yz平面等间隔（0.5倍波长）的天线阵元组成，其中dz为垂直方向阵元间隔距离，dy为水平方向阵元间隔距离，θ为天线的垂直方向角，其变化范围为0°～180°，φ为天线的水平方向角，其变化范围为-180°～180°。具体的建模公式请参见式（1）至式（6）[5]。

在式（1）至式（3）中，Am为天线前后比，SLAV为旁瓣电平极限，φ3dB与θ3dB分别为阵元水平与垂直的半功率角，天线阵元增益用GE，max表示。

式（4）至式（6）中，vm，n和wm，n分别表示转向因子和重量因子，NH与NV分别表示Massive-MIMO阵列中水平与垂直方向上的天线阵元的数量，下标m/n表示水平/垂直方向上阵元的编号，θetilt为天线的电子下倾角，φescan为天线的电子水平转向角，dv和dH分别表示水平和垂直方向上的阵元间距，ρ为相关系数，AA（φ，θ）为波束成形天线增益。

（2）地球探测卫星系统地球站天线模型

本文中的地球站天线模型将采用建议书ITU-R S.580-6[6]中的接收天线模型，具体建模过程如式（7）所示：

在上述建模过程中，地球站的接收天线增益用GR来表示，其最大增益则用Gmax来表示，ε表示地球站天线的离轴角，在本文中指的是5G系统对地球站的干扰信号方向与地球站接收天线主轴方向的夹角。εmin的大小由天线的直径D（米）与波长λ（米）的比值来决定，具体计算公式参见式（8）：

2.3  传播模型

电磁波在大气中传输时通常会伴随有一定的路径损耗，所以我们经常会用数学关系式来建立与其相对应的传播模型，表示无线电波传播损耗随各种因素所发生的变化关系。常用的传播模型有LOS模型、SPM 模型、Okumura-Hata模型、COST231-Hata模型、Walfisch-Ikegami模型、自由空间模型等[7]。本文选取的传播模型为LOS传播模型，在该模型条件下，无线电信号将无遮挡地在发射端和接收端之间进行传播。式（9）为具体的LOS传播模型关系式：

式（9）中PL0表示的是路徑损耗值，d表示的是两系统之间的传输距离，其单位为km，f表示的是电磁波工作频率，其单位为MHz，Ag表示的是大气吸收损耗，其单位为dB。

2.4  确定性计算分析方法

在探究5G基站对卫星地球站的同频干扰时，通常用到的典型干扰场景有两种。第一种是单链路干扰，即一个5G基站对一个卫星地球站的干扰。第二种是集总干扰，即多个5G基站对一个卫星地球站的干扰，集总干扰又可以分为挖洞式和拉远式。因为本文所选取的确定性干扰分析方法基于单链路干扰模型，所以对集总干扰不再做过多赘述。具体的单链路干扰计算式参见式（10）：

式（10）中I表示卫星地球站接收机接收到的干扰功率（dBm），Pt为5G系统的总发射功率（dB），AA（φ，θ）为5G发射机波束成形天线增益，GR为地球站接收机天线增益，PL0为自由空间路径损耗，LT为5G发射机馈线损耗（dB），LP为极化损耗（dB），CL为地物损耗（dB）。其中5G系统总发射功率Pt具体计算式参见式（11）[8]。通过式（10）的计算，我们可以得出在不同距离下，5G基站天线和地球站天线分别处于不同俯仰角和水平角时，5G系统对地球探测卫星系统的单链路干扰功率。从而可以进一步分析出在一定条件下，5G系统对地球探测卫星系统不产生干扰时的最小隔离距离。

式（11）中GSINGLE代表的是单根天线的发射功率，NH与NV分别表示y轴阵列天线的数目与z轴阵列天线的数目。

3   仿真实验与结果分析

3.1  仿真实验参数

（1）5G系统基站参数

本文根据ITU-R WP5D研究报告[9]以及建议书ITU-R M.2101[10]得到24.25 GHz—27.5 GHz下的5G系统基站参数如表1所示：

（2）地球探测卫星系统地球站参数

本文参考ITU-R WP7B发给TG5/1的联络函，得到地球探测卫星系统接收特性参数如表2所示。

3.2  仿真实验

本文仿真实验是基于Matlab 2014b平台所完成，首先探究了两系统在相距1.2 km并处于同一水平面时，5G系统的天线垂直方向角对干扰功率的影响。根据式（11）与表1的参数，我们可求得8×8阵列天线下的5G基站系统总发射功率Pt，接着算出在1.2 km处电磁波的路径损耗PL0，所求结果参见式（12）与式（13）。最后再根据式（1）～式（6）、式（10）以及表1的参数，结合式（12）与式（13）的结果，在保持5G基站天线水平方向角不变（本文将水平方向角φ设置为0°）和卫星地球站离轴角处于10°的前提下，求得5G基站天线垂直方向角与干扰功率之间的变化关系，具体仿真结果如图3所示。

从图3中可以看出，在两系统相距1.2 km的条件下，当5G基站天线垂直方向角为90°时，5G系统对卫星地球站的干扰功率最大，此时可以计算得出该角度下的天线增益也最大，且值为23 dBi。

同理，我们也可以根据式（7） ～式（8）、式（13）以及表2的参数，在5G基站天线垂直方向角处于90°时，得出两系统在相距1.2 km处地球站离轴角与干扰功率之间的变化关系，具体仿真结果如图4所示：

从图4中我们可以看出，在一定角度范围内，随着卫星地球站离轴角越高，受到5G基站的干扰功率越小。这是因为地球站离轴角越高，其接收天线在5G干扰信号方向上的增益越小，那么此时受到的干扰也会越小。

与此同时，本文还探究了当5G基站天线的垂直方向角与卫星地球站的离轴角都固定时（本文将基站天线垂直方向角设置为90°，卫星地球站离轴角设置为10°），两系统之间的隔离距离与干扰功率之间的关系。并根据卫星地球站的最大干扰门限得出了5G系统对卫星地球站系统不产生干扰时所对应的最小安全隔离距离。最后，本文对比了当基站天线垂直方向角固定不变时（θ=90°），地球站离轴角分别处于10°、30°、45°下的隔离距离与干扰功率之间的关系。具体仿真图如5和图6所示。

从图5中可以观察得到，在两系统天线角度处于固定不变的情况下，5G基站对卫星地球站的干扰功率随着两系统之间的隔离距离的增加呈现出单调递减的趋势。当隔离距离大于2.3 km时，干扰功率低于地球站最大干扰门限，此时5G基站对卫星地球站不产生同频干扰。同时通过对比图6的三条曲线，我们还可以得出在5G基站天线垂直方向角固定不变时（θ=90°），地球站在受到同样大小干扰功率的情况下，其离轴角越小，两系统间的隔离距离越大，且离轴角分别处于10°、30°、45°时，5G基站不对地球站产生同频干扰时的最小安全隔离距离分别为2.3 km、0.6 km、0.4 km。

4   结束语

针对24.25 GHz—27.5 GHz下的5G系统与地球探测卫星系统同频共存问题，本文探究了在一定条件下两系统天线各自的俯仰角对干扰信号功率的影响。与此同时，在两系统天线俯仰角一定的情况下（基站天线垂直方向角设置为90°，卫星地球站天线离轴角设置为10°），根据地球站参数中的最大干扰门限，得到了卫星地球站不受5G基站干扰影响时的最小隔离距离为2.3 km。最后仿真计算得出在基站天线垂直方向角不变（θ=90°），地球站天线离轴角分别处于10°、30°、45°下的最小安全隔离距离为2.3 km、0.6 km以及0.4 km。

参考文献：

[1] SEXTON C， KAMINSKI N J， MARQUEZ-BARJA J M， et al. 5G： adaptable networks enabled by versatile radio access technologies[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2017，19（2）： 688-720.

[2] AGIWAL M， ROY A， SAXENA N. Next generation 5G wireless networks： a comprehensive survey[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2016，18（3）： 1617-1655.

[3] 朱禹濤，朱颖. WRC-15会议进展及展望[J]. 电信网技术， 2016（3）： 1-4.

[4] WANG CX， Ha ider F， Gao X， et al. Cellular architecture and key technologies for 5G wireless communication networks[J]. IEEE Communications Magazine， 2014，52（2）： 122-130.

[5] HASSAN W A， JO H S， THAREK A R. The feasibility of coexistence between 5G and existing services in the 5G candidate bands in Malaysia[J]. IEEE Access， 2017（5）： 14867-14888.

[6] ITU-R S.580-6. Radiation diagrams for use as design objectives for antennas of earth stations operating with geostationary satellites， Recommendation[R]. 2004.

[7] 赵明峰. LTE 传播模型浅析[J]. 电信科学， 2013（9）： 117-121.

[8] 李新利. 3-6GHz频段5G系统对异系统的干扰研究[D]. 北京： 北京邮电大学， 2018.

[9] ITU-R. Characteristics of terrestrial IMT systems for frequency sharing interference analyses in the frequency range between 24.25 GHz and 86 GHz[R]. 2017.

[10] ITU-R M.2101-0. Modelling and simulation of IMT networks and systems for use in sharing and compatibility studies[R]. 2017.