FSS与5G系统在C波段的同频干扰分析

苗欣欣，关 馨，杨明川

(哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨150001)

0 引言

通信技术日新月异，第五代移动通信技术(5G)将支持高速率、低延迟和大规模的访问服务，以增强系统的总体性能[1-2]。世界无线电通信大会(WRC-15)将毫米波段确定为5G无线电业务的可用频段[3]。其中3 400～3 600 MHz频段是5G系统推出的最重要的候选频段之一[4]。而3 400～4 200 MHz频段在全球范围内主要分配给卫星固定业务(Fixed- Satellite Service,FSS)使用，虽然大多数FSS地面站工作在3 700～4 200 MHz频段，但由于它们通常配备3 400～4 200 MHz频段的低噪声模块变频器(LNB)[5]，导致FSS地面站将受到来自5G系统的同频段干扰。 因此，如何最小化5G系统与FSS之间的同频干扰已成为在该频段内大规模部署5G系统的前提。

目前，国内外针对FSS地面站与5G系统之间的共存问题已经开展了多项研究。对于低于6 GHz的系统共存，FCC开发了一个包括雷达和固定卫星服务地球站(FES)的3.55～3.7 GHz共享框架[6]。在此基础上，文献[7]利用蒙特卡罗模拟法评估了5G 干扰基站的分布情况，通过对3.8 GHz频段下5G基站对FSS地球站下行链路的干扰分析，得到5G系统和FSS地球站之间所需的保护距离。文献[8]介绍了几种不需要在2个系统之间进行协调的被动缓解技术，提出了一个关于密集城区FES干扰的案例研究，研究结果表明，当FES与5G系统距离非常接近时，同频道部署可能会成为一大难题。

本文主要研究3 400～3 600 MHz波段上5G系统对FES下行链路的干扰情况，其中FES仅工作于接收模式。由于5G基站(BS)的发射功率远大于5G用户设备(UE)，因此BS对FES的干扰远大于UE对FES的干扰。本文主要以5G基站对FSS地球站的干扰情况为主，通过干扰场景模拟、系统模型假设以及干扰仿真分析，最终确定5G BS对FES的主要干扰因素。

1 干扰场景与分析方法

1.1 干扰场景

5G系统与FSS系统间存在的主要干扰有4种：① 5G 基站对FSS地球站的干扰；② 5G 用户设备对FSS地球站的干扰；③ FSS卫星对5G 基站的干扰；④ FSS卫星对5G 用户设备的干扰[9]。针对这4种干扰情况，图1给出了5G系统与FSS地球站间的干扰示意图。

图1 5G系统与 FSS地球站间的干扰示意图

图1的干扰分为2种情况：① 当FSS系统下行链路与地面5G系统下行链路工作频率一致且均为f时,5G用户设备除接收来自基站发射的有用信号外，还将接收到来自卫星的干扰信号；FSS地球站除接收卫星发射的有用信号外，还将接收到来自5G基站的干扰信号。由于基站的发射功率较大，导致FSS地球站受到的干扰较为严重。② 当FSS系统下行链路与地面5G系统上行链路工作频率一致且均为F时,5G基站除接收来自5G用户设备发射的有用信号外，还将接收到来自卫星的干扰信号；FSS地球站除接收卫星发射的有用信号外，还将接收到来自5G用户设备的干扰信号。

5G系统对FSS地球站的干扰主要源于5G用户设备和5G基站，但由于5G基站的发射功率远高于5G用户设备，因此基站对FSS地球站造成的干扰远大于5G用户。下面主要展开5G基站对FSS地球站干扰场景的研究。

根据目前5G网络的部署情况，5G基站数目众多且分布密集。当FSS地球站接收到的基站干扰信号强度大于其预设的门限值时，FSS地球站的LNB饱和并出现非线性失真[5]。在此情况下，FSS地球站将无法正常工作。5G基站与FSS地球站的分布拓扑图如图2所示，其中5G基站以环形均匀地分布在FSS地球站的周围。

图2 5G基站与FSS地球站的分布拓扑图

单个5G基站对FSS地球站的干扰模型如图3所示。其中O和A分别代表FSS地球站和5G基站的位置，矢量OM，AO表示地球站天线的主轴和5G基站对FSS地球站的干扰方向。∠MON是FSS地球站的仰角，∠MOA是干扰方向与地球站主轴之间的空间离轴角[7]。

图3 5G单站对FSS地球站的干扰模型

1.2 干扰分析

本文采用ITU-R M.2101建议书的方法来评估5G基站对FSS地球站的干扰。由于通信系统的用户位置时刻变化，为了近似模拟实际通信系统的运行状态，本文利用蒙特卡渃算法将整个系统划分为多个时间片段进行抓拍取样，之后根据系统的干扰场景、天线模型、路径损耗模型及传播模型等完成系统仿真，具体分析流程如图4所示。

图4 5G基站与FSS地球站间干扰分析流程

假设只考虑5G基站对FSS地球站的同频干扰，造成干扰的原因主要在于FSS地球站的仰角、5G基站的干扰功率以及5G基站的干扰数量。因此，FSS地球站接收到一个5G基站的干扰功率为：

(1)

式中，PT,5G为5G基站的发射功率，G5G为5G基站的天线增益，GFES为FSS地球站的接收天线增益，PL5G,FES为5G基站与FSS地球站之间的路径损耗，θBS,FES为基站到用户方向与基站到FSS地球站方向之间的夹角，θFES,BS为卫星到FSS地球站方向与基站到FSS地球站方向之间的夹角。

考虑来自多个5G基站的干扰时，FSS地球站接收到的干扰功率可由式(2)计算：

(2)

式中，Iagg为FSS地球站接收到的5G基站所发射的集总干扰功率，In为第n个5G基站发射的干扰功率。

2 系统模型及参数

2.1 系统模型

5G系统的基站和终端都采用大规模MIMO技术，通过调整天线阵列的波束方向来增加在目标方向上的增益，而减小其他方向的增益。在仿真中，5G基站采用ITU-R M.2101建议书的8×8单元阵列天线模型[10]。FSS地球站采用ITU-R S.465建议书的天线模型[11]，其中FSS地球站的天线增益与空间离轴角的关系为：

(3)

其中，

(4)

式中，φ为干扰方向与地球站主轴之间的空间离轴角，φmin为最小偏离轴线角，D/λ为天线半径与波长之比。FSS地球站的天线接收增益G与空间离轴角φ之间的关系如图5所示。

图5 FSS地球站天线增益仿真图(ITU-R S.465模型)

由图5可以看出，随着5G基站的干扰方向逐渐偏离FSS地球站的主轴方向，FSS地球站的天线对基站干扰信号的接收增益呈迅速下降的趋势，在离轴角大于48°的情况下增益为-10 dB。当频点为3 600 MHz，FSS地球站天线的直径为2.4 m时，由式(4)可计算出最小离轴角约为3°，FSS地球站的接收天线增益约为20 dB。

5G基站与FSS地球站之间的传播损耗主要是链路损耗，对于链路损耗采用自由空间传播模型，损耗计算为式(5)：

L(d)=92.5+20lg(d)+20lg(f)，

(5)

式中，d为5G基站发射机与FSS接收机之间的视距，单位为km。f为工作频率，单位为GHz。

2.2 系统参数

5G系统根据ITU-R M.2101建议书确定的主要参数如表1所示。

表1 5G系统参数

参数5G BSUE频段/MHz3 400^3 600 小区半径/m300天线模型ITU-R M.2101发射功率/dBm50^6023天线高度/m201.5天线下倾角10°-天线规格64(8×8)4(2×2)天线阵子增益/dBi55水平/垂直3dB宽度65°90°水平/垂直前后比3025FSS噪声系数/dB59

FSS地球站系统根据ITU-R的相关建议书确定的主要参数如表2所示。

表2 FSS地球站系统参数

参数FSS地球站频段/MHz3 400^3 600 天线模型ITU-R S.465-6天线高度/m22天线直径/m2.4天线增益/dBi20天线离轴角5°/10°/20°/30°/50°干扰门限/dBI/N = -12.2接收噪声电平值-118.6 dBm(10 lg KTB,T=100K,B=1 MHz)

3 系统仿真

根据上述的系统参数，本文主要仿真城区场景的同频干扰情况。仿真过程中，5G基站的发射功率取50～60 dBm，FSS地球站与5G基站间的保护距离初设为5 km，当来自基站的集总干扰超过规定的干扰门限(I/N=-12.2 dB)时，逐渐增大保护距离直至50 km。5G基站对FSS地球站的干扰噪声比与保护距离之间的关系如图6所示。

图6 FSS地球站接收到的干扰噪声比与保护距离的关系

由图6可以看出，FSS地球站天线主波束的方向与基站干扰信号之间的离轴角越大，卫星与5G系统间共存所需的保护距离越小。当空间离轴角为5°，10°，20°，30°，50°时，FSS地球站与5G基站之间所需的保护距离分别约为：大于50，46，29，18.5，12 km。若考虑95%的干扰门限标准，当保护距离为10 km时，除50°离轴角的地球站外，其他所有FSS地球站都无法满足条件。因此，增大FSS地球站天线主轴与基站干扰信号间的夹角或增大保护距离，都可以减小5G基站对FSS地球站的干扰。

基站与FSS地球站之间的保护距离为20 km时，5G基站数量与FSS地球站干扰噪声比的关系如图7所示。由图7可以看出，当FSS地球站接收到的干扰噪声值达到标准干扰门限时，空间离轴角为10°，15°，20°，25°的FSS地球站最多能容纳的基站数目分别约为100，270，500，900个。角度越大，FSS地球站所能容纳的基站数目就越多。但随着5G基站数目的增多，产生的干扰噪声比越高，FSS地球站受到干扰程度就越大。因此，合理安排和控制5G基站的数量是减小对FSS地球站干扰的重要手段之一。

图7 FSS地球站接收到的干扰噪声比与5G基站数目的关系

图8给出了FSS地球站接收干扰噪声比与5G基站及保护距离之间的关系。当5G基站发射功率为50，53，55，57，59 dBm时，两系统间需要的保护距离分别约为5，7，11，16，25 km。

图8 FSS干扰噪声比与5G基站发射功率之间的关系

由图8可以看出，5G基站的发射功率越高，系统所需的保护距离越大，对FSS地球站产生的干扰程度越强，越不利于卫星与5G系统的共存。为了尽可能减少此类情况对FSS系统的影响，就需要对5G基站的设计提出更高的要求。

4 结束语

对于卫星与5G系统的干扰共存问题，本文对3 400～3 600 MHz频段内5G和FSS地球站之间的共存场景进行了干扰分析。 在同信道干扰下，仅考虑5G基站对FSS地球站的干扰情况。通过对FSS接收端的干扰噪声比性能仿真得出，若要满足FSS 地球站的干扰门限标准，系统间至少需要15～20 km的保护距离。并且5G对FSS系统的干扰不仅在于FSS地球站天线主轴与5G基站干扰信号之间的夹角，还取决于5G基站的数目和发射功率。